Рис. 1. Молодая аппендикулярия Oikopleura dioica
У животных есть две стратегии эмбрионального развития: регуляционная (судьба клеток вероятностна) и детерминированная, или мозаичная (судьба клеток точно определяется уже на стадии дробления яйца). В типе хордовых развитие обычно регуляционное. Но есть одна ветвь хордовых — оболочники — у которых оно стало мозаичным. Эта эмбриологическая особенность оболочников привела к целому ряду изменений в их геноме: он стал маленьким, многие регуляторные элементы исчезли, некоторые генные кластеры распались, зато появление новых генов ускорилось. Это хороший пример влияния эмбриогенеза на геном в эволюционном масштабе времени.
Биология — наука, основанная на сравнительном методе. Очевидно, любое сравнение требует, чтобы его объекты были в чём-то схожи, а в чём-то различны. Бессмысленно сравнивать объекты, у которых нет абсолютно ничего общего. Но и почти одинаковые объекты сравнивать трудно. Нужна «золотая середина».
Этот принцип дает сбой в случае, если какая-нибудь группа организмов эволюционирует или очень быстро, или в очень необычном направлении. Тогда она начинает так резко отличаться от всех своих родственников, что сравнение с ними затрудняется. Именно такая группа, причем довольно большая, есть в типе хордовых. Называется она оболочники.
Тип хордовых делится на три подтипа: бесчерепные (к ним относится ланцетник), оболочники и позвоночные. Бесчерепных и оболочников иногда объединяют под названием «низшие хордовые». Но на самом деле общего у них мало. Ланцетник — полупрозрачное рыбообразное животное, оболочники же выглядят совершенно иначе. Типичный представитель оболочников — асцидия; это мешковидное морское существо, прикрепленное ко дну. Но у асцидии есть плавающая хвостатая личинка, в хвосте которой проходит настоящая хорда. Кроме того, личинка асцидии имеет нервную систему в виде трубки, что тоже очень характерно для хордовых.
Другие оболочники — аппендикулярии — отдаленно похожи на личинок асцидий (рис. 1). Они не проходят метаморфоз, не теряют хвост и не превращаются в сидячую донную форму. Скорее всего, аппендикулярии произошли от предков, близких к асцидиям, путем неотении — размножения на личиночной стадии; взрослая стадия при этом исчезла.
У оболочников очень много уникальных особенностей. Например, своим названием они обязаны наружной оболочке из целлюлозы — полисахарида, который никакие другие животные не способны синтезировать.
Что касается ланцетника, то он по множеству признаков (и даже внешне) гораздо больше похож на позвоночных, чем на оболочников. Чаще всего биологи полагали, что ланцетник и есть самый близкий родственник позвоночных. Но молекулярно-генетические исследования показали, что это не так. Ближайшими родственниками позвоночных оказались именно оболочники, ланцетник же отошел от общего эволюционного ствола раньше них (рис. 2).
Рис. 2. Эволюционное древо хордовых и родственных им типов. Echinodermata — иглокожие, Hemichordata — полухордовые, Chordata — хордовые, Cephalochordata — головохордовые, Tunicata — оболочники, Vertebrata — позвоночные.
Такой результат выглядит неожиданно. И сразу возникает вопрос: есть ли в нем какой-нибудь зоологический смысл? Иными словами, существуют ли какие-нибудь немолекулярные признаки, по которым оболочники больше похожи на позвоночных, чем на ланцетника?
Да, существуют. Например, центральная нервная система личинки оболочников больше похожа на головной и спинной мозг позвоночных, чем на нервную трубку ланцетника, несмотря даже на то, что в ЦНС оболочников очень мало нейронов (у ланцетника около 20 тысяч, а у личинки асцидии всего 330 штук). У оболочников нервная трубка расширяется впереди в некое подобие головного мозга, и хорда не доходит до ее переднего конца. У позвоночных, как известно, головной мозг прекрасно выражен, и хорда (если она сохраняется) до его переднего конца тоже никогда не доходит. А вот у ланцетника переднего расширения нервной трубки нет, а хорда заходит далеко за ее передний конец (отсюда другое название бесчерепных — головохордовые, то есть имеющие хорду в голове).
Современная биология развития показывает, что в нервной трубке оболочников хорошо выражен регион, соответствующий у позвоночных границе между средним и задним мозгом (midbrain-hindbrain boundary, MHB). Впереди от региона MHB и у ланцетника, и у оболочников, и у позвоночных начинается активность (экспрессия) генов Otx, контролирующих развитие передних отделов мозга. Но для самого региона MHB характерна экспрессия нескольких других генов, относящихся, например, к семействам Pax, Fgf и Wnt. И вот эта экспрессия есть у оболочников и у позвоночных, а у ланцетника не обнаружена. Вероятно, это признак эволюционной ветви, объединяющей оболочников и позвоночных, который у ланцетника не успел возникнуть.
