» » У одноклеточных организмов есть ген, способный управлять развитием хорды

У одноклеточных организмов есть ген, способный управлять развитием хорды


У одноклеточных организмов есть ген, способный управлять развитием хорды

Рис. 1. Capsaspora owczarzaki (слева) — одноклеточный эукариот, живущий в качестве симбионта в крови южноамериканской пресноводной улитки Biomphalaria glabrata (справа). Капсаспора — это одноклеточный организм с ложноножками, то есть амеба. Первое изображение с сайта ake.blog.mongenie.com, второе — с сайта www.redbubble.com


Биологам развития давно известен ген Brachyury, продукт которого регулирует у животных развитие первичного эмбрионального рта (бластопора), среднего зародышевого листка (мезодермы), а у представителей типа хордовых — хорды. Долгое время считалось, что ни у кого, кроме многоклеточных животных, гена Brachyury нет. Но теперь известно, что этот ген есть у многих одноклеточных организмов и грибов; по-видимому, наличие генов, подобных Brachyury, является общим уникальным признаком эволюционной ветви заднежгутиковых (Opisthokonta), к которой относятся многоклеточные животные, грибы и их одноклеточные родственники. Причем функция этого гена очень стабильна: экспериментально показано, что продукт гена Brachyury, взятый от амебы Capsaspora, способен участвовать в развитии лягушки.

«Регуляция транскрипции — центральный аспект развития животных». Такой фразой начинается новая статья об эволюции регуляторных генов, среди авторов которой — известный испанский протистолог Иньяки Руис-Трильо (Inaki Ruiz-Trillo). Действительно, развитие организма животного непосредственно управляется генами на всех стадиях, кроме самых ранних (см.: Нужны ли эмбрионам гены?, «Элементы», 08.05.2007). Транскрипция — это синтез продукта гена (информационной РНК, на основе которой потом синтезируется белок). Проще говоря, когда ген транскрибируется, он включен, когда нет — выключен. В каждой клетке есть продукты генов, которые в ней «включены», и нет (как правило) продуктов генов, которые в ней «выключены»; этим, собственно, и определяются различия между клетками в многоклеточном организме.

Проблема в том, что продуктов разных генов для развития целого животного нужно очень много. Включить все эти гены сразу нельзя. Они последовательно включают друг друга, действуя через свои конечные продукты — белки (рис. 2).


У одноклеточных организмов есть ген, способный управлять развитием хорды

Рис. 2. Схема действия факторов транскрипции. Продуктом гена X является сначала информационная РНК (mRNA), а потом — белок (красный шарик), являющийся фактором транскрипции (transcription factor). Этот белок взаимодействует с регуляторными участками генов A, B, C, D и E. В результате транскрипция генов A, B, C и E запускается, а транскрипция гена D, наоборот, блокируется. При этом конечные продукты генов A, B, C, E (белки, обозначенные фиолетовым, синим, зеленым и розовым шариками) тоже могут быть факторами транскрипции. В частности, какой-то из них вполне может влиять и на транскрипцию гена X — это будет называться обратной связью. Иллюстрация с сайта scienceblogs.com


Таким образом, чтобы узнать, как устроено чье-то индивидуальное развитие, надо в первую очередь узнать, как в нем включаются и выключаются гены. По крайней мере, такая точка зрения сейчас весьма распространена; именно ее и выражает процитированная фраза из статьи. Хорошо это или плохо, но современная биология развития животных очень «геноцентрична»: зачастую в ней всё развитие рассматривается как последовательность взаимосвязанных актов транскрипции.

Белок, функцией которого является включение или выключение генов, обычно называют фактором транскрипции. Гены — это участки молекулы ДНК, поэтому белок — фактор транскрипции должен «уметь» связываться с ДНК. Для этого служит специальный участок белковой молекулы — ДНК-связывающий домен (DNA-binding domain).

Есть разные типы ДНК-связывающих доменов. Самый широко известный из них называется гомеодоменом; это — специфический участок из 60 аминокислот, присутствующий во многих регуляторных белках и у животных, и у растений. Гены, кодирующие гомеодомен-содержащие белки, называются гомеобоксными (гомеобокс — это участок гена, который кодирует гомеодомен). К гомеобоксным генам относится много разных генов, регулирующих через свои продукты эмбриональное развитие организмов, в том числе и распространенные у животных Hox-гены (см., например: Новое в науке о знаменитых Hox-генах, регуляторах развития, «Элементы», 10.10.2006).

Другой важный тип ДНК-связывающего домена называется T-бокс (T-box). Это участок белка, состоящий из 180–200 аминокислот, который тоже «умеет» специфически связываться с ДНК, хотя и делает это иначе, чем гомеодомен. Гены, кодирующие белки с T-боксом, так и называют Т-боксными (см., например: Naiche et al., 2005. T-box genes in vertebrate development). Эти гены свойственны животным. Их продукты принимают участие в регуляции развития сердца, конечностей, мозга и многих других органов.

Особое внимание эволюционных биологов уже давно привлек Т-боксный ген, который называется Brachyury. Области активности этого гена находятся, во-первых, вокруг первичного эмбрионального рта (бластопора) и, во-вторых, в среднем слое зародышевых клеток (мезодерме), причем в основном в тех частях мезодермы, из которых возникают осевой скелет, мускулатура и стенки целома — вторичной полости тела. А поскольку этот ген есть у самых разных животных, то между ними возможны интересные сравнения. Например, данные о работе гена Brachyury у коралловых полипов подтверждают так называемую энтероцельную теорию происхождения целома, согласно которой целомические полости высших многоклеточных эволюционно возникли из выростов кишечника (см.: Technau, Scholtz, 2003. Origin and evolution of endoderm and mesoderm).

Ген Brachyury исключительно важен для развития самой древней части скелета позвоночных — хорды. Последняя далеко не у всех позвоночных сохраняется во взрослом состоянии, но у зародышей есть обязательно; без хорды не могут нормально развиться ни мозг, ни позвоночник. Кроме того, у человека иногда встречается опухоль, состоящая из хордоподобной ткани, — хордома. В клетках хордомы ген Brachyury активен, как в клетках зародышевой хорды; причем это выражено настолько хорошо, что является для данного типа опухоли диагностическим маркером.

Все перечисленные функции Т-боксных генов относятся только к многоклеточным животным и ни для кого другого не имеют смысла. Действительно, у одноклеточных нет ни сердца, ни конечностей, ни мозга, ни рта, ни целома, ни хорды. Регулировать с помощью этих генов там вроде бы нечего. Для исследователей было вполне естественно предположить, что Т-боксные гены, как и многие другие гены с подобными функциями, возникли приблизительно одновременно с многоклеточностью. У самых примитивных многоклеточных животных — губок — они уже есть.

Однако три года назад, в 2010 году, Т-боксный ген был обнаружен у амебы Capsaspora owczarzaki (рис. 1), которая является одноклеточным организмом и к животным никак не принадлежит. И примерно тогда же выяснилось, что Т-боксные гены есть у некоторых грибов. Итак, эти гены для многоклеточных животных не уникальны. Но у кого же все-таки они есть, а у кого нет?

Чтобы разобраться в этом, группа исследователей из Испании, США и Канады предприняла поиск по всем описанным геномам (наборам генов) и транскриптомам (наборам продуктов генов) растений, грибов, жгутиконосцев и всех других эукариот, то есть организмов с клеточными ядрами. Результаты оказались следующими:


1. Т-боксные гены и их белки есть у некоторых амеб и у большинства известных представителей группы Mesomycetozoea, состоящей из имеющих сложные жизненные циклы амебообразных родственников животных (см.: Ядра мезомицетозоев делятся синхронно, как у зародышей животных, «Элементы», 05.06.2013). Также эти гены есть у многих грибов, хотя и не у всех.


2. У воротничковых жгутиконосцев (Choanoflagellata), которые считаются ближайшими одноклеточными родственниками животных, T-боксных генов нет. Также их нет у высших грибов (Dikarya), к которым относятся, в частности, хорошо нам знакомые шляпочные грибы.


3. Все без исключения организмы, у которых найдены T-боксные гены, принадлежат к группе заднежгутиковых (Opisthokonta). Это огромная ветвь эукариот, к которой относятся многоклеточные животные, воротничковые жгутиконосцы, мезомицетозои, грибы и некоторые амебы. У «не-заднежгутиковых» эукариот (например, у растений) найти Т-боксные гены не удалось. Видимо, это общий и уникальный признак группы Opisthokonta.


4. Из положения воротничковых жгутиконосцев и высших грибов на эволюционном древе следует, что эти группы, скорее всего, когда-то тоже имели Т-боксные гены, но потом потеряли их (рис. 3).


У одноклеточных организмов есть ген, способный управлять развитием хорды

У одноклеточных организмов есть ген, способный управлять развитием хорды

Рис. 3. Т-боксные гены на эволюционном древе. Bilateria — двусторонне-симметричные животные, Cnidaria — кишечнополостные, Placozoa — пластинчатые, Ctenophora — гребневики, Porifera — губки, Choanoflagellata — воротничковые жгутиконосцы, Ichthyosporea — синоним Mesomycetozoea (см. текст), Fungi — грибы. Столбцы — разные группы Т-боксных генов; в первом столбце указано общее число Т-боксных генов у данной группы организмов. Остальные пояснения в тексте. Схема из обсуждаемой статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences


Более того, и у мезомицетозоев, и у амебы Capsaspora Т-боксных генов уже несколько — как у многоклеточных животных (рис. 3). Здесь эволюция успела зайти достаточно далеко: на основе одного гена возникло целое генное семейство. Интересно, что по этому признаку мезомицетозои и Capsaspora оказываются гораздо ближе к многоклеточным животным, чем воротничковые жгутиконосцы, которые традиционно считаются их ближайшими родственниками или даже предками.

А самым древним T-боксным геном оказался тот самый ген Brachyury, продукт которого регулирует у животных развитие бластопора и мезодермы. Он есть у всех, у кого вообще есть хоть какие-то Т-боксные гены. Если у кого-то (у плесневого гриба, например) Т-боксный ген всего один, то это ген Brachyury. Все остальные Т-боксные гены эволюционно произошли именно от него.

Изменилась ли функция этого гена на эволюционном пути от одноклеточных существ до животных? В Институте эволюционной биологии в Барселоне (Institut de Biologia Evolutiva, IBE) решили проверить это экспериментально. Для исследования были взяты два организма: уже упомянутая амеба Capsaspora owczarzaki и давний, заслуженный объект биологии развития — шпорцевая лягушка Xenopus laevis.

Сначала действие гена Brachyury в зародыше лягушки заблокировали методом искусственной РНК-интерференции. Это привело к вполне ожидаемому результату: процесс образования мезодермы у лягушки нарушился, осевые мышцы оказались недоразвиты. Но если вовремя ввести в такой зародыш информационную РНК Brachyury, полученную от капсаспоры, эти нарушения частично компенсируются (рис. 4). Продукты генов Brachyury капсаспоры и лягушки настолько близки по структуре, что являются взаимозаменяемыми! Такая консервативность функции регуляторного гена — от амебы до позвоночного животного — даже на фоне наших современных знаний выглядит выдающейся. Особенно если учесть, что общий предок капсаспоры и лягушки, от которого оба унаследовали ген Brachyury, жил, скорее всего, более миллиарда лет назад (см.: Parfrey et al., 2011. Estimating the timing of early eukaryotic diversification with multigene molecular clocks).


У одноклеточных организмов есть ген, способный управлять развитием хорды

У одноклеточных организмов есть ген, способный управлять развитием хорды

Рис. 4. Блокирование гена Brachyury и его компенсация. В верхнем ряду слева — нормальный зародыш лягушки. В центре — зародыш, где действие гена Brachyury заблокировано антисмысловой РНК (Xbra En). Справа — зародыш, где блокирование эффекта гена Brachyury частично скомпенсировано введением информационной РНК Brachyury самой лягушки (Xbra). Фотографии в нижнем ряду — зародыши, где блокирование эффекта гена Brachyury частично скомпенсировано введением информационной РНК гена Brachyury капсаспоры (слева) или гена Tbx3 капсаспоры (справа); последний ген тоже является Т-боксным. При компенсации степень уродства меняется с тяжелой (severe) на легкую (mild); Wt — дикий тип, то есть норма. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences


Вместе с тем нельзя сказать, что функции Т-боксных генов у одноклеточных организмов и у многоклеточных животных совершенно одинаковы. Например, у лягушки продукт гена Brachyury оказывает сильное активирующее действие на ген Wnt11, гораздо более слабое — на ген Sox17 и вовсе не влияет на ген chordin (который, однако, активируется продуктом другого Т-боксного гена). А вот если ввести лягушке продукт гена Brachyury, полученный от капсаспоры, то выясняется, что он одинаково действует на все три гена-мишени: специфичность здесь еще не выработалась, и разделение функций не произошло. Механизмы действия Т-боксных генов не даны раз навсегда: они эволюционируют, просто очень медленно. В эволюции животных наглядно видно, как возникающие в этом семействе новые гены «делят» разные функции между собой.

Итак, ген Brachyury — это один из самых древних генов, регулирующих развитие многоклеточных животных (см., например: Hox-гены оказались более эволюционно изменчивы, чем предполагалось раньше, «Элементы», 12.10.2013). Этому гену больше миллиарда лет. Остается открытым очень интересный вопрос: на какие же, собственно, физиологические процессы может влиять у амеб и у грибов ген, который у позвоночных животных (к примеру) ответственен за развитие хорды и осевых мышц? Вероятно, скоро мы это узнаем.

Источник: Arnau Sebe-Pedros, Ana Ariza-Cosano, Matthew T. Weirauch, Sven Leininger, Ally Yang, Guifre Torruella, Marcin Adamski, Maja Adamska, Timothy R. Hughes, Jose Luis Gomez-Skarmeta and Inaki Ruiz-Trillo. Early evolution of the T-box transcription factor family // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2013. V. 110. №. . P. 16050–16055.

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,

Для успешного размножения мышам достаточно из Y-хромосомы всего двух генов

Исследователи из Гавайского университета продемонстрировали, что половые клетки самцов мышей, имеющих лишь два гена из всей Y-хромосомы, можно успешно использовать для искусственного оплодотворения.
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Как выглядит заброшенный город будущегоКак алкоголь вредит печени?Достоинства ИБП марки Apc5 крупных палеонтологических открытий 2019 годаНайден способ восстановить зубную эмальВ Швейцарии изобрели похожего на насекомое роботаПредсказания Ванги на 2020 годКраски древнего мира: лазурит