В журнале PLOS Biology, организация-получатель «Национальный Институт по Исследованию Зубов и Челюстно-лицевой Области»  (NIDCR) доложила о том, что она определила сеть зубных генов у рыб, относящихся к цихлидам, семейству, предковые формы которого имели первые зубы, образованные полмиллиона лет назад. Исследователи обнародовали свои данные в научной литературе, касающиеся списка основных молекулярных областей, необходимых для создания зубов. Эти области постепенно группировали, перемещали или оставляли на месте для роста зубов различной формы и размера, найденных в природе, начиная от акулы и заканчивая мышами, обезьянами и человеком.

Цихлиды принадлежат к обширному семейству, называемому Cichlidae. Никто не знает сколько видов цихлид существует в природе. По лучшим расчетам их от 1300 до 3000 видов. Цихлиды могут быть маленькими, до 2,5 см в длину, либо достигать метровой длины. Несколько видов общеизвестны. Тиляпия, например, является  видом промысловой цихлидой, используемой в пищу. Люди, имеющие аквариумы дома естественно знакомы со скалярией, дискусами или астронотусами. Они также принадлежат к цихлидам.

Особое внимание следует обратить на цихлид восточной Африки с озера Малави. Малавийские цихлиды являются беспрецедентно удачным объектом изучения эволюции по ряду особенностей, например, цветового спектра, структур мозга, формы зубов, челюстей и других черепно-лицевых структур. Озеро представляет собой огромную закрытую экосистему, и разнообразные виды быстро адаптировались к своим экологическим нишам. По оценкам специалистов в озере Малави обитает около 1000 различных цихлид. Таким образом, для ученого Малави является наподобие кондитерского магазина для ребенка. Биологическое разнообразие данной экосистемы поражает.

 

На рисунке челюсти Pseudotropheus elongatus

 

Предки большинства цихлид восточной Африки вероятно жили в озере Танганьика, старейшем озере в регионе, называемом долиной с крутыми склонами, образовавшейся вследствие оседания грунта. Озеру Танганьика около 8-10 млн.лет и оно служит эволюционным источником для озера Малави и других близлежащих озер и рек. Таким образом, по лучшим подсчетам цихлиды, заселили озеро Малави около 1-2 млн.лет. А современное разнообразие развилось за последние 10-100000 лет.

Изначально, действительно великие открытия были сделаны на мышах, и через несколько лет подошли к проблеме образования зубов. Но мышь это млекопитающее, которое находится выше на эволюционной лестнице, чем цихлиды. Если вы изучаете только млекопитающих, вы упустите события, которые произошли раньше в эволюционном процессе. Это будет похоже на поход в театр только на половину действия. Цихлиды, данио-рерио и другие низшие позвоночные позволяют увидеть целостную картину.

За последние годы удалось описать генетическую сеть у трех тесно связанных малавийских цихлид, которая управляет размерами зубов, их числом и пространством на челюстях. Сеть включает 10 генов — bmp2, bmp4, eda, edar, fgf8, pax9, pitx2, runx2, shh, и wnt7b.

Как докладывалось ранее в научной литературе, гены играют первоочередную роль в развитии зубов млекопитающих и других структур, например, волос и перьев. То есть этим никого не удивишь. Термин «сеть» используется для генов, которые координируют экспрессию во временных интервалах. В данном случае термин не подразумевает смыслы систем биологии или взаимосвязанных сетей. В рамках данной работы были важными временные различия в экспрессии генов. Показано, что сетевые импульсы в механизме возникают очень рано в процессе развития, когда утверждается первоначальное расположение зубов.

На рисунке Глоточные зубы.

 

Зубы являются эволюционно древней структурой. В то время как мы зачастую думаем, что зубы неразрывно связаны с челюстями, они впервые развивается в глотке бесчелюстных рыб около 500.000.000 лет назад. Как бы странно это не звучало, зубы возникли раньше челюстей. Подобно волосам и перьям, имеется возможность изучать зубы как шаблонные, повторяющиеся структуры, которые постоянно заменяются в течение жизни. Это, конечно, не относится к млекопитающим, однако верно в отношении цихлид. Некоторые цихлиды имеют около 3000 зубов. Каждый конкретный зуб меняется каждые 50-100 дней. Это совершается благодаря стволовой клеточной нише, связанной с каждым зубом. Способность сменять зубы в течение жизни, к сожалению, была потеряна у млекопитающих.

Механизмы образования зубов в глотке неизвестны, но можно видеть данное эволюционное явление в природе. Некоторые низшие позвоночные, подобных данио-рерио, имеют зубы только в глотке. Млекопитающие, такие как мышь и человек, имеют зубы только в ротовой полости. Цихлиды имеют зубы как в глотке, так и в ротовой полости. Эта уникальная эволюционная особенность позволяет задать вопрос, который является отправной точкой настоящего исследования (PLoS Biology). Одинаково ли регулируется количество зубов, расположенных в глотке и в ротовой полости?