Но почему же всё-таки оболочники так сильно отличаются от всех других хордовых — как более древних, так и более молодых?
Известный специалист по низшим хордовым Линда Холланд, сотрудница Института океанографии в Сан-Диего, считает, что пролить свет на этот вопрос могут генетические данные. Геном оболочников сейчас неплохо изучен. Он очень интересен и обладает рядом характерных признаков.
Маленький размер генома. У позвоночных геном обычно измеряется миллиардами пар нуклеотидов (п.н.): например, у человека 3,3 миллиарда п.н., у крокодила 3,2 миллиарда п.н., у кистеперой рыбы латимерии 2,2 миллиарда п.н. У ланцетника размер генома составляет 0,52 миллиарда = 520 миллионов п.н. Геномы оболочников гораздо меньше: у асцидии Ciona intestinalis — всего лишь около 160 миллионов п.н., а у аппендикулярии Oikopleura dioica даже менее 70 миллионов п.н. Это, безусловно, самые маленькие геномы среди хордовых.
Распад Hox-кластера. Гены семейства Hox управляют эмбриональной дифференцировкой разных частей тела многоклеточных животных. У этих генов есть два важных свойства. Во-первых, они обычно размещаются в хромосомах кластерами, то есть плотными группами. И во-вторых, области активности Hox-генов, как правило, расположены вдоль тела животного в том же порядке, в каком расположены сами гены в кластере. Это называется принципом коллинеарности. Например, у ланцетника 15 Hox-генов образуют типичный кластер.
У асцидии Ciona intestinalis Hox-генов 9, то есть меньше, чем у более примитивного ланцетника; это, видимо, означает, что часть из них вторично потеряна. Но главное, эти 9 генов у асцидии расположены не единым кластером, а пятью отдельными группами (одна группа из 3 генов, две группы по 2 гена и еще два одиночных гена). Это и называется распадом Hox-кластера (рис. 3). У аппендикулярии Oikopleura dioica Hox-генов тоже 9, но они уже все разбросаны поодиночке по разным областям хромосом: распад Hox-кластера дошел до конца, дальше распадаться некуда.
Рис. 3. Судьба Hox-кластеров у хордовых. У ланцетника (Cephalochordates) Hox-кластер один, непрерывный, состоит из 14 генов (на самом деле — из 15); разными цветами обозначены разные группы Hox-генов: синий — «передние» гены, желтый — «средние», зеленый — «задние». У позвоночных (Vertebrates) Hox-кластеров становится, как правило, четыре, их непрерывность сохраняется, хотя некоторые отдельные гены и исчезают. У асцидий (Ascidians) Hox-кластер распадается на четыре фрагмента, а у аппендикулярий (Larvaceans) — вообще на девять изолированных генов. На широкой стрелке, направленной вдоль ветви оболочников, подписаны направления их эволюции: уменьшение размера (size reduction) и детерминированное развитие (determinative development); детерминированное развитие — синоним мозаичного.
Много новых генов. Сравнительная геномика показывает, что возникновение новых генов у животных — явление, вообще говоря, не такое уж и частое. Чтобы появился новый ген, сначала какой-то уже имеющийся ген должен удвоиться (дупликация), а потом возникшая дополнительная копия должна приобрести новую функцию (неофункционализация). Эти процессы сейчас достаточно детально изучены. Так вот, у оболочников, несмотря на то что их геном — маленький, образование новых генов шло очень активно.
Например, у аппендикулярий есть уникальные белки — ойкозины, входящие в состав целлюлозных домиков. Последние исследования показали, что разных белков-ойкозинов у аппендикулярии 80 штук (они синтезируются на разных участках поверхности тела). И каждый из них, очевидно, кодируется собственным геном. Самое же интересное, что из этих 80 белков всего 2 имеют хоть какое-то сходство с некоторыми белками асцидий, а происхождение остальных загадочно: они не похожи ни на какие другие белки вообще. Это — свидетельство чрезвычайно бурной эволюции.
Другой пример — уже упомянутые гены Otx, продукты которых управляют развитием головного мозга. У ланцетника Otx-ген один. У позвоночных — обычно два. У асцидии Ciona intestinalis — один, как и у ланцетника; скорее всего, это примитивное для хордовых состояние. Но вот у аппендикулярии Oikopleura dioica Otx-генов целых три — больше, чем у позвоночных. В эволюционной линии аппендикулярий произошла независимая дупликация, и не одна.
Подобных данных накопилось уже много. В частности, известно, что оболочники имеют большое количество уникальных микроРНК — молекул, регулирующих активность генов. Причем еще и разные группы оболочников отличаются друг от друга составом микроРНК достаточно сильно.
