По мнению британских и испанских генетиков, формирование сложной анатомии позвоночных не связано в первую очередь с возникновением новых генов, а обусловлено увеличением разнообразия белков при сохранении неизменного генетического набора. Трансформации затронули основные сигнальные пути, которые регулируют развитие эмбриона, что и стало основой для появления более сложных организмов.
В биологии наблюдается парадоксальная ситуация: объем геномa не связан с уровнем организации живого существа. К примеру, число генов у человека и у микроскопического нематода примерно сопоставимо.
В процессе развития каждого эмбриона задействованы одни и те же сигнальные пути – Wnt, Hedgehog, BMP. Это последовательности передачи информации от внешней оболочки клетки к ее ядру. Эти последовательности завершаются особыми белками – транскрипционными факторами. Получив сигнал, эти белки проникают в ядро и непосредственно активируют или подавляют определенные участки ДНК.
Авторы статьи, опубликованной в журнале BMC Biology, ученые считают, что усложнение живых организмов связано с альтернативным сплайсингом. Этот процесс позволяет одному гену выполнять роль конструктора: из одной и той же последовательности ДНК клетка способна создавать различные версии белка (изоформы), комбинируя отдельные участки кода в разной последовательности.
Ученые провели сравнение транскриптомов – совокупности всех экспрессируемых молекул РНК – у трех видов, демонстрирующих эволюционную последовательность от беспозвоночных к позвоночным. В качестве объекта исследования был выбран оболочник Ciona intestinalis (беспозвоночное, ближайший родственник позвоночных, минога Lampetra planeri, примитивное бесчелюстное позвоночное, и лягушку Xenopus tropicalis — современное челюстноротое позвоночное.
Использовалось секвенирование длинных прочтений. В отличие от общепринятых методик, данный подход позволяет получить полную последовательность молекулы РНК. Благодаря этому появилась возможность с высокой точностью определить количество вариантов сплайсинга, возникающих с каждого гена.
Согласно результатам анализа, увеличение общего числа вариантов сплайсинга у позвоночных наблюдалось не повсеместно, а выборочно — в семьях генов, отвечающих за синтез транскрипционных факторов.
У позвоночных наблюдается большее разнообразие изоформ в сигнальных путях TCF/LEF, GLI и SMAD (путь BMP). В отличие от оболочника, где эти гены экспрессируются в соответствии с моделью «один ген — один белок», у лягушки каждый из них кодирует два-три функциональных варианта.
Даже в самом простом из сравниваемых объектов было сделано любопытное открытие. У оболочника в гене TCF выявлена уникальная изоформа, сформировавшаяся в результате включения транспозона (мобильного генетического элемента). Это указывает на то, как «мусорная ДНК» способна самостоятельно генерировать новые функциональные компоненты белков.
Исследования демонстрируют, что эволюция организмов протекала посредством детальной оптимизации. Позвоночные не формировали новые сигнальные пути, а увеличивали число белков, выполняющих определенные функции. Расширение спектра изоформ обеспечило клеткам возможность по-разному реагировать на одни и те же сигналы, формируя сложные ткани и органы, используя существующий генетический материал.