Поскольку затронутый ген, eyeless / Pax6, сохраняется у беспозвоночных и позвоночных, включая людей, открытие может представлять собой общий механизм компромиссов в размерах сенсорных органов в животном мире.
Чувства, на которые полагаются животные, сформировались в процессе эволюции, чтобы лучше ориентироваться в окружающей среде и лучше использовать ее.
В результате даже близкородственные виды, живущие в разных экологических нишах, демонстрируют различия в размерах и формах своих сенсорных структур. У членистоногих, таких как плодовые мухи, часто встречается компромисс между размером глаз и антенн, где расположено большинство органов обоняния.
«Мы демонстрируем, что тонкие изменения в консервативных механизмах, которые управляют развитием этих органов чувств, имеют последствия», – говорит старший автор исследования Бассем Хассан из Institut du Cerveau et de la Moelle epiniere (ICM). "В более широком смысле это означает, что невозможно полностью понять, как генетическая изменчивость и морфологическая изменчивость связаны друг с другом, без понимания процессов развития, которые переводят первое во второе."
Чтобы изучить основные механизмы, Хасан и первый автор Ариан Рамакерс из Institut du Cerveau et de la Moelle epiniere (ICM) объединили сравнительный анализ различных штаммов и видов плодовых мух с подходами к развитию, молекулярным и геномным редактированием. В частности, авторы сосредоточили внимание на структуре, называемой глазно-антеннальный имагинальный диск (EAD), который состоит из поля глаза и поля вне глаза и дает начало всем внешним органам чувств головы во время развития плодовой мушки.
Хасан и Рамаекерс обнаружили, что глазное поле пропорционально больше у Drosophila pseudoobscura (D. псевдоним.) по сравнению с Drosophila melanogaster (D. мел.), что соответствует увеличению на 35% количества омматидий – небольших единиц, составляющих сложный глаз насекомых. Точно так же поле зрения пропорционально больше в D. мел. штамм под названием Canton-S по сравнению с D. мел. штамм Hikone-AS, соответствующий 12.5% увеличение количества омматидий.
"Эти данные предполагают, что, несмотря на 17-30 миллионов лет разделенной эволюции между двумя группами видов, колебания числа омматидий между D. мел. и D. псевдоним. и между двумя D. мел. штаммы имеют общую логику развития ", – говорит Хасан.
Чтобы найти генетические причины изменения размера глаз, исследователи затем изучили последовательности ДНК, которые факторы транскрипции связывают, чтобы регулировать экспрессию соседнего гена eyeless / Pax6.
Они обнаружили, что вариант с одним нуклеотидом – замена G> A – в сайте связывания, который отличает маленькие подвиды глаз от больших подвидов глаз. Прогнозируется, что аллель G у малых подвидов глаз имеет более высокое сродство к сайту связывания, что приводит к большей репрессии экспрессии гена eyeless / Pax6 по сравнению с аллелем A у больших подвидов глаз.
Дополнительные анализы показали, что этот вариант встречается в естественных популяциях плодовых мух, а аллель А соответствует как большему количеству омматидий, так и меньшей ширине усиков среди различных лабораторных штаммов. Используя CRISPR / Cas9 для введения аллеля A в G-гомозиготную популяцию, исследователи продемонстрировали, что замена G> A вызывает увеличение количества омматидий.
«Мы были удивлены простотой механизма сенсорных компромиссов, который мы определили: для изменения размера сенсорного органа – в данном случае глаза или антенны – достаточно немного изменить экспрессию одного гена», – говорит Рамаекерс. "Было особенно приятно обнаружить, что этот ген, названный Pax6, является тем же самым, который строит глаза у всех животных, включая человека. Мы также были удивлены тем, что для достижения компромисса важно изменить то, когда, а не где, Pax6 в конечном итоге выражается.
Чтобы глаз был больше или меньше, достаточно немного ускорить или замедлить разделение зачатка головы на глазные и неглазные территории."
Для авторов результаты вызывают несколько интригующих вопросов. Например, пока не ясно, как вариант с одним нуклеотидом изменяет время экспрессии Pax6 и развития сенсорных органов.
Более того, возможно, что контроль времени экспрессии ключевых генов развития может быть общим правилом для изменения размера ткани или органа. Другой интересный вопрос: влияют ли на сенсорные области мозга изменения относительных размеров сенсорных органов?.