Рис. 1. Шимпанзе, наш ближайший родственник, без всякого намека на хвост, — хоть и обезьяна. Фото с сайта newscientist.com
Строго говоря, хвост потеряли не люди, а наш далекий предок, живший еще 25 миллионов лет назад. Ведь отсутствие хвоста — это общий (синапоморфный) признак всей группы человекообразных приматов, объединяющей, помимо человека, еще шимпанзе, горилл, орангутанов и гиббонов, и отличающий эти виды от всех прочих, хвостатых, приматов. Поразительно, но толком до сих пор не было известно, какие мутации (и как много мутаций) стоят за этой утратой. Теперь, кажется, ответ найден. В одном из интронов гена TBXT общего предка человекообразных появилась новая копия мобильного элемента Alu, следствием чего стало появление укороченной версии РНК и белка из-за выпадения одного из экзонов в ходе альтернативного сплайсинга. Эффект этой вставки (потеря хвоста в эмбриональном развитии) был доказан в экспериментах на мышах. Как выяснилось, хвост был потерян нашими предками почти «одним махом».
Среди множества отличительных признаков человека от зверей каждый ребенок заметит отсутствие хвоста. Однако эта особенность не чисто человеческая — среди приматов отсутствие хвоста характерно для всей группы человекообразных обезьян, куда вместе с нами попадают еще шимпанзе, гориллы, орангутаны и гиббоны (именно в таком порядке убывает степень их родства с человеком). Вслед за авторами статьи, речь о которой пойдет ниже, будем использовать в качестве альтернативы «человекообразным обезьянам» слово «гоминоиды» — так короче, и к тому же как-то психологически проще относить себя к гоминоидам, чем к человекообразным обезьянам. Итак, вся группа гоминоидов ведет свое происхождение от общего предкового вида, жившего довольно давно: по приблизительным оценкам — около 25 миллионов лет назад. И уже у этого вида хвоста не было, а, соответственно, не было хвоста и у всех его видов-потомков. Так, у первых известных палеонтологам представителей гоминоидов — видов рода Proconsul, существовавшего в период между 14 и 21 млн лет назад, — хвоста не было.
Рис. 2. Филогенетическое дерево приматов. Оранжевая и желтая ветви соответствуют мокроносым приматам (лори, лемуры), зеленая часть дерева — негоминоидные приматы Старого Света; голубая часть дерева — гоминоиды (человекообразные обезьяны). До их появления, где-то в промежутке между 18 и 25 миллионами лет назад, вероятно, появился общий предок гоминоидов, потерявший свой хвост. Рисунок из обсуждаемой статьи
А вот у его предков — негоминоидных приматов — хвост был. И значит, где-то на пути к этой эволюционной ветке случилась одна или множество мутаций, которые так изменили ход эмбрионального развития, что рождаться эти животные стали без хвоста. Хвост мог понемногу укорачиваться, накапливая множественные мутации с малым эффектом или пропасть сразу, за счет какой-то мутации с сильным эффектом.
Хвост — это, в сущности, наиболее задний свободный подвижный отдел позвоночника, отходящий от основания туловища. Гены, которые участвуют в развитии позвоночника и каждого его отдела, неплохо изучены. Скажем, для мышей известен 31 ген, мутации в которых приводят к более или менее заметному укорочению хвоста. И все же до последнего времени ученым не было известно, какие именно изменения в ДНК привели к утрате хвоста у гоминоидов. Все те гены, которые участвуют в развитии хвоста у негоминоидных приматов, сохранили свои белковые последовательности в рабочем состоянии и у гоминоидов.
А между тем, любопытство требует поиска ответа до победы. И вот, на сайте электронных препринтов по биологии совсем недавно появилась замечательная статья с расследованием этого запутанного дела. Статья соответствует всем стандартам современного исследования, и надо полагать, очень скоро она появится на страницах журнала высокого уровня. Возможно, авторы постарались поскорее разместить статью на общедоступном ресурсе с тем, чтобы их не обогнали «сидящие на хвосте» конкуренты. Исследование проведено коллективом ученых из лаборатории Итаи Янаи (Itai Yanai).
Бо Ся (Bo Xia), первый автор статьи, так описывает предысторию этого исследования: «В детстве меня ужасно занимал вопрос — почему у людей нет хвоста? Я все спрашивал: «Где мой хвост?» А несколько лет назад я повредил копчик в автомобильной аварии. Было очень больно. И это напомнило мне о моем давнишнем интересе. Так и началась эта работа».
