Унаследованные особенности зубов также помогут исследователям отследить гены, которые контролируют развитие зубов, помогая ученым, стремящимся вырастить заново, а не заменять зубы.Эти особенности были обнаружены после детального изучения формы коренных зубов и премоляров, унаследованных павианом в долго изучаемой колонии в Юго-западном национальном исследовательском центре приматов в Сан-Антонио, штат Техас. Когда стало ясно, что относительная длина моляров и премоляров является наследственной чертой, очень похожей на цвет глаз, исследователи измерили эти черты на зубах других приматов, проанализировав музейные коллекции по всему миру.
Данные измерений доказывают, что эта особенность унаследована одинаковым образом у всех приматов, включая людей, и варьируется у разных видов и родов таким образом, что отражает эволюционные отношения, установленные ранее при анализе костей и сравнении генов.«Это показывает, что мы можем использовать силу эволюционной истории, чтобы узнать, что происходит генетически с животными, на которых нельзя экспериментировать, например, с людьми», — сказала руководитель исследования Лесли Хлуско, доцент кафедры интегративной биологии Калифорнийского университета в Беркли. «Мы обнаружили два унаследованных признака, но идентификация признаков — это только первый шаг. Теперь мы должны выяснить, какие последовательности генома лежат в основе этих признаков, что позволит нам выяснить, что вызвало эти эволюционные изменения в зубном ряду».Хлуско и ее коллеги из Калифорнийского университета в Беркли — бывший научный сотрудник Кристофер Шмитт, ныне работающий в Бостонском университете, и аспиранты Тесла Монсон и Марианна Бразил — вместе с Майклом Махани из Техасского университета в долине Рио-Гранде в Браунсвилле опубликуют свой анализ на следующей неделе. в Трудах Национальной академии наук.
Возвышение обезьян и упадок обезьян
Когда Хлуско и ее коллеги посмотрели, как две недавно идентифицированные черты изменились у приматов за последние 20 миллионов лет, они заметили необычный сдвиг в форме зубов, в то время как обезьяны начали вымирать, а обезьяны — размножаться. Это произошло около 8 миллионов лет назад, в эпоху миоцена, когда Земля начала нагреваться, Средиземное море высохло, а густые леса Африки превратились в луга и саванны. В то же время многие виды обезьян, которые обитали в Африке и на юге Европы, начали исчезать, и у обезьян возникли новые линии.
Сегодня существует 19 родов обезьян, а количество обезьян сократилось до шести: люди, шимпанзе, бонобо, гориллы, органутаны и гиббоны.«Если вернуться в миоцен, то это был мир обезьян, где обезьян практически не было или было очень мало», — сказал Хлуско. «Сейчас все с точностью до наоборот: обезьян у нас всего несколько и много обезьян».Изменение зубного строя предполагает, что обезьяны заняли нишу, которую обезьяны раньше занимали, хотя, по ее словам, еще предстоит выяснить, была ли это диетическая ниша или больше связана с жизненным циклом приматов.
Зубы могут развиваться не только из-за изменений в типах пищи, которую животные пережевывают, но также в результате изменений в том, когда и как они прорезываются в процессе развития.«Обезьяны переместились в эту обезьянью нишу с точки зрения рисунка зубов, но что именно это означает, я пока не знаю», — сказал Хлуско, член Исследовательского центра эволюции человека Калифорнийского университета в Беркли. "Это может быть что-то более сложное, чем просто диета. Может быть, это была пища, которую они ели на разных этапах своей жизни, или это могло иметь отношение к времени основных событий в истории жизни, которые могут повлиять на время прорезывания зубов, например, когда они достигли половой зрелости ».
Поиск простых унаследованных чертИнтерес Глуско к эволюции костей и зубов, а также к генам, которые их контролируют, проистекает из ее интереса к палеонтологии и происхождению человека. На протяжении миллионов лет наши предки, люди и приматы, оставили след из зубов, по которому она и другие палеонтологи проследили ключ к разгадке нашей эволюционной истории.
