Основополагающий набор генов

Учитывая разнообразие глаз, обнаруженных в животном мире, биологи-эволюционисты когда-то считали, что глаза эволюционировали независимо друг от друга десятки или даже сотни раз. Благодаря секвенированию ДНК и другим молекулярным инструментам сегодня мы знаем, что современные глаза построены из одних и тех же генов. Древние гены «инструментария» (такие как опсины, Pax и Otx ) впервые развились у примитивного предка, давшего начало всем животным с глазами. Эти гены сохранялись на протяжении всей эволюции, и сегодня мы все еще находим их работающими во всех типах глаз. Разнообразие глаз современных животных является результатом уточнений и специализаций, построенных на основе этой базовой генетической структуры.
Не все особенности глаз построены с использованием одних и тех же генов. Например, линзы — это усовершенствования, которые возникли, когда разные гены были задействованы для выполнения одной и той же задачи в разных организмах. Точно так же экранирующие пигменты возникли из множества генов.
Молекулярный анализ показал, что многие гены глаза, независимо от того, являются ли они общими для организмов или нет, сначала выполняли другие функции. Позже их наняли на вторую работу.

Все глаза используют опсины

Опсины обнаруживают свет. До того, как их завербовали в глаз, у опсинов было множество других работ. В современных организмах, не имеющих глаз, таких как археи, грибы, зеленые водоросли, протисты и простые животные, члены семейства опсинов действуют как ионные насосы, сенсорные молекулы, светозависимые ионные каналы и регуляторы циркадных ритмов.
Обнаруживающие свет опсины должны были эволюционировать только один раз. Тысяча или более опсинов современных животных являются модифицированными версиями одного, который присутствовал у общего предка, жившего более 600 миллионов лет назад. Различные опсины обнаруживают различные интенсивности и длины волн света. У многих видов есть несколько опсинов, что позволяет им видеть широкий диапазон длин волн, что составляет основу цветового зрения. Опсины каждого животного настроены на длины волн света, наиболее важные для его образа жизни и окружающей среды.

Читайте также:  Борьба с травоядными в сельском хозяйстве

Гены — универсальные регуляторы

Дефекты в гене Pax6 вызывают потерю глазных структур у людей, мышей и плодовых мушек. Фотографии мышей перепечатаны с разрешения Macmillan Publishers Ltd: Nature 354(6354):522-5, © 1991. Фотографии человека и плодовых мух, перепечатанные под лицензией открытого доступа; Первоначально опубликовано в Washington, NL et al, PLoS One Biology 7(11): e1000247. doi: 10.1371/journal.pbio.1000247

Чтобы глаза функционировали должным образом, должно взаимодействовать множество различных белков. Белки Pax являются регуляторами: они прикрепляются непосредственно к ДНК и включают нужные гены в нужном месте в нужное время. Эти регуляторы выполняют сходную работу у таких разных животных, как насекомые и позвоночные, поэтому они, должно быть, эволюционировали до разделения двух линий. На самом деле почти у каждого животного, у которого вырастают глаза, это происходит с помощью генов Pax . Даже организмы без глаз, такие как губки, имеют гены Pax ; это открытие указывает на то, что белки Pax первоначально контролировали др. процессы и позднее были рекрутированы в глаз.
В середине 1990-х исследователи были удивлены, обнаружив, что плодовые мушки, мыши и люди, рожденные с отсутствующими структурами глаз, имеют дефекты в одном и том же гене. Этот ген, называемый Pax6 (или безглазость у мух), необходим для нормального развития глаз у всех животных с билатеральной симметрией. Даже в глазах, которые выглядят совсем по-другому, Pax6 действует почти одинаково. При помещении в муху мышиный ген Pax6 активирует все гены, необходимые для формирования нормального функционального глаза мухи (не глаза мыши).

Кристаллины имеют различное происхождение

Плотно упакованные в почти кристаллическую структуру, кристаллиновые белки составляют хрусталик и роговицу, прозрачные светособирающие структуры во многих типах глаз. Хотя все кристаллины имеют много общих черт — они растворимы в воде, прозрачны и стабильны при высоких концентрациях — у них чрезвычайно разнообразная история эволюции; различные кристаллины развились независимо от широкого спектра стрессовых белков и метаболических ферментов.
У некоторых животных кристаллины участвуют в распределении работы: при низких концентрациях в других частях тела они все еще выполняют свои первоначальные стрессовые или метаболические роли. У других животных исходный ген был продублирован. Одна копия все еще выполняет свою старую работу, в то время как другая копия была модифицирована естественным отбором в высокопроизводительный белок линзы. Эта тема «дублирования и дивергенции» распространена на протяжении всей эволюции.
Мало того, что различные кристаллины действуют одинаково, они также контролируются одними и теми же регуляторными генами: регуляторные переключатели , к которым могут прикрепляться белки Pax, развились независимо перед неродственными генами кристаллинов.

Читайте также:  Генетика сохранения

Защитные пигменты бывают разных форм

Многие пигменты, обеспечивающие защиту глаз, также окрашивают другие части тела. Начиная сверху слева: мех тигра, кожа слона, эритроциты, перья павлина, тело паука, змеиная чешуя, чешуя мотылька, мех собаки.

В простых глазах темные пигменты экранируют фоторецепторы, давая крошечным прозрачным животным больше информации о направлении света. В более сложных глазах пигменты поглощают свет после того, как он проходит через фоторецепторы, предотвращая его рассеяние и ухудшение качества изображения, а также повреждение чувствительных тканей.
Широкий спектр молекул темного цвета действует как экранирующий пигмент в различных типах глаз, и многие глаза содержат более одного типа пигмента. Обычные глазные пигменты включают меланин (у позвоночных, книдарий, планарий и некоторых нематод), оммахромы (у моллюсков и членистоногих), птерины, гуанидин и гемоглобин.
Как и в случае с кристаллинами, многие гены, участвующие в производстве пигмента, также активны в других частях тела: меланины окрашивают кожу, мех и перья; птерины окрашивают чешую бабочки; оммахромы окрашивают тела пауков; гемоглобин транспортирует кислород в крови.

Оцените статью
Генетика - сайт о науке
Добавить комментарий