Итак. Сравнив геномы гоминоидных и негоминоидных приматов, и убедившись, что ни один из 31 гена-кандидата у гоминоидов не содержит в своих экзонах мутаций, которые должны были бы как-то заметно нарушить функции белков, кодируемых этими генами, ученые взялись за более внимательное изучение некодирующих участков — в частности, интронов (для этих же генов). Общим для всех гоминоидов отличием оказалась вставка мобильного элемента AluY в интрон, разделяющий 6 и 7 экзоны гена TBXT (T-box transcription factor T).
Ген TBXT (его альтернативное название Brachyury) кодирует транскрипционный фактор. Этот белок связывается с регуляторными участками около множества разных генов, и влияет на интенсивность транскрипции этих генов. В белке TBXT имеются два активаторных (TA1, TA2) и два репрессорных домена (TR1, TR2), вследствие чего он может выступать в двоякой роли: для одних генов он служит усилителем транскрипции, для других — подавителем. Собственно, свое название Brachyury (от лат. «короткий хвост»), этот ген получил еще в 1927 году, когда мутацию короткохвостости описала генетик Надежда Добровольская у мышей. Мутация давала короткохвостых мышей только при гетерозиготном генотипе, в то время как гомозиготный генотип был летален для эмбрионов. Мутации в этом же гене обуславливают и короткохвостость некоторых пород кошек.
Гены всех эукариот (живых существ, клетки которых содержат ядро), а значит и всех животных, состоят из экзонов и интронов. Ген — это отрезок ДНК, на котором происходит транскрипция — синтез копии в виде молекулы РНК. На молекуле РНК далее синтезируется белок. Но между этими двумя этапами считывания генетической информации должно произойти еще кое-что: из первичной РНК должны быть удалены «бессмысленные» участки (не кодирующие белок) — интроны, а остальные, кодирующие — то есть экзоны — соединяются снова в цельную цепочку, образуя зрелую мРНК, кодирующую полноценный белок. Этот процесс называется сплайсингом. Надо иметь в виду, что зачастую сплайсинг может происходить несколькими разными способами, что приводит к образованию нескольких разных вариантов зрелой мРНК, а значит и нескольких вариантов белка при последующей трансляции.
Очевидно, что внутриклеточная молекулярная машина, сплайсосома, которая выполняет эту операцию, должна каким-то образом опознавать, где именно надо произвести вырезание (эти места именуются «сайты сплайсинга»). Действительно, внутри генов, как в экзонах, так и в интронах есть особые нуклеотидные последовательности, которые выполняют роль опознавательных и направляющих знаков для этой машины. Кроме того, важно, какую пространственную конфигурацию принимает молекула первичной РНК. Сайты для посадки сплайсосомы в некоторой конфигурации могут оказаться как бы спрятаны от сплайсосомы, и тогда сплайсинг будет проходить альтернативным путем, не задействуя скрытые сайты сплайсинга.
Вернемся к обнаруженной мутации. На что же может влиять мобильный элемент, оказавшийся в середине интрона? Предположили, что он влияет на сплайсинг. Как же именно? Ученые обратили внимание, что очень похожий мобильный элемент, именуемый AluSx1, имеется у всех приматов в другом интроне — между экзонами №5 и №6. Причем направлен он в противоположную сторону по отношению к новому элементу AluY генома гоминоидов. Это взаиморасположение теоретически может приводить к комплементарному спариванию двух Alu-элементов в процессе транскрипции с образованием петли, содержащей шестой экзон, отделенной от всей остальной части цепочки РНК «стволом» из пары мобильных элементов. В этом случае сплайсинг может проходить таким образом, что экзон №6 выпадает из зрелой РНК, а к 5-му экзону сразу примыкает 7-й, как изображено на рис. 3, А. РНК, которая получается при таком варианте сплайсинга, оказывается короче полного варианта. Теряющийся фрагмент не нарушает рамку считывания, но приводит к образованию укороченного на 59 аминокислот белка с выпадением одного трансактиваторного (TA1) и одного репрессорного домена (TR1) — это показано на рис. 3, B. В белке при этом все еще сохраняются ДНК-связывающий домен (DNA-binding domain) и еще по одному TA и TD домену. Таким образом, утрата этого экзона, очевидно, должна сказываться на функциональности альтернативной изоформы белка.
