Геном актинии оказался почти таким же сложным, как у человека

Геном человека оказался в целом гораздо больше похож на геном актинии (на фото — актиния Nematostella), чем геномы мухи и червя. Фото с сайта genome.jgi-psf.org

Прочтение генома актинии показало, что важнейшие генетические новации в эволюции многоклеточных животных произошли на самых ранних ее этапах. Последний общий предок актинии, человека и мухи, по-видимому, жил около 700 млн лет назад и уже обладал весьма сложным геномом. Базовая генетическая «программа», руководившая развитием первых животных, оказалась настолько удачной и гибкой, что последующая прогрессивная эволюция животных обеспечивалась в основном изменениями ее «настроек», а не «архитектуры».

Американские ученые сообщили о «черновом» прочтении генома актинии Nematostella, представителя книдарий (Cnidaria), куда относятся также коралловые полипы, гидры и медузы. Выбор этого объекта определялся в первую очередь его «стратегическим» положением у самого основания эволюционного древа животных.

Если не учитывать ряд маленьких недостаточно изученных групп, то самыми примитивными животными можно назвать губок, у которых еще нет настоящих тканей, нервной системы и кишечника. Губки противопоставляются всем прочим животным — так называемым «настоящим многоклеточным животным» (Eumetazoa). Среди этих последних самыми примитивными считаются книдарии. В пределах Eumetazoa книдарии и гребневики («радиально симметричные животные») противопоставляются билатерально-симметричным (Bilateria). К билатериям относятся все прочие животные от жуков и червей до морских звезд и человека.

Генетические исследования последних лет показали, что традиционные представления о примитивности книдарий, скорее всего, сильно преувеличены. В частности, оказалось, что у них, как и у высших животных, есть Hox-гены, которые в ходе индивидуального развития задают полярность зародыша и определяют план строения, в котором явно проступают черты билатеральной симметрии. Это подтвердило старую гипотезу, согласно которой общий предок Eumetazoa был двусторонне-симметричным животным. Для того чтобы составить более полное представление об этом предке, было необходимо прочесть геном представителя книдарий и сравнить его с известными геномами билатерий.

Исследователи прочли пока около 95% генома актинии. Геном состоит из 15 пар хромосом, имеет размер около 450 млн пар оснований (в 100 раз больше, чем у кишечной палочки, и в 6 раз меньше, чем у человека) и содержит примерно 18 000 белок-кодирующих генов, что вполне сопоставимо с другими животными. Мобильные генетические элементы (транспозоны и ретротранспозоны) составляют 25% генома (вдвое меньше, чем у млекопитающих).

Для каждого гена актинии исследователи пытались найти аналоги в геномах билатерий: человека, дрозофилы, круглого червя, рыбы и лягушки. Если аналог (то есть похожий ген) находился, исследователи делали вывод, что соответствующий ген имелся у общего предка Eumetazoa. Таким образом удалось составить довольно полное представление о генном репертуаре этого загадочного предка.

Оказалось, что репертуар этот был весьма широк и включал не менее 7766 генных семейств, сохранившихся и у книдарий, и у билатерий. Человек унаследовал не менее 2/3 своих генов от общего с актинией предка; сама актиния — примерно столько же. Муха и круглый червь унаследовали от общего предка с актинией лишь 50% и 40% генов соответственно.

Выяснилось, что в эволюционных линиях позвоночных и книдарий было потеряно меньше исходных генов и меньше приобретено новых, чем в линии, ведущей к круглым червям и насекомым. Однако нужно иметь в виду, что применяемые методики не позволяли отличить действительную потерю гена от его изменения «до неузнаваемости». Поэтому в целом можно лишь заключить, что в линии позвоночных геном изменился меньше, чем в линии первичноротых, куда относятся муха и червь. Одним из следствий этого является следующий неожиданный факт: геном человека оказался в целом гораздо более похожим на геном актинии, чем геномы мухи и червя. Сходство затрагивает не только набор генов, но и порядок их расположения в хромосомах.

Около 80% генов общего предка Eumetazoa имеют явные аналоги за пределами животного царства — это значит, что они были унаследованы животными от одноклеточных предков (хоанофлагеллят, или воротничковых жгутиконосцев). Получается, что геном на удивление мало изменился при становлении животного царства. Среди оставшихся 20% генов, аналогов которых нет у одноклеточных, имеется большое число ключевых регуляторов развития. Примерно четверть этих новых генов (то есть 5% от общего числа) содержат участки или функциональные блоки (домены), встречающиеся у одноклеточных, но в других комбинациях. Это указывает на один из основных путей создания новых генов: они формируются из старых путем перекомбинирования фрагментов.