К сожалению, то, что известно о 300 или более генах, контролирующих развитие зубов, получено в основном из исследований на мышах, а их зубы сильно отличаются от зубов приматов, от которых они разошлись около 70 миллионов лет назад.«Мыши — хорошая модель для понимания того, как создаются зубы, но не очень хорошая модель для понимания более тонких деталей того, как зубы эволюционировали», — сказала она. «Это важно с точки зрения стоматологии, потому что люди действительно заинтересованы в регенерации зубов, поэтому нам не нужно имплантировать поддельные зубы в челюсти. Однако, чтобы вызвать рост нового, было бы действительно полезно знать, как они с самого начала растут естественным образом ".
В своем поиске генов, важных для развития зубов, Хлуско использует классический подход количественной генетики, который применяет правила наследственности, открытые 150 лет назад в исследованиях Грегора Менделя простых свойств гороха, к не таким простым характеристикам, как размер и форма. зубов. Генетики классифицируют такие черты, как размер и форма зубов, как «сложные», потому что на них влияют вариации ДНК во многих генах.«Несмотря на биологическую реальность, индивидуальные эффекты многих из этих генов или их вариаций весьма незначительны», — сказал Махани. «Одна из целей Хлуско — обнаружить и идентифицировать некоторые из этих генов, оказывающих большое влияние на изменение размера и формы зубов в целом.
Такие ключевые гены, вероятно, будут служить указателями на биологические пути, важные для нормального и неупорядоченного развития зубов».Несколько лет назад Хлуско использовал тысячи скелетов породистых мышей в Музее зоологии позвоночных Калифорнийского университета в Беркли, чтобы показать, что передняя часть рта — клыки и резцы — находится под полностью отдельным генетическим контролем, чем задняя часть рта — коренные зубы. и премоляры. Это означает, что при адаптации к изменениям в окружающей среде или диете зубы в передней части рта могут развиваться независимо от зубов в задней части, или наоборот.Теперь, с помощью 632 членов колонии павианов, она нашла два размера зубов в задней части рта, которые, по-видимому, находятся под контролем всего нескольких генов.
Один — это соотношение между длинами третьего моляра и первого моляра; другой — соотношение длин второго моляра и четвертого премоляра.«Вместо того чтобы рассматривать каждый зуб как отдельную единицу, мы обнаружили, что относительный размер первого моляра по сравнению с последним моляром является унаследованной чертой, такой как прикрепление мочки уха. То же самое касается относительного размера последнего премоляра по отношению к молярам, " она сказала. «Мы превратили зубной ряд в простые черты, и на основании этого выяснили, что в эволюции приматов произошел серьезный сдвиг в разнообразии.
Следующий шаг — вернуться к геному и посмотреть, сможем ли мы найти гены, лежащие в основе этого».Основываясь на измерениях зубов 723 современных обезьян Старого Света из Африки и Азии, многие из которых были измерены примерно 50 студентами бакалавриата Калифорнийского университета в Беркли, она обнаружила, что эта группа обезьян также наследует эти две черты так же просто, как цвет глаз. . Когда она посмотрела дальше — измерив зубы 199 современных обезьян, 56 ископаемых обезьян Старого Света и 165 ископаемых обезьян — картина сохранилась. В целом виды, которые она выбрала, представляли 20 родов и 37 видов живых и вымерших обезьян и обезьян.Анализ показал, что 20 миллионов лет назад обезьяны сильно различались по этим зубным чертам.
Но обезьяны начали развивать некоторые из тех же стоматологических черт, что и обезьяны, и вытеснили обезьян, имевших аналогичные черты. Выжило лишь небольшое количество обезьян с зубными чертами, в отличие от современных обезьян, включая наших предков.
«Только обезьяны с определенным набором зубов имели прививку, и один из них был нашим предком», — сказала она. «Этот сдвиг был важным первым шагом в эволюционной истории нашей линии, и он заложил основу для эволюции вставания на две ноги и парных связей. детство и более сложные социальные взаимодействия — все, что люди делают сегодня ».Хлуско расширила свое исследование, изучив широкий спектр зубов млекопитающих, в том числе многих лютых волков из смоляных ям Ла-Бреа в Лос-Анджелесе, чтобы увидеть, наследуются ли эти две черты независимо у всех животных.
Работа поддержана Национальным научным фондом. Колония павианов гамадриев (Papio hamadryas) в Техасе частично финансируется Национальными институтами здравоохранения.