Рис. 3. Теоретический сценарий изменения получаемых продуктов гена при вставке мобильного элемента AluY в интрон из-за альтернативного сплайсинга. На изображении А слева показано образование зрелых мРНК в исходном варианте (как у негоминоидных приматов), при отсутствии вставки мобильного элемента AluY, а справа — образование мРНК при наличии вставки этого элемента в интроне между экзонами №6 и №7 (E6, E7). Видно, что формируется «шпилька» за счет комплементарного спаривания двух элементов Alu и в итоге образуется два варианта зрелой мРНК: более длинный (с экзоном №6) и укороченный (без него). В итоге получаем два разных фенотипа. B — показано соотнесение экзонов в зрелой мРНК и доменов белка TBXT, считываемых с соответствующих участков. Здесь мы видим, что утрата экзона №6 затрагивает два важных домена в белке, один из которых (TA1) работает как трансактиватор (помогает активировать работу генов), а другой (TR1) — как репрессор (подавляет работу генов). Рисунок из обсуждаемой статьи
Теперь дело осталось за экспериментальной проверкой. Первая серия экспериментов была выполнена на культивируемых эмбриональных стволовых клетках человека. Задача — убедиться, что альтернативный сплайсинг действительно присутствует, и — если да, — что причиной действительно является взаимодействие между двумя Alu-элементами.
Для этого ученые воспользовались молекулярными ножницами CRISPR/Cas. С их помощью в ДНК клеток можно было вырезать один или второй Alu-элемент (рис. 4, А). Получив клетки с такими делециями в геноме (каждый вариант в двух независимых повторах), ученые исследовали набор молекул зрелых мРНК гена TBXT, которые в этих клетках образуются. Результаты можно видеть на рис. 4, B.
Рис. 4. Экспериментальная проверка гипотезы о влиянии мобильных элементов в интронах гена TBXT на сплайсинг его РНК. A — схема получения клеток с редактированными геномами — при помощи CRISPR/Cas вырезался один из Alu-элементов (ножнички условно показывают место вносимых разрезов). Полученные варианты обозначены ΔAluY и ΔAluSx1. B — результаты ПЦР-анализа наборов РНК в эмбриональных стволовых клетках без делеций (WT) и в клетках с делецией (ΔAluY или ΔAluSx1). Каждая полосочка на электрофорезе — один фрагмент определенной длины. Подписи указывают, какой фрагмент происходит из какого варианта. Рисунок из обсуждаемой статьи
Получилась следующая картина: в обычных человеческих клетках без делеции получалось два варианта РНК примерно в равных количествах — полноразмерная (Full-length) и вариант с утратой экзона №6 (Δexon_6). У клеток с вырезанным элементом AluY в основном присутствовал полноразмерный вариант, а вдобавок к нему в небольшом количестве еще более короткий вариант с потерей одновременно экзонов №6 и №7 (Δexon_6&7). Первостепенно для нас тут заметить полное отсутствие в этом случае варианта Δexon_6. В случае делеции элемента AluSx1 обнаруживался только полноразмерный вариант РНК. Очевидно, это элемент задействован не в одном варианте альтернативного сплайсинга. Таким образом, гипотетический молекулярный механизм влияния новой вставки мобильного элемента в интрон гена на альтернативный сплайсинг в полной мере подтвердился.
Теперь осталось проверить вторую часть гипотезы — что именно появление такого варианта альтернативного сплайсинга и есть причина укорочения хвоста. Тут уже не обойтись без экспериментов на животных. Любимый модельный объект в таких случаях — мышь. Но вот беда, у мышей вовсе нет никаких Alu-элементов: это чисто приматное семейство мобильных элементов. Что же делать? Поскольку нужно проверить, индуцируется ли потеря (или укорочение) хвоста укороченным вариантом белка, достаточно просто вырезать экзон №6 гена TBXT (у мышей экзонное строение этого гена точно такое же, как у приматов) из геномной ДНК. Ученые так и сделали, снова воспользовавшись молекулярными ножницами CRISPR/Cas — схема этой операции показана на рис. 5, А. Получили мышей с гетерозиготным генотипом — одна хромосома имела обычное строение, а вторая была с вырезанным экзоном №6. При их скрещивании во втором поколении теоретически можно получить мышей, имеющих гомозиготный нормальный генотип, а также гетерозиготный и гомозиготный генотип с делецией экзона (в соотношении 1:2:1, согласно законам расщепления Менделя). Однако на практике у мышей наличие мутации в гомозиготе приводило к аномалии развития, так что эмбрион либо погибал на самых ранних этапах развития, либо развивался, но детеныш умирал при рождении из-за патологии в виде расщепления позвоночника. Так что живые мышата получались только в том случае, если могла нарабатываться как полноразмерная, так и укороченная версия белка (либо только полноразмерная), — и ведь именно так обстоит дело в случае, когда укороченная изоформа получается путем альтернативного сплайсинга, как у гоминоидов!