Все это показывает, что геном оболочников, хоть и стал маленьким, эволюционировал исключительно быстро. Как будто какой-то ограничитель скорости эволюции там оказался снят.
Оперонная организация. Опероном называется группа из нескольких соседних генов, которые работают последовательно или совместно и обычно участвуют в какой-то общей функции. Такой способ регуляции активности генов характерен для бактерий. У животных объединение генов в опероны — большая редкость. Но у оболочников оно есть. По имеющимся оценкам, у аппендикулярии в состав оперонов входит четверть всех генов, а у асцидии — даже половина. Кроме оболочников, объединение большого числа генов в опероны есть еще только у нематод, относящихся к круглым червям.
И тут Линда Холланд задается вопросом: нельзя ли дать этому набору генетических признаков какое-то общее объяснение?
В современной западной литературе популярен термин «ограничение развития». Попросту говоря, ограничение развития — это некий действующий в индивидуальном развитии организма фактор, который позволяет реализоваться одним состояниям этого организма и не позволяет другим. Типичным проявлением такого ограничения является задержка редукции мизинца у птиц. Мизинец — это морфологический признак, с ним дело более или менее ясное. А вот можно ли найти такое ограничение развития, которое будет влиять на эволюцию генома?
По-видимому, да!
Характерной чертой как ланцетника, так и позвоночных является регуляционное развитие: такое, при котором судьба каждой клетки зародыша является вероятностной, завися от окружения. Если такой зародыш теряет часть клеток, оставшиеся клетки могут изменить направление дифференцировки и скомпенсировать потерю (это называется эмбриональной регуляцией). Регуляционному развитию противопоставляется мозаичное, когда судьбы клеток заданы с самого начала и не могут быть изменены никакими внешними воздействиями.
Оболочники в этом плане резко отличаются от других хордовых: их развитие — одно из самых мозаичных во всем животном мире. Особенно ярко это выражено у аппендикулярий (рис. 4).
Рис. 4. Зародыш аппендикулярии на стадии 8 клеток в продольном разрезе. 1 — эктодерма, 2 — нервная система, 3 — хорда, 4 — энтодерма, 5 — мезодерма. Однозначная предопределенность судьбы клеток на такой ранней стадии — яркий пример мозаичного (детерминированного) развития.
Регуляционное развитие требует скоординированной работы большого числа генов, особенно на стадиях, когда закладывается план строения тела (у позвоночных это в первую очередь стадия фарингулы). Это и есть то самое ограничение, которое не позволяет генам меняться, как угодно. При переходе к мозаичному развитию это ограничение исчезает, и геномная эволюция получает дополнительные степени свободы. В первом приближении это объясняет и распад кластеров, и быстрое возникновение новых генов, и переход к нехарактерной для животных оперонной организации. У другой группы животных, развитие которых предельно мозаично, — у нематод — все эти признаки тоже отмечены.
Одновременно геном таких животных начинает терять регуляторные элементы, с помощью которых гены влияют на работу друг друга. Потому он и мал. Известно, например, что консервативных некодирующих последовательностей (conserved non-coding sequence, CNS), роль которых чисто регуляторная, в геноме оболочников, похоже, раз в десять меньше, чем у ланцетника.
По такой логике следовало бы ожидать, что и у нематод геном окажется очень маленьким. И действительно, у хорошо изученной нематоды Caenorhabditis elegans размер генома — всего-навсего 100 миллионов пар нуклеотидов. Это лишь на треть больше, чем у аппендикулярии, и меньше, чем у асцидии.
Таким образом, весь набор особенностей генома оболочников получает единое объяснение. Их причина — переход к резко мозаичному типу развития. Это еще один пример того, как тип эмбриогенеза влияет на эволюцию генома.
Нечего и говорить, что оболочники и нематоды вовсе не родственны друг другу. Они просто независимо выбрали одну и ту же стратегию.
Известный биолог-эволюционист А. А. Любищев писал в работе, опубликованной еще в 1925 году: «Очевидно, гены образуют не мозаику, а, руководствуясь другим сравнением из обычной жизни, оркестр или хор». Это высказывание часто цитируют. Оно хорошо соответствует, с одной стороны, романтическому представлению о целостности мироздания, а с другой — гигантскому количеству научных данных, показывающих, что гены действительно образуют сложную сеть взаимодействий; недаром в современной биологии есть понятие «генные сети». Но, как это часто бывает, слишком общее и слишком сильное утверждение оказалось неточным. Если у животных с регуляционным развитием геном — действительно «оркестр», то у оболочников и нематод он больше похож как раз на мозаику. Мы еще раз видим, что главное в механизмах как индивидуального развития, так и эволюции — это их разнообразие.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ
