» » Hox-гены оказались более эволюционно изменчивы, чем предполагалось раньше

Hox-гены оказались более эволюционно изменчивы, чем предполагалось раньше


Hox-гены оказались более эволюционно изменчивы, чем предполагалось раньше

Рис. 1. Муха, у которой вместо усиков (антенн) выросли ноги. Такое уродство возникает в результате эктопической экспрессии (проще говоря, активности в неположенном месте) гена Antp (Antennapedia). Это один из центральных Hox-генов, о которых идет речь в статье. Фотография с сайта ru.wikipedia.org


Hox-гены — большое семейство генов, регулирующих развитие разных частей тела у многоклеточных животных. Уже довольно давно известно, что эти гены очень эволюционно консервативны: многие из них являются общими даже у таких далеких друг от друга организмов, как насекомые и млекопитающие. Однако эта консервативность не абсолютна. Проведенное германскими генетиками детальное исследование судьбы одной из групп Hox-генов показало, что новые гены в этой группе возникали в разных эволюционных ветвях несколько раз. Даже у таких относительно родственных животных, как хордовые и иглокожие, их набор — разный. А у древнего общего предка всех двусторонне-симметричных животных Hox-генов было существенно меньше, чем у большинства современных представителей.

Гены семейства Hox известны как регуляторы индивидуального развития животных, управляющие дифференцировкой частей их тела (см.: Программы работы Hox-генов у личинок и взрослых особей кольчатого червя принципиально отличаются, «Элементы», 27.05.2013). У большинства животных этих генов несколько, и они имеют два важных свойства. Во-первых, мутации Hox-генов вызывают уродства особого типа, связанные с превращением одних частей тела в другие. У насекомых, например, это может быть превращение брюшных сегментов в грудные или усиков в лапки (рис. 1). Гены с таким эффектом принято называть гомеозисными (см. также Homeotic gene). Во-вторых, Hox-гены исключительно эволюционно консервативны. Еще лет 30 назад было показано, что, например, у насекомых (муха-дрозофила) и у позвоночных (мышь, человек) их нуклеотидные последовательности очень близки.

Насекомые и позвоночные — совсем не близкие родственники. Они находятся друг от друга на эволюционном древе настолько далеко, насколько это вообще возможно для двух двусторонне-симметричных животных (см.: Новые данные позволили уточнить родословную животного царства, «Элементы», 10.04.2008). То есть их общий предок был одновременно общим предком моллюсков, иглокожих, плоских, круглых и кольчатых червей и вообще всех без исключения членов огромной группы двусторонне-симметричных, или билатерий (Bilateria). Если у мыши и у мухи есть какой-то общий ген, то это означает, что он уже был у этого общего предка.

Между тем у мухи-дрозофилы есть восемь Hox-генов, и все они имеют точные, один к одному, соответствия у позвоночных (рис. 2). По крайней мере, такое мнение долго было распространено.


Hox-гены оказались более эволюционно изменчивы, чем предполагалось раньше

Рис. 2. Hox-гены насекомого (мухи-дрозофилы) и позвоночного (человека). Цветными прямоугольниками обозначены гены в том порядке, в каком они расположены в хромосомах. 5' и 3' — концы хромосом. У мухи один набор Hox-генов, у человека — четыре, частично дублирующих друг друга (в тексте эта особенность не обсуждается). На изображениях мухи и зародыша человека области экспрессии соответствующих генов окрашены теми же цветами, что и сами гены. Видно, что соблюдается принцип коллинеарности. При этом для каждого гена мухи здесь показан соответствующий (окрашенный тем же цветом) ген человека. Эта «гипотеза однозначного соответствия», по современным представлениям, неверна. Схема из статьи: Goodman F. R. Congenital abnormalities of body patterning: embryology revisited // The Lancet. 2003. V. 362. P. 651–662


Еще одна особенность Hox-генов состоит в том, что области активности (экспрессии) этих генов обычно расположены вдоль тела животного в том же порядке, в каком физически расположены сами гены в хромосоме (рис. 2). Это называется принципом коллинеарности. Для удобства Hox-гены принято делить на группы: «переднюю», «центральную» и «заднюю». В соответствии с принципом коллинеарности, под этими названиями подразумевается одновременно расположение самих генов в хромосоме и расположение областей их экспрессии в теле.

Новая работа, сделанная в лаборатории прикладной биоинформатики биологического факультета Констанцского университета (Applied Bioinformatics Lab, Department of Biology, Universitat Konstanz), посвящена эволюционной судьбе центральной группы Hox-генов. И у мухи-дрозофилы, и у позвоночных в эту группу входят по три гена; у дрозофилы они называются Antp, Ubx и abd-A, а у позвоночных — Hox6, Hox7 и Hox8 (рис. 3). Если основываться на их взаимном расположении, тут можно ожидать соответствия «один к одному»: гену Antp будет соответствовать ген Hox6, гену Ubx — ген Hox7, гену abd-A — ген Hox8. Но так ли это на самом деле?