Рис. 5. Проверка влияния альтернативного сплайсинга на формирование фенотипа с использованием генетически отредактированных мышей. А — схема редактирования генома с получением гетерозиготных генотипов мышей, содержащих в одной из хромосом делецию экзона №6 гена TBXT. B — схема строения зрелых РНК у мышей с нормальным или гетерозиготным генотипом, а также у человека. С — фенотипы хвоста у гетерозиготных мышей, имеющих делецию экзона №6 гена TBXT. Рисунок из обсуждаемой статьи
Как и следовало ожидать, мышата второго поколения с двумя нормальными хромосомами имели самый обычный хвост без каких-либо особенностей (35 из 35). А вот мышата с гетерозиготным генотипом сильно разнились. В целом, все части тела, не считая хвоста, у них имели вполне нормальный вид. Что касается хвоста — то тут спектр фенотипов варьировал от полного отсутствия хвоста до хвоста обычной длины и нормального фенотипа. Весь спектр можно видеть на рис. 5,C. Аномалии фенотипа присутствовали у 21 из 63 мышат-гетерозигот, у четырех из них хвоста не было совсем (no-tail), у 9 хвост был заметно укорочен (short-tail) — в их хвосте было намного меньше позвонков, чем бывает обычно, а еще у восьми присутствовали аномалии в виде «изломов» хвоста (kinked-tail). Таким образом, присутствие мутации проявляло себя не у всех особей — в таких случаях говорят о «неполной пенетрантности» мутации.
Подводя итоги своего исследования, ученые рисуют нам следующий вероятный сценарий того, как предки гоминоидов теряли хвост. Первичным событием было, вероятно, появление в интроне гена TBXT нового Alu-элемента (AluY). Следствием этого стало появление у особей неустойчиво проявляющихся аномалий хвоста — у некоторых это была полная потеря хвоста, у других он мог быть укороченным. Вероятно, такие изменения дали какое-то преимущество особям, и мутация была поддержана отбором. Со временем нашлись и другие мутации, которые усилили силу влияния мутации на онтогенез и стабилизировали бесхвостый фенотип. Таких мутаций могло быть намного больше, чем одна, и в рамках этого исследования мы не можем сказать, какие именно гены эти мутации затронули.
Увы, такое исследование, раскрывая в значительной мере молекулярный механизм потери хвоста, все еще ничего не может нам сказать о том, почему этот фенотипический признак оказался полезным для наших далеких предков 25 миллионов лет назад. Данные по ископаемым говорят о том, что первые бесхвостые приматы все еще использовали передвижение на четырех лапах и были хорошо адаптированы к жизни на деревьях, так что привязать появление признака к перемещению на задних конечностях не получается. Будем рады предложению ваших версий в комментариях.
Рис. 6. Вероятный сценарий хода эволюционных событий, в результате которого у гоминоидов исчез хвост. Рисунок из обсуждаемой статьи
Интересно, что аномалия в виде расщепления позвоночника довольно-таки нередка у людей (частота примерно 1 случай на 1000–1500 новорожденных). Так что, рассуждают авторы, фиксация такой мутации у предкового вида вероятнее всего говорит о наличии какого-то действительно серьезного преимущества, связанного с утратой хвоста для тех животных в их местообитании. Ну и с другой стороны, это изменение, так или иначе, стало важной преадаптацией, облегчившей переход уже непосредственно предков человека (австралопитеков) к ходьбе и бегу на двух задних (теперь нижних) конечностях.
Источник: Bo Xia, Weimin Zhang, Aleksandra Wudzinska, Emily Huang, Ran Brosh, Maayan Pour, Alexander Miller, Jeremy S. Dasen, Matthew T. Maurano, Sang Y. Kim, Jef D. Boeke, Itai Yanai. The genetic basis of tail-loss evolution in humans and apes // Статья доступна как препринт. DOI: 10.1101/2021.09.14.460388.