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

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


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

Рис. 1. Пресноводная губка Ephydatia muelleri. Рисунок с сайта www.projectnoah.org


Губки — по мнению многих ученых, самые примитивные многоклеточные животные. Тем не менее у них найдено два гена (они называются Pax и Six), которые участвуют у большинства других животных в развитии глаз. Конечно, у губок функции этих генов другие: они, например, контролируют дифференцировку жгутиковых клеток. Тем не менее исследование показало, что эти гены губки даже взаимодействуют между собой так же, как если бы они участвовали в развитии глаза какого-то более сложного животного. Это означает, что генные механизмы, обеспечивающие у животных развитие глаз, эволюционно возникли намного раньше, чем сами глаза.

Губки — пожалуй, самые простые многоклеточные животные. У них нет ни нервных клеток, ни мышц, ни рта, ни кишечника, ни сосудов. Любая взрослая губка — сидячий организм. Ее тело пронизано порами и каналами, через которые течет вода, а из воды отфильтровываются питательные частицы. До середины XVIII века губок вообще считали растениями. Только в 1765 году английский естествоиспытатель Джон Эллис (John Ellis), тщательно наблюдая за губками, показал, что они могут активно менять диаметр своих пор, и сделал вывод, что они — животные.

По современным представлениям, губки занимают самое основание эволюционного древа многоклеточных животных (рис. 2). Есть даже популярная гипотеза, что все другие животные именно от них и произошли (см.: Nielsen, 2008. Six major steps in animal evolution: are we derived sponge larvae?). Во всяком случае, эта группа — очень древняя. Первые губки появились более 630 миллионов лет назад, когда подавляющего большинства других многоклеточных животных еще не существовало (см.: Животные появились свыше 635 миллионов лет назад, «Элементы», 09.02.2009).


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

Рис. 2. Эволюционное древо животных. Choanoflagellates — воротничковые жгутиконосцы, ближайшие одноклеточные родичи многоклеточных животных. Sponges — губки. Cnidarians — кишечнополостные. Bilaterians — двусторонне-симметричные животные. Metazoa — многоклеточные животные. Eumetazoa — настоящие многоклеточные животные, то есть все животные с нервной системой. Urmetazoa — гипотетическое первое многоклеточное животное, Ureumetazoa — гипотетическое первое настоящее многоклеточное, и Urbilateria — гипотетическое первое двусторонне-симметричное животное; немецкая приставка ur- означает «изначальный» или «исходный». Ветвь губок обведена пунктиром, потому что ее систематический статус до сих пор спорен. С сайта www.sars.no, с изменениями


Губки — один из первых природных «экспериментов» по созданию многоклеточности. Ясно, что в многоклеточном теле клетки приобретают новые свойства, которые одноклеточным просто не нужны. Во-первых, клетка должна уметь создавать контакты с другими клетками, во-вторых, она должна знать, как ей дифференцироваться (хоть губки и устроены относительно просто, но разных типов клеток у них не меньше пяти). Этим целям служат новые, характерные только для многоклеточных животных белки и гены. Таких белков и генов известны сотни. Изучая их на примере губок, можно многое узнать о том, как механизмы многоклеточности эволюционно возникали.

Группа ученых из Ричмондского университета (University of Richmond) решила исследовать некоторые «гены многоклеточности» у пресноводной губки Ephydatia muelleri (рис. 1). В первую очередь их интересовала работа генов в ее индивидуальном развитии. Пресноводные губки обычно размножаются геммулами — покоящимися почками (рис. 3). Геммула представляет собой шаровидное скопление клеток, покрытое сложной оболочкой. Она образуется внутри тела губки; когда осенью губка погибает, геммула падает на дно и сохраняется до весны. Весной находящаяся внутри геммулы клеточная масса выползает наружу, прикрепляется и постепенно образует новую губку. Наблюдать за этим процессом можно и в лаборатории.


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

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

Рис. 3. Геммула и начало развития губки из нее. Спикулы — элементы минерального скелета губки, в данном случае укрепляющие оболочку геммулы. Спонгин — структурный белок, тоже участвующий в образовании скелета. Микропиле — отверстие в оболочке геммулы, через которое выползают клетки. Из книги: Рупперт Э., Фокс Э., Барнс Р. Зооология беспозвоночных: функциональные и эволюционные аспекты. М., 2008


Предметом исследования стали два гена, работа которых у более сложно устроенных животных связана с развитием органов чувств. Они называются Pax и Six. Эти гены достаточно хорошо известны генетикам; они, в частности, очень важны для развития глаз у всех, у кого глаза вообще есть (см. Найдена генетическая причина отсутствия хрусталика у наутилуса, «Элементы», 10.06.2013). Надо заметить, что и Pax, и Six — это не единичные гены, а целые генные семейства (семейством называется группа генов, эволюционно происходящих от одного гена-предка). Например, у млекопитающих есть девять Pax-генов и шесть Six-генов.

В отличие от большинства животных, у губок есть всего один ген Pax и один ген Six. Задачей исследователей было узнать, во-первых, в каких клетках эти гены проявляют активность, и во-вторых — взаимодействуют ли они между собой.

