Причина особливостей геному покривників - детермінованість їх ембріонального розвитку • Сергій Ястребов • Новини науки на "Елементи" • Еволюція, Біологія розвитку

Причина особливостей геному покривників – детермінованість їх ембріонального розвитку

Мал. 1. молода аппендікулярій Oikopleura dioica. Фотографія з статті L. Holland, 2007. Developmental biology: A chordate with a difference

У тварин є дві стратегії ембріонального розвитку: регуляционная (доля клітин вероятностна) і детермінована, або мозаїчна (доля клітин точно визначається вже на стадії дроблення яйця). У типі хордових розвиток зазвичай регуляційних. Але є одна гілка хордових – покривники – у яких воно стало мозаїчним. Ця ембріологічна особливість покривників привела до цілого ряду змін в їх геномі: він став маленьким, багато регуляторні елементи зникли, деякі генні кластери розпалися, зате поява нових генів прискорилося. Це хороший приклад впливу ембріогенезу на геном в еволюційному масштабі часу.

Біологія – наука, заснована на порівняльному методі. Очевидно, будь-яке порівняння вимагає, щоб його об'єкти були в чомусь схожі, а в чомусь різні. Безглуздо порівнювати об'єкти, у яких немає абсолютно нічого спільного. Але і майже однакові об'єкти порівнювати важко. Потрібна "золота середина".

Цей принцип дає збій в разі, якщо якась група організмів еволюціонує або дуже швидко, або в дуже незвичайному напрямку.Тоді вона починає так різко відрізнятися від усіх своїх родичів, що порівняння з ними важко. Саме така група, причому досить велика, є в типі хордових. Називається вона покривники.

Тип хордових ділиться на три підтипи: безчерепні (до них відноситься ланцетник), покривники і хребетні. Безчерепних і покривників іноді об'єднують під назвою "нижчі хордові". Але насправді спільного у них мало. Ланцетник – напівпрозоре рибоподібна тварина, покривники же виглядають зовсім інакше. Типовий представник покривників – асцидія; це мешковидное морську істоту, прикріплене до дна. Але в асцидії є плаваюча хвостата личинка, в хвості якої проходить справжня хорда. Крім того, личинка асцидії має нервову систему у вигляді трубки, що теж дуже характерно для хордових.

Інші покривники – аппендікуляріі – віддалено схожі на личинок асцидій (рис. 1). Вони не проходять метаморфоз, не втрачають хвіст і не перетворюються в сидячу донну форму. Швидше за все, аппендікуляріі походять від предків, близьких до асцидій, шляхом неотении – розмноження на личинкової стадії; доросла стадія при цьому зникла.

У покривників дуже багато унікальних особливостей. Наприклад, своєю назвою вони зобов'язані зовнішній оболонці з целюлози – полісахариду, який ніякі інші тварини не здатні синтезувати.

Що стосується ланцетника, то він по безлічі ознак (і навіть зовні) набагато більше схожий на хребетних, ніж на покривників. Найчастіше біологи вважали, що ланцетник і є найближчий родич хребетних. Але молекулярно-генетичні дослідження показали, що це не так. Найближчими родичами хребетних виявилися саме покривники, ланцетник же відійшов від загального еволюційного стовбура раніше них (рис. 2).

Мал. 2. Еволюційне древо хордових і споріднених їм типів. Echinodermata – голкошкірі, Hemichordata – напівхордові, Chordata – хордові, Cephalochordata – головохордових, Tunicata – покривники, Vertebrata – хребетні. Схема складена А. Н. Кузнєцовим

Такий результат виглядає несподівано. І відразу виникає питання: чи є в ньому якийсь зоологічний сенс? Іншими словами, чи існують які-небудь немолекулярное ознаки, за якими покривники більше схожі на хребетних, ніж на ланцетника?

Так, існують. Наприклад, центральна нервова система личинки покривників більше схожа на головний і спинний мозок хребетних,ніж на нервову трубку ланцетника, незважаючи навіть на те, що в ЦНС покривників дуже мало нейронів (у ланцетника близько 20 тисяч, а у личинки асцидії всього 330 штук). У покривників нервова трубка розширюється попереду в якусь подобу головного мозку, і хорда не доходить до її переднього кінця. У хребетних, як відомо, головний мозок прекрасно виражений, і хорда (якщо вона зберігається) до його переднього кінця теж ніколи не доходить. А ось у ланцетника переднього розширення нервової трубки немає, а хорда заходить далеко за її передній кінець (звідси інша назва безчерепних – головохордових, тобто мають хорду в голові).