Hox-гены оказались более эволюционно изменчивы, чем предполагалось раньше

Рис. 3. Центральные Hox-гены мухи и мыши. На верхних картинках все гены центральной группы окрашены желтым. На нижних картинках показаны разные гипотезы соответствий между этими генами. Есть три способа построить такую гипотезу: исходя из родственных связей животных (филогении), из взаимного расположения генов (синтении) или из прямого сравнения последовательностей этих генов. Первый вариант (филогения) в данном случае однозначного ответа не дает. Второй вариант (синтения) дает версию, которая сравнением последовательностей успешно опровергается. Третий вариант (сходство последовательностей), видимо, правилен. Согласно ему, общим у насекомых и млекопитающих является только ген Antp/Hox7 (желтый). Другие гены (обозначенные на правой нижней картинке бирюзовым, зеленым, оранжевым и розовым) возникли у насекомых и позвоночных заново и независимо друг от друга. Схема из обсуждаемой статьи в Developmental Biology


Генетики из Констанца решили разобраться в отношениях центральных Hox-генов, сравнив их напрямую. Как известно, продуктом каждого гена является белок, а белок — это цепочка аминокислот, последовательность которой можно расшифровать и записать. Аминокислотных последовательностей Hox-белков сейчас известно достаточно много. С помощью специальных программ немецкие генетики попарно сравнили друг с другом просто абсолютно все доступные последовательности белков — продуктов центральных Hox-генов, «не глядя» ни на номер гена, ни на то, от какого он животного. Серия таких объективных сравнений должна была надежно показать, какие гены имеют общее происхождение, а какие нет.

Оказалось, что из трех центральных Hox-генов общим у насекомых и у позвоночных на самом деле является только один. Это ген, который у насекомых называется Antp, а у позвоночных — Hox7. Только этот ген, вероятно, и был у их общего предка. Другие центральные Hox-гены насекомых и позвоночных не имеют между собой ничего общего; они возникли в этих группах по-разному, в результате независимых генных дупликаций (удвоений). Например, гены Hox6 и Hox8 есть только у позвоночных: ни с какими генами других животных они не сходны.

Интересной оказалась судьба имеющегося у дрозофилы гена abd-A. Он (или его близкий «родственник») обнаружен не только у насекомых и даже не только у членистоногих, но и еще у нескольких типов животных, включая моллюсков, кольчатых и плоских червей. Видимо, этот ген является общим для огромной группы первичноротых (Protostomia). В эту группу входят членистоногие, моллюски и почти все черви. А вот позвоночные — не входят, и у них этот ген отсутствует.

Два необычных центральных Hox-гена обнаружены у животных, относящихся к типам иглокожих и полухордовых. Эти два типа считаются близкородственными, и действительно, уникальные Hox-гены — очевидно, эволюционно новоприобретенные — у них очень похожи. А вот у хордовых (к которым относятся, в частности, позвоночные) этих генов нет. Полухордовые, иглокожие и хордовые вместе входят в группу вторичноротых (Deuterostomia). Полученные результаты, видимо, означают, что не только у общего предка двусторонне-симметричных животных, но и у общего предка вторичноротых центральный Hox-ген был всего один.


Hox-гены оказались более эволюционно изменчивы, чем предполагалось раньше

Hox-гены оказались более эволюционно изменчивы, чем предполагалось раньше

Рис. 4. Схема эволюции центральных Hox-генов, наложенная на родословное древо двусторонне-симметричных животных. Разные гены (точнее, группы подобия генов) обозначены разными цветами. Желтый — единственный ген, который был у общего предка всех двусторонне-симметричных животных, и его недавние производные. Оранжевый и красный — два гена, которые есть только у позвоночных. Синий и бежевый — два гена, которые есть только у полухордовых и иглокожих. Зеленый — ген, который есть только у первичноротых, бирюзовый — только у членистоногих. В скобки заключены гены, происходящие от Hox-генов, но полностью сменившие функцию. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Developmental Biology, с изменениями


Правда, общий предок вторичноротых жил тоже очень давно — 500 с лишним миллионов лет назад. Так что высокую консервативность Hox-генов эти результаты, в общем, подтверждают. Но мы теперь наглядно видим, что она не абсолютна. У гипотетического «проточервя», являвшегося предком всех двусторонне-симметричных животных, набор Hox-генов был не таким, как у мыши или у мухи (хотя на волне первых открытий и можно было так подумать). Он был все-таки заметно проще. А его усложнение шло постепенно, в разных группах по-разному, через события, многие из которых нам теперь известны.

Работа генетиков из Констанца показывает, что детальное описание эволюционной судьбы отдельных генов может быть очень сюжетным, — не хуже, чем, например, анализ биографий исторических персонажей. В ближайшие годы, видимо, будет появляться всё больше и больше таких исследований, основанных на обширных базах данных и на применении самого современного программного обеспечения. Эволюционная генетика на наших глазах выходит на новый виток своего развития.

Источники: Stefanie D. Hueber, Jens Rauch, Michael A. Djordjevic, Helen Gunter, Georg F. Weiller, Tancred Frickey. Analysis of central Hox protein types across bilaterian clades: On the diversification of central Hox proteins from an Antennapedia/Hox7-like protein // Developmental biology (2013, препринт).

Сергей Ястребов


05 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

У губок обнаружена генная сеть, которая могла бы управлять развитием глаз

Губки — самые примитивные многоклеточные животные. Тем не менее у них найдено два гена, которые участвуют у большинства других животных в развитии глаз. И хотя функции этих генов другие (они,

Выявлен белок, отвечающий за своевременное включение генов у эмбрионов

Ранние этапы эмбрионального развития животных идут под контролем материнских генов, а гены самого эмбриона остаются выключенными. Переломным моментом является «переход от материнского типа экспрессии
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Камеры заднего видаКалькулятор тарифов Яндекс на таксиОсновные преимущества керамической плиткиАвтосвет, нюансы ремонта и обслуживанияЭкстрасенсы помогают следствию в раскрытии преступленийВьетнамские дети попрыгали через мертвую змею вместо скакалкиСамостоятельные путешествия, что важно знатьНа реке Генхе в Китае появился редкий вращающийся ледяной диск