Почему у человека нет хвоста? Генетики нашли ответ

Предки человека, от рыб до приматов, имели хвосты в течение примерно полумиллиарда лет. Рыбам хвост помогал рулить, приматам — цепляться за ветки. Но затем, примерно 25 миллионов лет назад, хвосты исчезли. Дарвин первым отметил это изменение в анатомии древних гоминидов. Но как и почему это произошло, оставалось загадкой.

Теперь исследователи, похоже, обнаружили изменение генов, которое привело к потере хвоста: странствующий фрагмент ДНК, который “перепрыгнул” в другой хромосомный домен (участок хромосомы) и изменил выработку белка, ключевого для развития хвоста. Заодно выяснилось, что генетический сдвиг имел и другой побочный эффект, менее заметный, но более опасный: возрос риск врожденных дефектов, затрагивающих спинной мозг. Работа опубликована как препринт в журнале BioRXiv.

Группа сотрудников Института генетических систем Нью-Йоркского университета обнаружила в гене TBXT (T-Box Transcription Factor T) короткую вставку ДНК — “элемент Alu”, которая присутствует у всех человекообразных обезьян, но отсутствует у других приматов. TBXT кодирует белок, называемый brachyury — по-гречески «короткий хвост», потому что мутации в нем, как выяснилось ранее, могут привести к появлению мышей с более короткими хвостами. 

Генетические последовательности Alu способны перемещаться по геному и иногда называются прыгающими генами. Возможно, это остатки древних вирусов, они часто встречаются в геноме человека, составляя около 10% нашей ДНК. Иногда вставка Alu прерывает работу гена и препятствует выработке определенного белка; в других случаях элементы оказывают более сложное действие на экспрессию белков. Это делает прыгающие гены мощным источников эволюционных вариаций, поскольку они меняют генетический код. 

Хотя на первый взгляд, обнаруженный у человекообразных обезьян прыгающий ген Alu не вызывал значительных нарушений в геноме, однако при ближайшем рассмотрении оказалось, что в соседнем участке хромосомы прячется второй элемент Alu. Выяснилось, что у шимпанзе, горилл и орангутанов два прыгающих гена Alu могут слипаться, образуя петлю, которая изменяет экспрессию TBXT. В результате закодированный этим геном белок brachyury будет немного короче исходного.

Генетики использовали технологию CRISPR, чтобы проверить, как укороченный белок brachyury, специфичный для человекообразных обезьян, может влиять на развитие хвоста у мышей. В эксперименте рождались мыши с хвостами разной длины — от нормальной до полного отсутствия. Таким образом, ученые предположили что для полного исчезновения хвоста нужно взаимодействие нескольких факторов, но вставка Alu в гене TBXT, видимо, послужила критическим толчком к исчезновению хвоста у предков человека, и случилось это около 25 млн лет назад, когда человекообразные обезьяны выделились в отдельную ветвь. 

Одновременно в эксперименте выяснилось, что у генетически модифицированных мышей также был необычно высокий уровень дефектов в нервной трубке — развивающемся спинном мозге. В частности, расщепление позвоночника у плода (у человека такая болезнь называется spina bifida), когда спинной мозг не закрывается, и анэнцефалия, при которой отсутствуют части мозга и черепа. Такие состояния у человека относительно широко распространены, поражая одного из 1000 новорожденных.

“Очевидно, мы заплатили свою цену за потерю хвоста, и мы все еще чувствуем эхо тех событий, — говорит профессор Итаи Янаи, один из авторов исследования. — Но наши предки получили какую-то явную выгоду от потери хвоста, например, облегчение передвижения”. Тем не менее, пояснить связь между укороченным белком brachyury и дефектами нервной трубки еще предстоит. Некоторые люди рождаются с рудиментарными хвостами, и секвенирование их геномов может дать дополнительные подсказки.

Технология CRISPR — это самая перспективная технология биоинженерии, инструмент редактирования генома. Ученые заимствовали эту технологию у бактерий. Дело в том, что некоторые бактерии, защищась от атакующих их вирусов, научились «разрезать» специальными ферментами молекулу вирусной ДНК/РНК и встраивать эти кусочки в свою собственную ДНК, как в архив библиотеки, чтобы в следующий раз распознать вирус и уничтожить его. Участки ДНК бактерий, куда встраиваются кусочки чужеродного генетического материала, называются CRISPR. Биологи приспособили этот механизм для внесения изменений в ДНК растений, животных и даже людей. Такие изменения можно внести очень быстро — буквально за несколько дней, и сама технология относительно недорогая. Она  потенциально позволяет излечивать многие генетические (и не только) болезни. Например, хроническую боль можно лечить «генетическими лекарствами», и довольно недорого.

По материалам Science.org

Читайте также:

Эпидемия коронавируса однажды уже поразила человечество 20 тысяч лет назад

Ученые обнаружили генетическую мутацию, ответственную за продолжительность сна