C 1893 года молодые специалисты по эволюционной биологии развития регулярно съезжаются в городок Вудс-Хол, штат Массачусетс. Здесь еще в 1888 году на базе Вудс-Холского океанографического института была сформирована всемирно известная Морская биологическая лаборатория. Долгое время это место было центром изучения эмбриологии – науки, изучающей развитие зародыша. Но несколько лет назад здесь был совершен настоящий прорыв.
Речь идет о технологии CRISPR–Cas9, позволяющей редактировать геном уже взрослых живых организмов. Эта технология уже наделала шума во всех генетических лабораториях мира. Теперь же она становится популярной среди специалистов по эволюционной биологии развития. Благодаря ей ученые планируют объяснить внутреннюю «механику» эволюционных изменений.
К примеру, все мы знаем, что примерно 380 млн лет назад рыбы вышли на сушу. Теперь ученые могут попытаться изучить этот процесс в ускоренном темпе. Идея проста. При помощи CRISPR–Cas9 из рыбы будет удален ген, отвечающий за формирование плавников. Это позволит увидеть, начнут ли формироваться у этих рыб отростки, похожие на ноги. Также ученее хотят исследовать процесс формирования цветового зрения у бабочек и образование клешней у ракообразных.
«CRISPR – революция для всей биологии, но для эволюционной биологии развития это преобразующая технология. Мы сможем делать вещи, которые были невозможными прежде», – говорит Арно Мартин, эволюционный биолог Университета имени Джорджа Вашингтона.
Как плавники стали ногами
Нил Шубин, палеонтолог и эволюционный биолог в Чикагском университете в Иллинойсе использовал редактирование генома для того, чтобы исследовать, как плавниковые лучи рыб превратились в ноги и пальцы тетраподов – первых четвероногих животных.
Ученые давно знают, что рыбы отрастили ноги примерно 360-380 млн лет назад. Интересно, что этот процесс был предсказан ученым раньше, чем появилось твердое его доказательство. Именно Нил Шубин возглавлял команду археологов, которая в 2004 году обнаружила окаменевшие останки «недостающего звена» возрастом 375 млн лет. Тем не менее, до недавних пор ученые считали, что ноги тетраподов и плавники рыб – сходные, но «независимые» эволюционные образования. Ведь плавниковые лучи рыб и кости четвероногих животных состоят из совершенно разных типов тканей. Усчитывая это, считалось, что ноги стали эволюционной «новинкой», а не эквивалентом уже имеющейся конечности.
Но, по словам Шубина, технология CRISPR заставила взглянуть на этот процесс по-новому. Ученые удалили ген hox13, отвечающий за формирование плавниковых лучей из нескольких особей рыбок вида данио-рерио. Ни мутанты, ни их потомство не отрастили ног в привычном понимании. Но у некоторых из них образовались необычные «пальцеобразные» плавники, сформированные из того же типа ткани, из которого формируются кости ног и пальцев четвероногих животных. «Как палеонтолог я всегда считал, что это два разных типа костей, которые не связаны эволюционно. Но эти результаты бросают вызов старому предположению», – признается Шубин.
Рыбка данио-рерио – популярный образцовый организм, с геномом которого регулярно экспериментируют в лаборатории. Но технология CRISPR позволила в десятки, если не в сотни раз ускорить проведение генетических исследований. Следующим шагом ученые намерены удалить ген hox13 из рыбы, более напоминающей по своему строению древнюю рыбу, вышедшую на сушу. По словам Адитьи Сэксен и Кимберли Купер, эволюционных биологов Калифорнийского университета, подобные эксперименты стали возможными исключительно благодаря технологии CRISPR.
Изменение крабов и бабочек
Ученые считают, что при помощи изменения генома модно изучить происхождение любого существа или органа. «Похоже, что CRISPR универсально работает в любом живом организме», говорит Арно Мартин. Недавно этот ученый начал экспериментировать с морским ракообразным Parhyale hawaiensis. В январе Арно Мартин и его коллега Нипэм Патель опубликовали в журнале Current Biology статью, в которой описали ход своих опытов. Ученые отключали гены из последовательности Hox и изучали, как это влияет на формирование клешней и антенн ракообразных. Благодаря CRISPR ученые могут эффективно экспериментировать вообще с любым существом, которое можно растить в лабораторных условиях.
По словам Клода Десплана, эволюционного нейробиолога из Нью-Йоркского университета, такая гибкость очень важна для эволюционных исследований. Недавно команда Десплана применила CRISPR к желтым бабочкам из семейства парусников. Ученые хотят выяснить, почему фоторецепторы в глазах этих бабочек распознают более широкий спектр цветов, чем, к примеру, фоторецепторы из глаз плодовых мушек. Кроме того, на данный момент лаборатория Десплана экспериментирует с генами ос и муравьев.
«Откат» до динозавров
Ученые всего мира начинают применять технологию CRISPR для определения механизмов тех или иных эволюционных изменений. Более того, ученые могут попытаться активировать генетические последовательности, которые перестали быть активными в ходе эволюции. К примеру, в прошлом году команда палеонтологов из Йельского университета под руководством Бхарт-Анджана Бхуллара химически подавила развитие белков, которые участвуют в образовании и развитии клювов цыплят. В результате они получили эмбрионы особей с челюстями, весьма напоминающими челюсти динозавров.
Но химическое подавление белка сложно назвать «чистым» экспериментом. Потому теперь Бхуллар хочет повторить свои действия уже с применением технологии CRISPR. То есть, из зародышей кур будет вообще удален ген, отвечающий за выработку этого белка. Таким образом, геном птиц частично удастся «откатить» до состояния более древнего генома динозавров.
Вероятно, таким же образом ученые смогут отменять эволюционные изменения многих других видов животных, возвращая к жизни как изменившиеся в процессе эволюции органы, так и целые виды животных. Вполне возможно, что птиц удастся «откатить» до состояния жизнеспособных динозавров.
С технологией CRISPR всё это «просто работает». «Это станет новым стандартом в эволюционной биологии развития», – говорит доктор Бхуллар.