 

К рисунку. Малавийские цихлиды имеют как глоточные зубы, так и зубы в ротовой полости.

 

Данный вопрос представляется крайне интересным и интригующим. Две челюсти являются не только функционально обособленными и эволюционно не связанными, но зубы, развивающиеся на них, имеют совершенно различных предшественников. Зубы формируются благодаря взаимодействию двух клеточных слоев – эпителий и мезенхима. Глоточные зубы возможно используют энтодерму в качестве эпителиального слоя, а зубы ротовой полости точно используют энтодерму. Если количество глоточных зубов регулировалось, или контролировалось подобно зубам ротовой полости, это могло свидетельствовать о том, что зубы созданы одним путем, не взирая на то, сколько их и где они развиваются.

В данной работе, к удивлению исследователей, было обнаружено, что количество зубов регулировалось схоже в двух челюстях. Челюсти ротовой полости и глотки функционировали по общим условиям в отношении количества зубов.

Как оказалось, были обнаружены общие гены, которые формируют зубную сеть генов. Эта сеть является общей для большей части зубного ряда. Кроме генов, открытых в предыдущих исследованиях были обнаружены гены eda и edar. Предполагается, что данные гены вовлечены исключительно в образование энтодермальных тканей. Однако в работе гены были задействованы в прорезывании глоточных зубов, которые, как кажется, образуются из эндодермы. Таким образом, была раскрыта роль eda и edar в тканях, образованных из эндодермы. Также отмечается идея о том, что перед челюстями, волосами, чешуями, перьями и другими энтодермальными тканями всегда действуют эти гены в зубной сети глубоко в глотке.

Удалось описать две вещи. Во-первых, генетическую сеть предков, которая проявляет активность в древней популяции зубов. Во-вторых, что возможно более важно, описаны ядро зубной сети – набор генов, сохраняемый во всех зубах, которые известны нам у рыб, мышей и человека. Таким образом, что очень интересно, имелись объекты, которые не только попадали в сеть (подобно генам eda и edar), но и объекты, которые выпадали из неё. В частности, возьмем гены pax9 и fgf8, которые являются существенным компонентом зубного аппарата млекопитающих. Эти гены либо не экспрессируются во всех, либо экспрессируются только в зубах ротовой полости, но в глоточных зубах. Это свидетельствует от том, что они не являются эволюционно важными в образовании зубов.

Работы в данной области крайне важны для объяснения эволюции зубов. Если суметь создать зубы на культуре или в пробирке, можно получить информацию о необходимых молекулах для данного процесса. Даже если некоторые из этих генов являются генетически существенными для зубов млекопитающих, возможно имеются иные пути описания образования зубов в эволюционной биологии.

На сегодняшний момент остается под вопросом, как предложенная модель может помочь в практическом плане для лечения зубов. Крайне интересным является взаимосвязь между генотипом и фенотипом, и каким образом генетическая информация может быть использована для обнаружения заболеваний у человека. Многие из предложенных в настоящее время моделей, включающие модели мыши, данио-рерио, дрозофилы, представлены гомогенными и врожденными линиями. Другими словами, они поддерживают легкий путь развития генетики. Люди имеют гетерогенные геномы и поэтому сложно обнаружить специфические генетические причины болезни. В исследованиях на цихлидах и в некоторых других эволюционных моделях ведется их сопоставление для лучшей картины генотипа и фенотипа. Данные модели демонстрируют гетерогенные геномы, подобные человеческим, и генетически-фенотипическая картина вероятно усложнится.

Сейчас распространено протезирование и замена утраченных зубов на керамические аналоги. Для перехода на новый уровень протезирования необходимо понять природные регенеративные способности зубов. Это представляется очень интересным. Первичной моделью, использованной в исследовании человеческих зубов, является мышь, и у неё не происходит обновление всех зубов.

Так, у мышей ниша стволовых клеток связана с её резцами. Однако, её резцы не заменяются (исключение составляют немногие генетические мутанты). Они обновляются посредством постоянного роста. Резцы мышей также не имеют тенденцию принимать комплекс форм. Существует расхождение пространства и развития между резцами и коренными зубами мышей. Коренные зубы принимают комплекс форм, но не обновляются и не заменяются. У рыб обнаружена замена зубов, их обновление и возможность принимать комплекс трехмерных форм в течение развития.

Развитие, обновление и формообразование зубов является генетически детерминированными процессами в организмах подобных цихлидам. Однако, думается, что в эволюционном развитии позвоночных эти процессы стали расходиться в пространстве и во времени. Что мы сейчас и наблюдаем у мышей, в частности, коренные зубы меняют форму, но не восстанавливаются. Резцы восстанавливаются, но не меняют форму.

———

Февраль 2009.
перевод: https://www.nidcr.nih.gov/Research/ResearchResults/InterviewsOHR/Cichlids.htm