Генетический атлас морской анемоны показал, что сложная система управления ДНК возникла 600 миллионов лет назад

Морская анемона Nematostella vectensis отделилась от ветви эволюции человека более полумиллиарда лет назад. Она выглядит как простой мешок с щупальцами. Столь примитивное строение заставляло предполагать, что и система регуляции генома у наших общих предков была устроена элементарно. Биологи допускали, что сложные механизмы, позволяющие одной и той же ДНК создавать сотни разных типов клеток, — это позднее эволюционное приобретение, возникшее параллельно с развитием глаз, конечностей и мозга.

Как это проверить? Авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Ecology & Evolution, не просто прочитали последовательность ДНК, а изучили ее физическое состояние в 60 000 отдельных клетках. Специалисты применили метод scATAC-seq, позволяющий найти участки хроматина, где плотная упаковка ДНК «расплетена». Это открытые зоны, к которым могут присоединяться регуляторные белки. Фактически ученые заглянули в ядро каждой клетки, чтобы увидеть, какие именно инструкции там читаются в данный момент.

Анализ помог обнаружить более 112 тысяч регуляторных элементов (энхансеров и промоторов) — огромный «пульт управления», не уступающий по масштабам организмам с гораздо более сложной анатомией. Данные показали, что принципы работы этой системы (использование удаленных усилителей для запуска генов) были сформированы уже на заре эволюции животных.

Детальное картирование принесло и неожиданные открытия в области эволюции тканей. Выяснилось, что мускулатура щупалец и тела анемоны управляется совершенно разными генными сетями, что указывает на их независимое происхождение. А регуляторный профиль части нейронов оказался подозрительно похож на профиль клеток пищеварительной системы, подтверждая гипотезу о связи нервной системы с древними механизмами пищеварения. Единственным важным отличием от высших животных стало отсутствие в промоторах специфических последовательностей (TATA-боксов), которые у нас отвечают за тонкую настройку работы генов.

Эта работа ученых доказывает, что генетический «инструментарий» для создания сложной жизни был готов задолго до кембрийского взрыва. Эволюция не изобретала принципы регуляции заново для человека или насекомых, а использовала и дорабатывала архитектуру, созданную более 600 миллионов лет назад.