После трех лет кропотливых экспериментов с использованием новых методов редактирования генов и чувствительного картирования судьбы для маркировки и отслеживания развивающихся клеток у рыб исследователи описали, как маленькие гибкие кости, обнаруженные на концах плавников, связаны с пальцами рук и ног, которые более подходят. для жизни на суше.«Когда я впервые увидел эти результаты, вы могли сбить меня с ног», — сказал старший автор исследования Нил Шубин, доктор философии, почетный профессор биологии и анатомии организмов Роберта Р. Бенсли в Чикагском университете. Шубин — знаток перехода от плавников к конечностям.
«В течение многих лет, — сказал он, — ученые думали, что лучи плавников совершенно не связаны с пальцами рук и ног, совершенно не похожи друг на друга, потому что один вид кости изначально формируется из хряща, а другой — из простой соединительной ткани. Наши результаты меняют это положение. вся идея. Теперь нам есть над чем переосмыслить ".Чтобы понять, как плавники могли превратиться в запястья и пальцы, исследователи работали в основном со стандартной моделью рыбы: рыбой данио.
Тэцуя Накамура, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Шубина, использовал метод редактирования генов CRISPR / Cas у рыбок данио для удаления важных генов, связанных с построением конечностей, а затем селективно вырастил рыбок данио с множественными целевыми делециями. Он потратил более двух лет на создание и скрещивание рыб-мутантов — проект, который начался в Морских биологических лабораториях в Вудс-Хоул, штат Массачусетс.
В то же время Эндрю Герке, доктор философии, бывший аспирант лаборатории Шубина, усовершенствовал методы маркировки клеток, чтобы определить, когда и где определенные эмбриональные клетки мигрируют по мере роста и развития животных.«Это был один из тех моментов эврики, — сказал Герке. «Мы обнаружили, что клетки, которые отмечают запястья и пальцы мышей и людей, находятся исключительно в лучах плавников рыб».Команда сосредоточилась на генах Hox, которые контролируют строение тела растущего эмбриона по оси от головы до хвоста или от плеча до кончиков пальцев. Многие из этих генов имеют решающее значение для развития конечностей.
Они изучали развитие клеток, начиная с некоторых экспериментов вскоре после оплодотворения, и проследили за ними, когда они стали частью взрослого плавника. Предыдущая работа показала, что когда гены Hox, особенно те, которые связаны с запястьями и пальцами мышей (HoxD и HoxA), были удалены, у мышей не развивались эти структуры. Когда Накамура удалил те же самые гены у рыбок данио, лучи длинных плавников сильно сократились.
«Важно не то, что происходит, когда вы выбиваете один ген, а когда вы делаете это в комбинации», — объяснил Накамура. «Вот где происходит волшебство».Исследователи также использовали высокоэнергетический компьютерный томограф, чтобы увидеть мельчайшие структуры в плавниках взрослых рыбок данио. Они могут быть невидимы даже для большинства традиционных микроскопов. Сканирование показало, что рыбы, лишенные определенных генов, теряли лучи плавников, но количество мелких костей, состоящих из хрящевых плавников, увеличивалось.
Авторы подозревают, что созданные Накамурой мутанты заставили клетки перестать мигрировать из основания плавника в их обычное положение рядом с кончиком. Эта неспособность к миграции означала, что было меньше клеток, производящих лучи плавников, а у основания плавников оставалось больше клеток для производства хрящевых элементов.«На самом деле потребовалось сочетание маркировки и нокаута, чтобы убедить нас в том, что клеточная связь между плавниками и конечностями реальна», — сказал Герке.Будущие исследования включают в себя новые экспедиции по поиску дополнительных ископаемых промежуточных звеньев — таких как Тиктаалик, связь между примитивными рыбами и первыми четвероногими животными, обнаруженная Шубиным и его коллегами в 2006 году — в переходе от плавников к конечностям.
Они также планируют эксперименты с Hox-генами, чтобы узнать, как обычная популяция клеток может образовывать такие разные структуры у рыб и людей.