Примерно 25 миллионов лет назад предок человека и обезьян генетически отделился от обезьян и потерял хвост. До сих пор никто не определил генетическую мутацию, ответственную за это драматическое изменение в нашей физиологии.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, исследователи выявили уникальную мутацию ДНК, которая привела к потере хвостов наших предков. Он расположен в гене TBXT, который, как известно, отвечает за длину хвоста у хвостатых животных.
Впечатляющее открытие началось, когда автор первого исследования Бо Ся, бывший аспирант Нью-Йоркского университета, а сейчас главный исследователь в Институте Броуда, повредил копчик и заинтересовался происхождением структуры.
«Бо действительно гений, потому что он смотрел на то, на что, по крайней мере, тысячи людей, должно быть, смотрели раньше, — но он увидел нечто иное», — сказал Итай Янаи , научный директор лабораторий прикладной биоинформатики в NYU Langone Health и старший преподаватель автор исследования.
На протяжении миллионов лет изменения в ДНК позволяют животным развиваться. Некоторые изменения затрагивают только одну ступеньку запутанной лестницы ДНК, но другие более сложны.
Так называемые Alu-элементы представляют собой повторяющиеся последовательности ДНК, которые могут генерировать фрагменты РНК, молекулярного родственника ДНК, которые могут конвертироваться обратно в ДНК, а затем случайным образом вставляться в геном. Эти «мобильные элементы», или «прыгающие» гены, могут нарушать или усиливать функцию гена при вставке. Этот специфический тип прыгающего гена существует только у приматов и способствует генетическому разнообразию на протяжении миллионов лет.
В этом последнем исследовании исследователи обнаружили два элемента Alu в гене TBXT, которые присутствуют у человекообразных обезьян, но не у обезьян. Эти элементы находятся не в той части гена, которая кодирует белки — экзонах — а скорее в интронах. Интроны — это последовательности ДНК, фланкирующие экзоны, которые были названы «темной материей» генома, поскольку исторически считалось, что они не выполняют никаких функций. Они удаляются или «сплайсируются» из последовательности до того, как молекула РНК преобразуется в белок.
Однако в этом случае, когда клетки используют ген TBXT для генерации РНК, повторяющаяся природа последовательностей Alu заставляет их связываться вместе. Эта сложная структура по-прежнему вырезается из более крупной молекулы РНК, но захватывает с собой целый экзон, тем самым изменяя окончательный код и структуру полученного белка.
«Мы провели много других анализов других генов, участвующих в длине хвоста или морфологии. И, конечно, есть различия, но это было похоже на удар молнии», — сказал Джеф Боке, директор Института системной генетики при Нью-Йоркском университете в Лангоне. Health и старший автор исследования. «И именно некодирующая ДНК [интроны] была на 100% законсервирована у всех обезьян и на 100% отсутствовала у всех обезьян», — рассказал он.
В клетках человека исследователи подтвердили, что одни и те же последовательности Alu появляются в гене TBXT и приводят к удалению того же экзона. Они также обнаружили, что родственную молекулу РНК можно разрезать различными способами с образованием нескольких белков из одного и того же гена. Для сравнения, мыши производят только одну версию белка, поэтому наличие обеих версий, по-видимому, предотвращает образование хвостов, пришла к выводу команда.
Этот способ создания разных белков из одного и того же гена называется «альтернативным сплайсингом», и это одна из причин, почему физиология человека настолько сложна. Но впервые было показано, что элементы Alu вызывают альтернативное сращивание.
Исследователи экспериментировали с введением тех же генов прыжков мышам и обнаружили, что мыши потеряли хвосты.
Примечательно, что биологи-эволюционисты предполагают, что потеря хвоста позволила людям стать двуногими, согласно обзору 2015 года. «Мы — единственная газета, которая когда-либо представила правдоподобный сценарий того, как это произошло», — сказал Янаи. «Теперь мы ходим на двух ногах. У нас развился большой мозг и мы владеем технологиями», — сказал он. «Все из-за того, что эгоистичный элемент прыгнул в интрон гена. Меня это поражает».
Интересно, что исследователи обнаружили, что у мышей, потерявших хвосты, чаще наблюдалась расщелина позвоночника — врожденный дефект, поражающий нервную трубку — эмбриональную структуру, дающую начало спинному и головному мозгу. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, это заболевание поражает примерно 1 из 1000 новорожденных.
«Это может быть своего рода непреднамеренным последствием того, что дефицит TBXT дает вам короткий хвост… но это повышает вероятность того, что вы не получите полного закрытия нейронов», то есть в нервной трубке остается отверстие, сказал Боке.
«Никто никогда не думал, что, просто следуя нашему любопытству, мы заставим мышь потерять хвост, внеся ту же мутацию… и тогда мы увидим, что у мыши также есть дефект нервной трубки», — добавил Янаи.
Открытие этого типа альтернативного сплайсинга, вероятно, повлияет на всю область геномного анализа в будущем.
«Я думаю, что их будет больше», — сказал Буке об этих влиятельных элементах Алу. Поэтому, добавил он, вероятно, существуют альтернативно сплайсированные белки, которые на самом деле являются основной причиной некоторых эволюционных изменений в наших чертах.
