В фильме "Рыба по имени Ванда" злодей Отто без особых усилий поглощает всех обитателей аквариума Кена. Реальность, однако, более пугающая. По крайней мере один несчастный фанат, который повторил эту сцену, был госпитализирован с рыбой, застрявшей в горле. Это также был болезненный урок ихтиологии (научного изучения рыб), а именно, что защита некоторых рыб состоит из острых, как иглы, шипов плавников.

Действительно, многие виды рыб обладают двумя типами плавниковых элементов: "обычными" мягкими плавниковыми лучами, которые являются тупыми и гибкими и в основном служат для передвижения, и шипами плавников, которые являются острыми и сильно окостеневшими. Шипы плавников служат для того, чтобы сделать рыбу менее съедобной, предлагая сильное эволюционное преимущество. Насчитывая более 18 000 представителей, колюче-лучевые рыбы являются наиболее богатой видами родословной рыб. У этих рыб даже развились отдельные "колючие плавники", состоящие только из шипов. Поэтому эволюция шипов плавников считается основным фактором, определяющим разнообразие и эволюционный успех среди рыб.

В исследовании, опубликованном в PNAS, исследователи из Университета Констанца из команды, возглавляемой доктором Йостом Уолтерингом, который вместе со своей аспиранткой и первым автором исследования Ребеккой Хех работает в лаборатории профессора Акселя Мейера, показывают, как шипы плавников возникают во время эмбрионального развития. Они также объясняют, как шипы могли развиться из наследственных мягких лучей независимо в разных родословных рыб. Исследование сосредоточено на модельном виде колючей рыбы, цихлиде Astatotilapia burtoni, которая обладает хорошо развитыми мягкими и колючими плавниками.

Различные гены развития шипов и мягких лучей

В качестве первого шага команда определила генетические профили мягких и колючих плавников во время эмбрионального развития. "Из этих первых экспериментов стало ясно, что набор генов, которые мы уже знали по развитию плавников и конечностей, по-разному активируется в шипах и мягких лучах", - говорит Хех. Эти гены соответствуют так называемым генам главного регулятора и, как известно, определяют морфологию осевого скелета и скелета конечностей. В плавниках рыб эти гены, по-видимому, обеспечивают генетический код, который определяет, будут ли появляющиеся элементы плавника выглядеть как позвоночник или как мягкий луч.

Мягкие лучи могут превращаться в шипы и наоборот

Затем команда определила генетические пути, которые включают эти главные регуляторные гены и определяют их активность в разных положениях на плавниках. "Важно отметить, что мы смогли рассмотреть роль этих путей, используя химические инструменты, так называемые ингибиторы и активаторы, а также" генные ножницы "CRISPR/Cas9, и тем самым проверить, как создаются колючие и мягко просвечивающие плавниковые домены во время разработки",-говорит Уолтеринг, доцент кафедры биологии в Университете Констанца и старший автор исследования.

В своих экспериментах ученые смогли изменить количество шипов или мягких лучей в плавниках. Этот эффект был наиболее заметен, когда модулировалась так называемая сигнализация BMP (костного морфогенетического белка). "Мы не только наблюдали изменения в активации главных регуляторных генов, но также наблюдали так называемые гомеотические трансформации, при которых мягкие лучи превращались в шипы, или наоборот, шипы превращались в мягкие лучи",-объясняет Уолтеринг.

Дополнительным наблюдением было то, что у этих рыб изменилась не только морфология плавниковых элементов, но и сопутствующая окраска плавников. "У самцов цихлид на плавниках есть ярко-желтые пятна, но они ограничены мягко просвечиваемой частью. Мы наблюдали, что, когда мягкий луч превратился в позвоночник, плавник также потерял желтые пятна в этом положении",-говорит Уолтеринг. Это наблюдение показывает, что у колючих рыб шипы и мягкие лучи являются интегрированными частями большего модуля развития, который определяет ряд видимых особенностей плавников.

Один и тот же принцип в разных родах рыб

Когда головоломка была собрана воедино, команда пришла к пониманию того, что глубоко сохраненная система рисунка была перераспределена в ходе эволюции колючего плавника. "На самом деле генетический код, определяющий область плавников, в которой появятся шипы, также активен в плавниках, у которых нет шипов. Это указывает на то, что наследственный генетический паттерн был перераспределен для изготовления шипов", - говорит Хех.

С учетом этого недавно полученного понимания авторы решили исследовать рисунок плавников у сома, группы рыб, члены которой независимо развили шипы в плавниках. Действительно, генетический код, идентифицированный для шипов у цихлиды, соответствовал одному из шипов сома. Хотя между различными видами колючих рыб существуют некоторые различия, это говорит о существовании глубоко сохраненного рисунка плавников, на который полагаются, чтобы сделать шипы, когда это благоприятствует эволюционному отбору.

Следующие шаги

Для своих будущих исследований команда сосредоточится на генах, которые действуют ниже идентифицированных генов позвоночника и контроля мягких лучей, чтобы выяснить, как именно они изменяют морфологию плавников, контролируя пути окостенения и клеточного роста. "В конце концов, мы хотим лучше понять, как возникают новые анатомические структуры, которые делают некоторые виды более успешными, чем другие, и как это способствовало невероятному эволюционному разнообразию линий рыб", - заключает Уолтеринг.

ИСТОЧНИК