Мышам ввели гены древнего организма — и открыли правду об эволюции

В ходе недавнего лабораторного эксперимента в Гонконге мышам были введены гены одноклеточного микроба, называемого хоанофлагеллятой. Родившиеся мыши не были похожи ни на одного другого представителя своего вида, да и вообще ни на одно другое животное. При этом они выглядели совершенно обычными — это раскрывает правду об эволюции.

Хотя сам по себе микроорганизм хоанофлагеллят не является животным, он тесно связан с живыми организмами. С тех времен, когда сложная многоклеточная жизнь еще не существовала, он мало изменился. Успешная селекция генов в таком сложном организме, как мышь, позволила по-новому взглянуть на эволюционное происхождение животных.

Животные обладают так называемой плюрипотентностью, то есть способностью эмбриональных стволовых клеток дифференцироваться и развиваться в разнообразные ткани, составляющие полноценный организм. Несмотря на отсутствие такой опции, у хоанофлагеллята есть свои версии генов, отвечающих за плюрипотентность у животных.

Заменив гены мыши на версию, найденную у хоанофлагеллятов, исследователи смогли определить, насколько похожи эти два вида по своей функциональности.

«Успешное создание мыши с помощью молекулярных инструментов, полученных от одноклеточных, свидетельствует о необычайной преемственности функций на протяжении почти миллиарда лет эволюции», — сообщил генетик Алекс де Мендоза из Университета королевы Марии в Великобритании.

По его словам, это исследование позволяет предположить, что ключевые гены, участвующие в формировании стволовых клеток, могли возникнуть гораздо раньше, чем они сами, и, возможно, помогли проложить путь к многоклеточной жизни.

Считается, что плюрипотентность возникла с появлением многоклеточных животных около 700 млн лет назад. Поэтому вполне логично, что транскрипционные факторы, связанные с плюрипотентностью стволовых клеток, такие как гены семейств Sox и POU, должны встречаться только у многоклеточных животных.

Однако предыдущие исследования, проведенные на микробах, близких к животным, позволяют предположить, что плюрипотентность зародилась еще до появления многоклеточных. Если так, то это свойство может быть одной из движущих сил эволюции животных, а не ее следствием.

Гены Sox у хоанофлагеллята имеют черты, схожие с теми, что встречаются у тех же генов млекопитающих. У мышей Sox2 взаимодействует с членом POU под названием Oct4, но гены POU хоанофлагеллят не способны генерировать плюрипотентные стволовые клетки.

Группой исследователей руководили Я Гао и Дейзилин Сенна Тан из Университета Гонконга и Матиас Гирбиг из Института наземной микробиологии Макса Планка в Германии. Ученые хотели узнать, что произойдет, если заменить ген Sox2 млекопитающих на ген Sox хоанофлагелляты.

Они вырастили клонированные стволовые клетки мыши и перепрограммировали их геномы, заменив Sox2 на хоанофлагеллятный Sox. Эти клетки были введены в эмбриональные бластоцисты животных, которые затем были имплантированы псевдобеременным суррогатным мышам, чтобы детеныши были выношены, родились и выросли в благоприятной среде.

Химерные детеныши рождались с различными признаками, основанными на их смешанном происхождении. Очевидно, что они были мышатами, но у них были темные глаза и темные пятна на шерсти, что указывало на их смешанную генетику. В остальном они были вполне нормальными. Это говорит о том, что гены хоанофлагелляты Sox смогли создать стволовые клетки, совместимые с развитием мыши.

Исследование позволяет предположить, что инструменты для создания плюрипотентности появились у хоанофлагеллят еще до возникновения многоклеточности. Ученые считают, что факторы транскрипции Sox у хоанофлагеллят сотни миллионов лет назад были биохимически схожи с генами Sox, которые выполняют важные функции у многоклеточных организмов сегодня.

С другой стороны, неспособность хоанофлагеллятных POU производить плюрипотентные стволовые клетки предполагает, что члены POU должны были подвергнуться модификации, чтобы взять на себя ту роль, которую они играют в плюрипотентности сейчас.

По словам ученых, эти результаты могут иметь значение для исследований и терапии стволовыми клетками. Кроме того, они добавляют интересный слой сложности в историю о том, как жизнь на Земле диверсифицировалась.

Ранее проведенные исследования показали, что механизм естественного отбора может не только изменять, но и сохранять сходство между популяциями. Генетическое разнообразие в популяции возникает в результате мутаций. Некоторые из них создают новые черты, которые помогают организмам лучше приспособиться к окружающей среде и имеют больше шансов передаться последующим поколениям.