Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Шрифт:
Остальные микроРНК тоже оказались распределены закономерным образом по разным типам формирующихся тканей, причем были выявлены многочисленные параллели между их распределением у разных билатерий. Например, miR-124 приурочена к центральной нервной системе у насекомых и плоских червей, а у позвоночных — к нервным клеткам вообще. У платинереиса эта микроРНК экспрессируется только в центральной нервной системе — мозге и брюшной нервной цепочке. Другие микроРНК, у позвоночных экспрессирующиеся в некоторых органах чувств, у платинереиса тоже оказались приуроченными к органам чувств (глазам, антеннам, чувствительным придаткам параподий). МикроРНК miR-1 и miR-133 у кольчатых червей, как и у позвоночных, присутствуют только в развивающихся мышцах, и т. д.
Полученные результаты показывают, что одновременное появление у ранних билатерий новых тканей и новых микроРНК не было случайным совпадением. По-видимому, микроРНК изначально играли важную роль в дифференцировке тканей у билатерий. Их функции, однако, оказались более пластичными, чем у Hox– генов, и поэтому у высших билатерий «сфера влияния» многих микроРНК стала сильно отличаться от исходной.
Hox– гены обрели свободу — и змеи потеряли ноги
Напоследок рассмотрим исследование, проливающее свет на роль Hox– генов в эволюции позвоночных. Как известно, важнейшая функция Hox– генов состоит в том, что они подробно размечают эмбрион вдоль передне-задней оси. Дальнейшая судьба эмбриональных клеток, оказавшихся в той или иной части эмбриона, зависит от набора Hox– генов, экспрессирующихся в этой части. Для каждого Hox– гена характерна своя область экспрессии. Например, гены Hox12 и Hox13, как правило, работают только в задней части эмбриона, которая в дальнейшем станет хвостом; гены Hox10 у некоторых позвоночных работают от заднего конца эмбриона до той черты, которая станет границей между грудным отделом (где на позвонках есть ребра) и поясничным, где ребра не развиваются. «Hox– код», определяющий план строения организма, сложен и не совсем одинаков у разных групп позвоночных. Вряд ли можно сомневаться в том, что многие крупные эволюционные преобразования, затрагивающие план строения, были связаны с изменениями в структуре и экспрессии Hox– генов. Однако хорошо изученных примеров, иллюстрирующих эту связь, пока немного [96] .
96
Один такой пример рассмотрен в книге «Рождение сложности» на страницах 340–342. Там идет речь о связи утраты млекопитающими ребер на поясничных позвонках с генами Hox10.
Hox– гены дрозофилы и человека. Прямоугольниками обозначены гены в том порядке, в каком они расположены в хромосомах. У мухи один набор Hox– генов, у человека — четыре, частично дублирующие друг друга (они образовались из одного в результате двух полногеномных дупликаций). Кластеры A, B, C, D находятся на разных хромососмах (у мыши это хромосомы № 6, 11, 15 и 2, у человека — № у, 17, 2, 12). У змей, в отличие от мыши и человека, в кластере D отсутствует 12-й ген (Hoxd12). На изображениях мухи и зародыша человека области экспрессии соответствующих генов окрашены теми же цветами, что и сами гены. По последним данным, соответствие между Hox– генами членистоногих и позвоночных несколько менее однозначно, чем показано на этой схеме.
У многих животных, в том числе у позвоночных, Hox– гены в геноме располагаются кластерами, т. е. группами вплотную друг другу. Самое удивительное, что порядок расположения генов в Hox– кластерах часто (хотя и не всегда) совпадает с распределением областей экспрессии вдоль передне-задней оси: впереди находятся «головные» гены, за ними следуют гены, отвечающие за формирование средних участков тела, а замыкают кластер «задние» гены, управляющие развитием задних частей туловища. По-видимому, это связано со способом регуляции экспрессии Hox– генов: участок ДНК, где находится Hox– кластер, постепенно «раскрывается», становясь доступным для транскрипции по мере движения от переднего конца тела к заднему. Поэтому у переднего конца тела экспрессируются только передние Hox– гены, а чем ближе к хвосту, тем более задние гены включаются в работу. Удобный способ регуляции генов, отвечающих за разметку эмбриона вдоль передне-задней оси!
