Исследование показало, что у голубей с перьями на задних конечностях или ногах ген развития задних конечностей Pitx1 менее активен, чем обычно, в то время как ген развития передних конечностей под названием Tbx5 активен в стопах, где обычно нет.Другими словами, «причудливые оперенные лапы голубей — это частично крылья», — говорит биолог Майк Шапиро, старший автор исследования, опубликованного сегодня журналом eLife.
У голубей-мутантов с перьями на лапах «задняя конечность явно распознается как лапа, но она приобрела больше характеристик передних конечностей», — говорит он. «Это не полное превращение ноги в крыло. Скорее, компоненты ноги более похожи на крылья, включая перья и более крупную кость ноги».Шапиро и его коллеги обнаружили, что сами гены Pitx1 и Tbx5 ничем не отличаются у пород с муфтой для ног и без нее.
Вместо этого они узнали, что негенные «регуляторные последовательности» ДНК рядом с генами действуют как переключатели, снижая активность гена Pitx1 задних конечностей и повышая активность гена Tbx5 передних конечностей у эмбрионов голубей с перьями на лапах.«Наши эксперименты показывают, что эти переключатели работают по-разному у птиц с пернатыми лапами по сравнению с птицами с нормальными чешуйчатыми лапами», — говорит Шапиро.Эти два гена были ранее известны у всех позвоночных животных, и они связаны с конечностями и другими дефектами у людей.
Новое исследование показало, как они «обеспечивают механизм, с помощью которого можно контролировать чешуйчатые и пернатые участки кожи», — говорит Шапиро.Голубей, динозавров и ранних птицУ большинства птиц есть чешуя на лапах и пальцах, а также перья в других местах.
У некоторых — например, полярных сов, беркутов и куропаток — есть перья на лапах. Только куры и домашние голуби — 146 и более 350 пород соответственно — имеют породы с перьями на лапах и без них у одного вида.«Основным изменением, произошедшим в эволюции птиц от динозавров, была замена чешуи перьями по всему телу», — говорит Шапиро. «Голуби дают нам необычный шанс понять генетические механизмы и механизмы развития, которые могут контролировать это изменение, потому что существуют породы голубей с перьями на лапах и без них».
У некоторых динозавров были перья на ногах, которые, возможно, были обычным явлением у теропод, питающихся мясом, включая хищников и тираннозавра рекса.«Мы не знаем, были ли Pitx1 и Tbx5 специально задействованы в пернатоногих динозаврах, но это дает нам генетический механизм и механизм развития, который мог бы это сделать», — добавляет он. «У нас нет прямого способа узнать, как это изменение произошло у динозавров. Однако мы видим множество поразительных анатомических сходств между пернатыми ногами и ступнями динозавров и голубями с пернатыми ногами и ступнями.
Так что голуби могут дать нам некоторое представление о том, как кожа знает, что у него появляются чешуйки или перья ".«Судя по тому, что мы обнаружили у голубей, изменение чешуи на перья может быть генетически очень простым», — говорит он. «Это может дать нам некоторые подсказки не только о том, как голуби обретают оперение на лапах, но, возможно, и о том, как древние птицы теряли оперение на лапах».Новое исследование финансировалось Национальным научным фондом, Фондом Берроуза Велкома и Национальными институтами здоровья.Шапиро проводил исследование с докторантом Университета Юты Эриком Домианом; докторант генетики человека Зев Кроненберг; аспиранты биологии Анна Викри, Ребекка Брудерс и Сидней Стрингхэм; студент бакалавриата Майкл Гернси; и профессора генетики человека Габриэль Кардон и Марк Янделл. Другие соавторы были в Университете Джорджии.
Гены, определяющие крылья и ноги«Гены, которые мы обнаружили, что контрольные оперенные лапы определяют идентичность передних и задних конечностей», — говорит Шапиро, и уже были известны другими функциями, помимо их новой роли в развитии оперения стопы:«Tbx5 имеет решающее значение для правильного развития передних конечностей у всех позвоночных — рыб [плавников], кур, мышей и даже людей», — добавляет он. «Мутации в гене у людей вызывают синдром Холта-Орама, который приводит к дефектам руки и сердца у новорожденных».«Долгое время было известно, что Pitx1 имеет решающее значение для развития задних конечностей у позвоночных, в том числе у людей», — говорит Шапиро. «Если Pitx1 инактивирован, у мышей возникают серьезные дефекты задних конечностей.
