Куры обросли диноподобными перьями, когда ученые изменили ген Sonic Hedgehog

Нарушив работу ключевого гена, ученые сделали куриные перья более похожими на динозавровые — но результат недолговечен.

В новом исследовании ученые подавили один из генов во время эмбрионального развития, чтобы сделать куриные перья более примитивными, похожими на простые трубкообразные протоперья, которые, вероятно, впервые появились у предков динозавров в раннем триасовом периоде 250 миллионов лет назад.

Им это удалось — но лишь на время. При вылуплении у цыплят наблюдалась задержка в развитии перьев и голые пятна, но уже через несколько недель их оперение выглядело как у любой другой птицы.

Это исследование является частью более широкой работы по изучению того, как и почему впервые появились перья. Ранее ученые изменили тот же ген, чтобы превратить чешуйчатые куриные лапки в перья, но повернуть время вспять в эволюции перьев оказалось сложнее.

«Наши эксперименты показывают, что если преходящее нарушение в развитии чешуек на ногах может навсегда превратить их в перья, то нарушить развитие самих перьев гораздо сложнее», — заявил старший автор исследования Мишель Милинкович, профессор генетики и эволюции Женевского университета. «Очевидно, что в ходе эволюции сеть взаимодействующих генов стала чрезвычайно надежной, обеспечивая правильное развитие перьев даже при значительных генетических или экологических нарушениях».

То, что исследователям не удалось вывести цыплят с перьями динозавров, не означает, что исследование было неудачным. Милинкович и его соавтор Рори Купер, ныне научный сотрудник Шеффилдского университета (Великобритания), показали, как определенный ген, причудливо названный геном «Sonic Hedgehog», играет важную роль в эволюции перьев. Нарушив этот ген, исследователи смогли временно нарушить процесс формирования перьев.

Первые перья не были такими сложными, ветвящимися, как у современных птиц. Это были одиночные трубочки, по форме напоминающие крошечные соломинки для питья. Чтобы выяснить, как эволюция создала из этих простых трубочек все, от мягкого пуха до роскошных павлиньих перьев, Милинкович и Купер сначала использовали метод, называемый флуоресцентной микроскопией светового листа, чтобы изучить развитие куриных перьев в яйце. Этот метод использует лазеры для получения изображения тонких срезов образца.

Перья начинают развиваться у эмбриональных цыплят через девять дней после снесения яйца. Сначала по всему телу развивающегося цыпленка появляются толстые пятна, называемые плакодами, заметили исследователи. Затем из этих плакод вырастают почки перьев, которые постепенно превращаются в привычную ветвистую форму перьев с помощью кератина — того же белка, который содержится в волосах и ногтях человека. Ген Sonic Hedgehog, который, как известно, руководит эмбриональным развитием у животных, играет роль на всех этих этапах.

Далее исследователи ввели ингибитор гена Sonic Hedgehog в яйца на девятый день развития, чтобы посмотреть, что произойдет. Через несколько дней рост перьевых почек замедлился. Ингибитор также уменьшил сложный рисунок ветвления, который развивается по мере созревания перьев у эмбриона.

Однако к 17-му дню развития рост перьев частично восстановился, поскольку ингибирование гена Sonic Hedgehog прекратилось. Цыплята, которым позволили вылупиться, имели пестрые перья, с некоторыми голыми пятнами и другими местами, где образовались мягкие, похожие на пух перья, но у них не было внешних перьев с центральным «рахисом», отличительной структурой пера в перьях. Однако к 49-му дню жизни эти цыплята линяли, и новые перья, которые появлялись, развивались нормально.

Исследования показывают, что ген Sonic Hedgehog участвовал как в эволюции протоперьев в современные перья, так и в диверсификации перьев в различные формы и размеры у разных видов, сообщают исследователи 19 марта в журнале PLOS Biology.

«Сейчас большая задача, — говорит Милинкович, — понять, как изменились эти генетические взаимодействия, чтобы обеспечить появление протоперьев на ранних этапах эволюции динозавров».

Ученые временно изменили куриные перья, сделав их похожими на протоперья динозавров, подавив ген Sonic Hedgehog в эмбрионах. Результат оказался недолговечным: вылупившиеся цыплята имели дефекты оперения, которые исчезли после первой линьки.

Исследование показало, что эволюция перьев сделала их развитие устойчивым к генетическим нарушениям. В отличие от необратимого превращения чешуи в перья при изменении того же гена, «возврат» перьев к более примитивной форме оказался сложнее.

Изучение развития перьев проводилось с использованием флуоресцентной микроскопии светового листа, что позволило детально рассмотреть формирование перьевых почек и ветвление. Ген Sonic Hedgehog играет ключевую роль во всех стадиях развития перьев, но его подавление приводит лишь к временным изменениям.

Работа Милинковича и Купера подчеркивает важность гена Sonic Hedgehog в эволюции и разнообразии перьев. Будущие исследования будут направлены на понимание генетических изменений, которые привели к появлению протоперьев у ранних динозавров.