Выяснилось, что синтез продуктов генов Pax и Six начинается у губки очень рано — уже на стадии первоначального выползания клеток из геммулы. Клетки в этот момент, конечно, еще не дифференцированы. В дальнейшем активность этих генов наблюдается в нескольких разных типах клеток, в том числе в хоаноцитах (см. Choanocyte) — жгутиковых клетках, выстилающих внутренние полости тела губки; видимо, гены Pax и Six важны для их дифференцировки. Если же эти гены искусственно «заглушить» (исследователи сделали это методом РНК-интерференции), то нарушается развитие системы пронизывающих губку каналов.

Самый же интересный результат заключается в том, что если «заглушить» только ген Pax, то и уровень активности гена Six тоже падает. Значит, между этими генами в норме есть взаимодействие: продукт гена Pax вызывает включение гена Six.

Современная биология развития отлично знакома с явлением генных сетей (gene regulatory networks, сокращенно GRN; см., например: Levine, Davidson, 2005. Gene regulatory networks for development). Генная сеть — это схема взаимодействий между генами, которые через свои продукты или усиливают, или ослабляют активность друг друга. Ее можно изобразить графически, обозначив взаимодействия просто стрелочками. Одна из таких генных сетей управляет у многоклеточных животных развитием глаз. У разных животных она выглядит по-разному, но вот влияние продуктов генов Pax на включение генов Six входит в нее непременно: такие «стрелочки» есть, например, и у мухи-дрозофилы, и у человека (рис. 4). Получается, что у губок найдены не только отдельные гены, которые обеспечивают у более сложно устроенных животных развитие глаз, но даже и фрагмент генной сети, в этом участвующей.


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

Рис. 4. Генная сеть, управляющая развитием глаза у человека. Cочетания букв обозначают гены, черные острые стрелки — активирующие воздействия, красные тупые стрелки — тормозящие. В правой части схемы мы видим, что один из генов Pax (в данном случае Pax6) активирует один из генов Six (в данном случае Six3). Из статьи: Gregory-Evans et al. Gene networks: dissecting pathways in retinal development and disease // Progress in Retinal and Eye Research. March 2013. V. 33. P. 40–66


Почему эти наблюдения так важны? Десять-пятнадцать лет назад биологи были буквально потрясены открытием генов, которые управляют развитием глаз у всех зрячих животных. Самая важная часть этого утверждения — «у всех». Например, ген Pax6 запускает развитие глаз и у мухи-дрозофилы, и у человека. Но ведь камерные глаза позвоночных совершенно не похожи на фасеточные глаза насекомых! Даже светочувствительные клетки устроены там по-разному. Неужели они все-таки имеют общее происхождение? В самом начале XXI века многие биологи стали считать именно так, рассуждая прямолинейно: раз глаза насекомых и позвоночных контролируются одними и теми же генами, значит, всё это унаследовано от общего предка, у которого глаза уже были. Вообразить такого общего предка, правда, было довольно трудно, но некоторым это удавалось (рис. 5).


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

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

Рис. 5. Гипотеза сложного предка двусторонне-симметричных животных. На схеме изображено гипотетическое древнейшее двусторонне-симметричное животное (Urbilateria), от которого происходят первичноротое (Protostome) и вторичноротое (Deuterostome); к ветви первичноротых относятся, в частности, насекомые, к ветви вторичноротых — позвоночные. Древнейшее двусторонне-симметричное животное изображено уже имеющим сегментацию, сложную нервную систему, усики и крупные глаза. Из статьи: E. M. De Robertis. The molecular ancestry of segmentation mechanisms // PNAS. October 28, 2008. V. 105. P. 16411–16412


Наличие у губок генетического пути Pax/Six является сильнейшим доводом против этой гипотезы. У губок нет нервной системы и, по всем данным, никогда не было. Соответственно, глаз у них тоже быть не может. Открытие у губок генов Pax и Six равносильно доказательству, что первоначально эти гены служили не для контроля развития глаз, а для чего-то другого. Причем теперь мы видим, что «для чего-то другого» могли служить не только отдельные гены, но и куски генных сетей.

Что касается глаз насекомых и позвоночных, то они, видимо, все-таки не имеют общего происхождения (разве что на уровне одноклеточных фоторецепторов). Иное дело, что для развития сложных глаз были в разных случаях использованы одни и те же древние гены. В современной литературе такой тип сходства между органами называют глубокой гомологией (deep homology; см. также: Shubin et al., 2009. Deep homology and the origins of evolutionary novelty). Если же воспользоваться более традиционной терминологией, можно сказать, что в случае с эволюцией глаз мы, скорее всего, видим типичный параллелизм — независимое возникновение сходных органов на общей наследственной основе. Благодаря губкам эта наследственная основа теперь точно известна.

Источник: A. Rivera, I. Winters, A. Rued, S. Ding, D. Posfai, B. Cieniewicz, K. Cameron, L. Gentile, A. Hill. The evolution and function of the Pax/Six regulatory network in sponges // Evolution & Development. 2013. V. 15. P. 186–196.

Сергей Ястребов


05 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

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 будущегоДостоинства ИБП марки ApcКак алкоголь вредит печени?5 крупных палеонтологических открытий 2019 годаНайден способ восстановить зубную эмаль"Рога дьявола" взошли над КатаромОчень детальное изображение Луны, собранное из 100 тыс. фотографий«Хаббл» заснял галактику-гиганта