Кости меняют размер и форму. У них также возникают серьезные дефекты головного мозга и челюсти. Мутации в Pitx1 у людей могут привести к косолапости» и синдрому Либенберга, который вызывает дефекты локтя и запястья, вызывающие руки более похожи на ноги.Шапиро и его коллеги показали, что для получения перьев на задних конечностях или ногах голубей нормальный сигнал задней конечности от Pitx1 идет вниз, делая ногу менее похожей на заднюю, а сигнал от передней конечности от Tbx5 идет вверх, делая ногу более похожей на крыло.
«У голубей, когда Tbx5 выражен в ноге, нога приобретает некоторые характеристики передних конечностей или крыльев, включая перья», — говорит он. «У некоторых пород с оперенными лапами малоберцовая кость или наружная кость голени становятся намного больше» и больше похожи на кость в крыле.Поиск генов оперения стопы
Шапиро и его коллеги провели эксперименты по разведению, в которых они скрестили одушевленных голубей, названных померанскими путерами, с чешуйчатыми голубями, известными как скандароны. Потом скрестили потомство.«У внуков у некоторых птиц были чешуйчатые лапы, у других были большие муфты, а у других были промежуточные, с разной чешуей и перьями», — говорит он. «Обычно у них было и то, и другое. Это говорит о том, что очень мало генов вовлечено в эту черту, как мы и ожидали». (Если бы большинство птиц были промежуточными, это указывало бы на участие многих генов.)«Затем мы искали связи между последовательностями ДНК и количеством оперений на ногах у внуков», — говорит Шапиро. «Мы обнаружили, что только два участка в геноме имеют значительную связь с оперением стопы».
«Когда внуки унаследовали версии тех участков ДНК, которые произошли от пернатых дедушек и бабушек, у них было больше и больше перьев», — добавляет он. «Когда они унаследовали участки ДНК от чешуйчатых бабушек и дедушек, у них было меньше и меньше перьев. Это подсказало нам, что эти два места в геноме имеют огромное влияние на развитие перьев, а не чешуек на ногах».Затем «мы сравнили полные последовательности генома 15 перноногих пород с геномами 28 чешуйчатых пород», — говорит Шапиро. «Мы обнаружили, что одни и те же два места в геноме различаются между чешуйчатыми и пернатыми породами. Это также позволило идентифицировать меньшие области генома как места расположения генов».
Затем исследователи проверили, как гены в этих областях экспрессируются или активируются у эмбрионов голубя, что позволило им идентифицировать Pitx1 и Tbx5 как гены, включающие или выключающие развитие перьев на ногах.Они подтвердили это с помощью других экспериментов, изучающих, как каждый ген активируется в эмбрионах голубей в результате скрещивания чешуйчатых старых голландских голубей-капуцинов и голубей-ласточек с толстыми перьями.
Исследование показало, что превращение чешуи в перья у голубей не связано с локальными изменениями чешуи, чтобы они стали перьями, а скорее с «полным изменением идентичности конечностей», — говорит Шапиро. «Эти гены являются главными регуляторами, которые контролируют развитие передних конечностей по сравнению с задними».Исследование не определило точное место регуляторных изменений в ДНК у пернатых голубей, но «мы приблизительно знаем, где они находятся», — говорит Шапиро.Шапиро говорит, что, хотя гены Tbx5 и Pitx1 определяют, покрыта ли лапа голубя оперением или чешуей, «они не учитывают все вариации.
Муфты бывают разных размеров, поэтому другие гены, вероятно, играют роль в том, насколько длинна и насколько плотна лапа. перья есть. "Шапиро и его коллеги также исследовали пернатых кур и обнаружили, что ген Tbx5 передних конечностей был включен в их ногах так же, как и в ногах голубей. Однако, в отличие от голубей, ген Pitx1 задних конечностей, по-видимому, не играет роли у кур с перьями на лапах — по крайней мере, на изученной эмбриональной стадии.