Прыгающие гены научили млекопитающих беременности

Внутриутробное развитие у зверей появилось благодаря прыгающим генетическим элементам, которые мобилизовали старые гены под новую задачу.

У внутриутробного развития есть много преимуществ: эмбрион развивается в более стабильной среде, он лучше защищён от врагов, питательные вещества поступают к нему из материнского организма, а не из небольшого запаса в яйце или икринке, и т. д. Всё это позволяет продлить развитие зародыша и полнее сформировать его сложную физиологию. В ряде случаев (у некоторых ящериц, рыб и др.) имеет место комбинированный способ, когда зародыш развивается в яйце, но само яйцо находится в теле матери. Плацентарные млекопитающие довели технологию до совершенства: у них плод находится в материнской утробе, а контакт с родительским организмом осуществляется благодаря специальному органу – плаценте. (Справедливости ради заметим, что у некоторых акул и онихофор, практикующих живорождение, плацента тоже образуется.) Одновременно же зверям приходится решать ряд проблем, связанных с таким тесным контактом матери и эмбриона – например, необходимо избегать конфликта между материнским иммунитетом и развивающимся «инородным телом».

Разумеется, внутриутробное развитие не могло появиться без масштабной генетической перетряски. И вот исследователи из Чикагского университета (США) решили узнать, какие генетические модификации позволили млекопитающим создать сложнейшие морфологические и физиологические адаптации для вынашивания эмбриона. Винсент Линч (Vincent Lynch) и его коллеги сравнили, что за гены активируются в матке у целого ряда животных: у плацентарных зверей, у сумчатых, у яйцекладущего утконоса, у птиц, рептилий и амфибий. В результате удалось понять, с чего началась эволюция плацентарного живорождения у древнейших млекопитающих.

Чтобы эмбрион смог развиваться в утробе, потребовалось активировать более тысячи генов, которые взяли на себя регуляцию взаимоотношений между плодом и материнским организмом. По мере того, как увеличивалось время беременности, в дело вступали новые гены, усиливавшие и совершенствовавшие связи между детёнышем и родителем, а также подавлявшие материнский иммунитет в матке. В то же время шёл и обратный процесс – отключались генетические элементы, отвечающие за формирование яйца и сопутствующие процессы.

Откуда же взялись «гены беременности»? Как часто бывает в эволюции, все они ранее уже выполняли какую-то функцию в мозге, в пищеварительной системе, в кровеносных сосудах. Но теперь их приспособили для новых целей. Случилось же это благодаря тому, что у генов появились регуляторные элементы, сделавшие их чувствительными к прогестерону, женскому половому гормону, управляющему физиологией размножения. А прогестероновые регуляторные элементы появились у них благодаря транспозонам. Так называют особые последовательности в ДНК, которые могут копировать сами себя в какое-нибудь другое место в геноме. Их существование сводится только лишь к умножению собственных копий, и такие «прыгающие гены» или «геномные паразиты» могут доставить много неприятностей хозяину, потому что могут попасть внутрь важного гена, нарушить его регуляцию или вообще до неузнаваемости испортить последовательность белка, который он кодирует. Активность транспозонов клетка старается подавить, однако бывает так, что они продвигают организм по эволюционной лестнице, помогая другим генам расширить или сменить функции.

Как раз это произошло в случае внутриутробного развития. Многие транспозоны млекопитающих несут в себе последовательности связывания с прогестероном, который необходим для их активности. Так что те гены, которые сначала были заняты в других местах, а потом стали управлять внутриутробным развитием, смогли сменить поле деятельности благодаря «геномным паразитам»: прогестероновые участки транспозонов начали влиять на активность генов, к которым они прыгнули. При этом сами транспозоны со временем обезвредились.

Для эволюции обычное дело не столько изобретать новые гены, сколько менять регуляцию старых. Функция любого белка зависит не только от того, что он делает, но, в не меньшей степени, где и когда. В данном случае «где» и «когда» помогли изменить мобильные генетические элементы. Причём, как замечают авторы работы, никто не ожидал, что именно транспозоны помогут в «разработке» столь сложного, комплексного процесса, как внутриутробное развитие.

Статья с результатами исследования готовится к публикации в Cell Reports.