Как и следовало ожидать, значительная часть «новых» генов Eumetazoa выполняет функции, непосредственно связанные с теми новшествами, которые появились у животных на организменном уровне. Это прежде всего гены, отвечающие за межклеточные взаимодействия и передачу сигналов, за перемещения клеток, регуляцию их деления и другие процессы, играющие ключевую роль в ходе индивидуального развития животных.

Пожалуй, самый главный вывод, который можно сделать на основе анализа генома актинии, состоит в том, что уже самые первые представители животного царства обладали весьма сложным и совершенным «набором рабочих инструментов», то есть генов, который позволил создать огромное разнообразие сложных многоклеточных организмов, внося лишь небольшие изменения в базовую программу развития.

На интуитивном уровне мы привыкли относиться к царству животных как к чему-то огромному и чуть ли не бесконечно разнообразному. Но в последнее время всё больше появляется фактов, которые показывают, что в действительности животные (Metazoa) представляет собой весьма специфическую, компактную и генетически однородную группу организмов. Прочтенный геном актинии добавляет в эту копилку свои пять копеек.

По-видимому, «генеральная идея», на которой основаны строение и эволюция животных, состоит в том, что благодаря деятельности ряда ключевых генов — регуляторов развития (в том числе Hox–генов) между делящимися клетками складывается сложная система взаимоотношений, клетки обмениваются сигналами, градиенты концентраций регуляторных белков задают симметрию и план строения развивающегося организма, и все эти факторы вместе направляют процесс самоорганизации, самосборки сложного многоклеточного существа из генетически идентичных (то есть изначально одинаково «запрограммированных») клеток.

Необходимо помнить, что геном работает не на уровне организма, а на уровне клетки; по сути дела, он реально «кодирует» лишь биохимию и поведение одной клетки. Базовая генетическая программа, имевшаяся уже у первых животных, оказалась столь удачной и гибкой, что дальнейшая эволюция животного царства — в том числе и прогрессивная эволюция, связанная с усложнением организма, — уже почти не требовала радикальных изменений самой программы. Достаточно было лишь небольших изменений в «настройках» (например, менялись регуляторные участки ДНК, от которых зависит тонкая настройка работы генов-регуляторов).

Наука пока еще не очень далеко продвинулась в понимании процессов самоорганизации, составляющих основное содержание онтогенеза (индивидуального развития) животных. Отсюда и трудности в понимании путей и механизмов эволюции животного мира. О том, как теоретики-эволюционисты пытаются преодолеть эти трудности и в какие дебри их при этом порой заносит, заинтересованный читатель может узнать из обзора «Эпигенетическая теория эволюции» и из дискуссии «Универсальный геном Metazoa» на форуме сайта «Проблемы эволюции».

Источник: Nicholas H. Putnam et al. Sea Anemone Genome Reveals Ancestral Eumetazoan Gene Repertoire and Genomic Organization // Science. 2007. V. 317. P. 86–94.

См. также:
1) М. А. Федонкин. The Origin of Metazoa in the light of the Proterozoic fossil record (о древнейших следах животных в палеонтологической летописи).
2) Новости о геномных исследованиях на «Элементах».

Александр Марков

Последние новости: Генетика, Эволюция, Александр Марков

24 мая Слуховая кора избирательно слышит то, к чему мы прислушиваемся

22 мая Ген, улучшающий память, заодно повышает и риск посттравматического стрессового растройства

19 мая Эволюция видов в сообществе идет не так, как в монокультуре

17 мая Самки рыб-чистильщиков ведут себя вежливее с незнакомцами, чем с давними приятелями

15 мая Обилие редких мутаций в генофонде человечества существенно превышает современные оценки

26 апреля Сегменты у насекомых развиваются по часам

25 апреля Злокачественные опухоли и их метастазы не только растут, но и активно изменяются независимо друг от друга

24 апреля Личинки губок видят нетрадиционным способом

23 апреля Искусственные полимеры могут хранить генетическую информацию

18 апреля Дрожжи занимаются сексом не от хорошей жизни

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):