У предков позвоночных, как у современного ланцетника, в геноме был один Hox– кластер, включающий 14 генов. На ранних этапах эволюции позвоночных произошло две полногеномные дупликации. В результате позвоночные приобрели четыре Hox– кластера вместо одного. Это открыло перед позвоночными большие эволюционные возможности (см. главу 5). Отдельные Hox– гены в некоторых кластерах были утрачены, но в целом их набор и порядок расположения остался сходным во всех четырех кластерах. Паралогичные гены (т. е. копии одного и того же Hox– гена в разных Hox– кластерах) приобрели немного различающиеся функции, что дало возможность тонко регулировать эмбриональное развитие и облегчило развитие новых планов строения.
Биологи из Швейцарии, Новой Зеландии и США изучили работу Hox– генов у чешуйчатых рептилий (отряд Squamata) (Di-Poi et al., 2010). Этот отряд, объединяющий ящериц и змей, интересен разнообразием планов строения и вариабельностью признаков, связанных с передне-задней дифференцировкой туловища (относительная длина отделов тела, число позвонков в них и т. п.) Поэтому логично было предположить, что Hox– кластеры чешуйчатых должны обладать специфическими особенностями и что Hox– гены ящериц и змей должны различаться.
Ранее было показано, что области экспрессии передних Hox– генов у змей расширились в заднем направлении по сравнению с другими позвоночными. Это хорошо согласуется с общим удлинением тела. Кроме того, было установлено, что правило колинеарности (т. е. одинаковый порядок расположения генов в кластере и областей их экспрессии в эмбрионе) у змей строго соблюдается.
Исследователи сосредоточились на задних Hox– генах (от 10-го до 13-го). Главными объектами исследования были хлыстохвостая ящерица Aspidoscelis uniparens и маисовый полоз Elaphe guttata. Кроме того, были отсеквенированы Hox– кластеры нескольких других ящериц, гаттерии и черепахи. Для сравнения использовались Hox– кластеры курицы, человека, мыши и лягушки.
Набор задних Hox– генов у всех исследованных видов оказался одинаковым, если не считать того, что у змей и лягушек «потерялся» ген Hoхd12 (12-й Hox– ген из кластера D). Важные изменения были обнаружены в регуляторных участках Hox– кластеров. Оказалось, что все чешуйчатые рептилии утратили регуляторный участок между генами Hoхd13 и Evх2 [97] , а змеи вдобавок потеряли консервативный некодирующий элемент между Hoхd12 и Hoхd13 и некоторые регуляторные участки в других Hox– кластерах. Неожиданным результатом оказалось присутствие в Hox– кластерах чешуйчатых множества встроившихся мобильных генетических элементов. В результате общая длина задней части Hox– кластеров у чешуйчатых значительно выросла по сравнению с другими наземными позвоночными.
97
Evn2 (even-skipped homeobox 2) — последний, четырнадцатый ген Hox– кластера. Название even skipped («четные пропущены») связано с тем, что у дрозофилы этот ген участвует в разбиении тела на сегменты, причем экспрессируется только в нечетных сегментах.
Все это, по-видимому, говорит о том, что у чешуйчатых ослабли эволюционные ограничения, препятствующие накоплению изменений в задней части Hox– кластеров. Очищающий отбор, отбраковывающий подобные изменения у других позвоночных, в эволюции ящериц и змей действовал менее эффективно. Этот вывод подтвердился и в ходе анализа кодирующих участков Hox– генов. В этих участках у ящериц, и особенно у змей, по сравнению с другими позвоночными накопилось много значимых замен. Одни из них, по-видимому, зафиксировались случайно, из-за ослабления очищающего отбора, тогда как другие закрепились под действием положительного отбора, т. е. были полезными.