Сучасна біологія розвитку показує, що в нервовій трубці покривників добре виражений регіон, відповідний у хребетних межі між середнім і заднім мозком (midbrain-hindbrain boundary, MHB). Попереду від регіону MHB і у ланцетника, і в оболочников, і у хребетних починається активність (експресія) генів Otx, Контролюючих розвиток передніх відділів мозку (див .: Один з найдавніших генів багатоклітинних тварин виявився відповідальним за епілепсію, "Елементи", 20.03.2014). Але для самого регіону MHB характерна експресія кількох інших генів, що відносяться, наприклад, до сімейств Pax, Fgf і Wnt. І ось ця експресія є у покривників і у хребетних, а у ланцетника не знайдено. Ймовірно, це ознака еволюційної гілки, яка об'єднує покривників і хребетних, який у ланцетника не встиг виникнути.

Але чому ж все-таки покривники так сильно відрізняються від всіх інших хордових – як більш древніх, так і більш молодих?

Відомий фахівець з нижчим хордових Лінда Холланд (Linda Holland), співробітниця Інституту океанографії в Сан-Дієго (Scripps Institution of Oceanography), вважає, що пролити світло на це питання можуть генетичні дані. Геном покривників зараз непогано вивчений. Він дуже цікавий і має ряд характерних ознак.

1. Маленький розмір генома. У хребетних геном зазвичай вимірюється мільярдами пар нуклеотидів (п.н.): наприклад, у людини 3,3 мільярда пар основ, у крокодила 3,2 мільярда пар основ, у кистеперої риби латимерії 2,2 мільярда п.н . У ланцетника розмір генома становить 0,52 мільярда = 520 мільйонів пар основ Геноми покривників набагато менше: у асцидії Ciona intestinalis – всього лише близько 160 мільйонів пар основ, а у аппендікуляріі Oikopleura dioica навіть менше 70 мільйонів пар основ Це, безумовно, найменші геноми серед хордових.

2. Розпад Hox-кластера. гени сімейства Hox керують ембріональної дифференцировкой різних частин тіла багатоклітинних тварин (див. Програми роботи Hox-генів у личинок і дорослих особин кільчастого хробака принципово відрізняються, "Елементи", 27.05.2013). У цих генів є два важливих властивості. По-перше, вони зазвичай розміщуються в хромосомах кластерами, Тобто щільними групами. І по-друге, області активності Hox-генів, як правило, розташовані уздовж тіла тварини в тому ж порядку, в якому розташовані самі гени в кластері. Це називається принципом коллинеарности (Див. Hox-гени виявилися більш еволюційно мінливі, ніж передбачалося раніше, "Елементи", 12.10.2013). Наприклад, у ланцетника 15 Hox-генів утворюють типовий кластер (див. Своїм серцем хребетні зобов'язані повногеномне дуплікації, "Елементи", 17.06.2013).

У асцидії Ciona intestinalis Hox-генів 9, тобто менше, ніж у більш примітивного ланцетника; це, мабуть, означає, що частина з них вдруге втрачена. Але головне, ці 9 генів у асцидії розташовані не єдиним кластером, а п'ятьма окремими групами (одна група з 3 генів, дві групи по 2 гена і ще два одиночних гена). Це і називається розпадом Hox-кластера (рис. 3). У аппендікуляріі Oikopleura dioica Hox-генів теж 9, але вони вже все розкидані поодинці по різних областях хромосом: розпад Hox-кластера дійшов до кінця, далі розпадатися нікуди.

Мал. 3. Доля Hox-кластерів у хордових. У ланцетника (Cephalochordates) Hox-кластер один, безперервний, складається з 14 генів (насправді – з 15); різними кольорами позначені різні групи Hox-генів: синій – «передні» гени, жовтий – «середні», зелений – «задні». У хребетних (Vertebrates) Hox-кластерів стає, як правило, чотири, їх безперервність зберігається, хоча деякі окремі гени і зникають. У асцидій (Ascidians) Hox-кластер розпадається на чотири фрагменти, а в аппендикулярий (Larvaceans) – взагалі на дев'ять ізольованих генів. На широкій стрілці, спрямованої уздовж гілки покривників, підписані напрямки їх еволюції: зменшення розміру (size reduction) і детерміноване розвиток (determinative development); детерміноване розвиток – синонім музичного. Ілюстрація зі статті: Seo et al., 2004. Hox cluster disintegration with persistent anteroposterior order of expression in Oikopleura dioica

3. Багато нових генів. Порівняльна геноміка показує, що виникнення нових генів у тварин – явище, взагалі кажучи, не таке вже й часте. Щоб з'явився новий ген, спочатку якийсь вже наявний ген повинен подвоїтися (Дуплікація), а потім виникла додаткова копія повинна придбати нову функцію (неофункціоналізація, См. Neofunctionalization). Ці процеси зараз досить детально вивчені (див.Конфлікт між копіями подвоєної гена веде до надмірного ускладнення генно-регуляторних мереж, "Елементи", 10.10.2013). Так ось, у покривників, незважаючи на те що їх геном – маленький, утворення нових генів йшло дуже активно.

Наприклад, у аппендікулярій є унікальні білки – ойкозіни, Що входять до складу целюлозних будиночків. Останні дослідження показали, що різних білків-ойкозінов у аппендікуляріі 80 штук (вони синтезуються на різних ділянках поверхні тіла). І кожен з них, очевидно, кодується власним геном. Найцікавіше ж, що з цих 80 білків всього 2 мають хоч якесь схожість з деякими білками асцидій, а походження інших загадково: вони не схожі ні на які інші білки взагалі (див. Hosp et al., 2012. The Evolving Proteome of a Complex Extracellular Matrix, the Oikopleura House). Це – свідчення надзвичайно бурхливої ​​еволюції.

Інший приклад – уже згадані гени Otx, Продукти яких керують розвитком головного мозку. У ланцетника Otx-ген один. У хребетних – зазвичай два. У асцидії Ciona intestinalis – один, як і у ланцетника; швидше за все, це примітивне для хордових стан. Але ось у аппендікуляріі Oikopleura dioica Otx-генів цілих три – більше, ніж у хребетних. У еволюційної лінії аппендікулярій сталася незалежна Дуплікація, і не одна.

Подібних даних накопичилося вже багато.Зокрема, відомо, що покривники мають велику кількість унікальних мікроРНК – молекул, що регулюють активність генів (див. Ускладнення організму у стародавніх тварин було пов'язане з появою нових регуляторних молекул, "Елементи", 4.02.2010). Причому ще й різні групи покривників відрізняються один від одного складом мікроРНК досить сильно (див. Fu et al., 2008. Altered miRNA Repertoire in the Simplified Chordate, Oikopleura dioica).

Все це показує, що геном покривників, хоч і став маленьким, еволюціонував виключно швидко. Наче якийсь обмежувач швидкості еволюції там опинився знятий.

4. оперон організація. Опероном називається група з декількох сусідніх генів, які працюють послідовно або спільно і зазвичай беруть участь в якійсь загальній функції. Такий спосіб регуляції активності генів характерний для бактерій. У тварин об'єднання генів в Оперон – велика рідкість. Але у покривників воно є. За наявними оцінками, у аппендікуляріі до складу оперонов входить чверть всіх генів, а в асцидії – навіть половина. Крім покривників, об'єднання великого числа генів в Оперон є ще тільки у нематод, що відносяться до круглих черв'якам.

І тут Лінда Холланд задається питанням: чи не можна дати цьому набору генетичних ознак якесь загальне пояснення?

У сучасній західній літературі популярний термін "обмеження розвитку" (developmental constraint). Попросту кажучи, обмеження розвитку – це такий собі чинний в індивідуальному розвитку організму фактор, який дозволяє реалізуватися одним станам цього організму і не дозволяє іншим. Типовим проявом такого обмеження є затримка редукції мізинця у птахів (див. Темп редукції пальців у архозавров залежить від генів, що регулюють ембріональний розвиток, "Елементи", 17.10.2013). Мізинець – це морфологічна ознака, з ним справу більш-менш ясне. А ось чи можна знайти таке обмеження розвитку, яке буде впливати на еволюцію генома?

Мабуть, так!

Характерною рисою як ланцетника, так і хребетних є регуляційних розвиток: таке, при якому доля кожної клітини зародка є ймовірнісної, залежачи від оточення. Якщо такий зародок втрачає частину клітин, що залишилися клітини можуть змінити напрямок диференціювання і компенсувати втрату (це називається ембріональної регуляцією). Регуляційних розвитку протиставляється мозаїчне, Коли долі клітин задані з самого початку і не можуть бути змінені ніякими зовнішніми впливами.

Покривники в цьому плані різко відрізняються від інших хордових: їх розвиток – одне з найбільш музичних у всьому тваринному світі. Особливо яскраво це виражено у аппендікулярій (рис. 4).

Мал. 4. Зародок аппендікуляріі на стадії 8 клітин в поздовжньому розрізі. 1 – ектодерма, 2 – нервова система, 3 – хорда, 4 – ентодерми, 5 – мезодерма. Однозначна зумовленість долі клітин на такій ранній стадії – яскравий приклад музичного (детермінованого) розвитку. Ілюстрація з книги: Іванов П. П. Загальна і порівняльна ембріологія. Л., 1937.

Регуляційних розвиток вимагає скоординованої роботи великого числа генів, особливо на стадіях, коли закладається план будови тіла (у хребетних це в першу чергу стадія фарінгули, См. Pharyngula). Це і є те саме обмеження, яке не дозволяє генам змінюватися як завгодно. При переході до мозаїчній розвитку це обмеження зникає, і геномна еволюція отримує додаткові ступені свободи. У першому наближенні це пояснює і розпад кластерів, і швидке виникнення нових генів, і перехід до нехарактерною для тварин оперон організації. В іншої групи тварин, розвиток яких гранично мозаїчно, – у нематод – всі ці ознаки теж відзначені.

Одночасно геном таких тварин починає втрачати регуляторні елементи, за допомогою яких гени впливають на роботу один одного. Тому він і малий. Відомо, наприклад, що консервативних некодуючих послідовностей (conserved non-coding sequence, CNS), роль яких чисто регуляторна, в геномі покривників, схоже, раз в десять менше, ніж у ланцетника.

За такою логікою слід було б очікувати, що і у нематод геном виявиться дуже маленьким. І дійсно, у добре вивченою нематоди Caenorhabditis elegans розмір генома – всього-на-всього 100 мільйонів пар нуклеотидів. Це лише на третину більше, ніж у аппендікуляріі, і менше, ніж у асцидії.

Таким чином, весь набір особливостей геному покривників отримує єдине пояснення. Їх причина – перехід до різко мозаїчній типу розвитку. Це ще один приклад того, як тип ембріогенезу впливає на еволюцію генома (див. Швидкість еволюції залежить від способу закладки первинних статевих клітин, "Елементи", 11.04.2014).

Годі й казати, що покривники і нематоди зовсім не родинні один одному. Вони просто незалежно вибрали одну і ту ж стратегію.

Відомий біолог-еволюціоніст А. А. Любищев писав в роботі, опублікованій ще в 1925 році: "Очевидно, гени ніяк не мозаїку, а, керуючись іншим порівнянням зі звичайного життя, оркестр або хор".Це висловлювання часто цитують. Воно добре відповідає, з одного боку, романтичному уявленню про цілісність світобудови, а з іншого – гігантського кількості наукових даних, що показують, що гени дійсно утворюють складну мережу взаємодій; недарма в сучасній біології є поняття "генні мережі" (gene regulatory networks). Але, як це часто буває, надто загальне і дуже сильне твердження виявилося неточним. Якщо у тварин з регуляційних розвитком геном – дійсно "оркестр", то у покривників і нематод він більше схожий якраз на мозаїку. Ми ще раз бачимо, що головне в механізмах як індивідуального розвитку, так і еволюції – це їх різноманітність.

джерело: Linda Z. Holland. Genomics, evolution and development of amphioxus and tunicates: The goldilocks principle // Journal of Experimental Zoology Part B: Molecular and Developmental Evolution. Published online 24 Mar 2014.

Сергій Ястребов


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: