Исследователи обнаружили «генетическую подпись», которая имеется исключительно в нервных клетках, инневрирующих мышцы рук и ног. Эта «подпись», присутствующая не только у людей (её обнаружили у мышей и цыплят), предполагает скоординированную активность множества генов и фундаментально отличается от клеток, иннервирующих соседние анатомические области. Полученные данные говорят о том, что эволюция конечностей может быть связана с выработкой более уверенной моторики и появлением механизма хватания — одного из самых важных в биологии. Исследование опубликовано в журнале Neuron, а возглавили его нейробиологи из Колумбийского университета.
«Появление рук и ног около 400 млн лет назад стало поворотным моментом в эволюции. Оно помогло первым наземным животным развить множество двигательных навыков, например, хватание, позволивших выработаться более сложным навыкам, которыми человечество пользуется сегодня — от печати на клавиатуре до рисования кистью. Но хотя хорошая моторика и лежит в основе выживания видов на протяжении сотен миллионов лет, о находящихся в кончиках пальцев рук и ног нервных клетках, сделавших эту моторику возможной, известно было мало», — рассказывает Томас Джессел, главный автор исследования.
В исследовании учёные сосредоточились на двигательных нейронах — нервных клетках, отвечающих за направление движения. Двигательные нейроны иннервируют конкретные мышцы и передают по ним сигналы от мозга о том, куда нужно двигаться.
«Когда мы начали это исследование, мы просто хотели сравнить молекулярные особенности, а именно – активность генов в двигательных нейронах, отвечающих за разные мышцы ноги. Вместо этого вскоре стало ясно, что образцы генетической активности в двигательных нейронах, контролирующих пальцы ног, сильно отличались от образцов в других мышцах конечности», — рассказывает Алана Мендельсон, одна из авторов.
В частности, Мендельсон заметила, что двигательные нейроны, которые отвечают за работу кистей рук и ступней, не вырабатывают ретиноевую кислоту.
«Одной из важных отличительных черт двигательных нейронов является то, что им для роста и развития необходима ретиноевая кислота. Но по какой-то причине двигательные нейроны, отвечающие за работу пальцев, её не производят», — объясняет Мендельсон.
Эксперименты показали, что на самом деле на двигательные нейроны пальцев ретиновая кислота оказывает негативное влияние. Когда команда искусственно вызвала активность ретиноевой кислоты в двигательных нейронах пальцев эмбрионов мышей и куриц, развитие нейронов остановилось. Мендельсон и Джессел выдвинули гипотезу о том, что другие факторы блокируют выработку ретиноевой кислоты и её отсутствие обеспечивает здоровое развитие двигательных нейронов пальцев.
По мнению исследователей, разгадка кроется в Hox-генах — семействе генов, управляющем ростом и развитием нервной системы. В серии проведённых экспериментов с эмбрионами кур и мышей на разных стадиях развития исследователи выявили два члена этого семейства — гены Hoxc8 и Hoxc9, оба из которых необходимы для развития двигательных нейронов кистей рук. Оказалось, что, хотя высокие уровни активности Hoxc9 отрицательно сказываются на двигательных нейронах, иннервирующих конечности, двигательные нейроны пальцев уникальны тем, что без Hoxc9 они развиваться не будут.
«Важно, чтобы Hoxc9 оставался на низком уровне. Его активность должна быть достаточно высока, чтобы предотвратить выработку ретиноевой кислоты, но также должна позволять вырабатываться другим белкам, необходимым для формирования двигательных нейронов», — объясняет Джессел.
Дальше исследователи надеются полностью описать набор генов и белков, которые участвуют в развитии двигательных нейронов, и более глубоко изучить то, как нервная система в процессе эволюции адаптировалась к появлению пальцев.
«Проделанная работа — это значительный шаг вперёд в нашем понимании генетических программ, лежащих в основе способности выполнять мелкие движения. Молекулярные маркёры, которые мы выявили в ходе исследования, могут служить отправной точкой для разгадки эволюции нервной системы», — считают учёные.
Текст: Алла Салькова
Divergent Hox Coding and Evasion of Retinoid Signaling Specifies Motor Neurons Innervating Digit Muscles by Alana I. Mendelsohn, Jeremy S. Dasen, Thomas M. Jessell in Neuron. Published February 2017.
