Уникальность плана строения иглокожих связана с перестановкой Hox-генов

Рис. 1. Амбулакральные ножки морской звезды Asterias rubens. Фотография Александра Семенова с сайта behance.net

Иглокожие — представители группы двусторонне-симметричных животных, сменившие симметрию взрослой стадии на лучевую. При этом систему гомеозисных генов, регулирующих становление отделов тела, иглокожие, разумеется, унаследовали от своих предков, имевших нормальную двустороннюю симметрию. Не следует ли ожидать, что с этими генами у них произошло что-то необычное? И действительно, в одной из самых важных групп регуляторных генов — кластере Hox — у иглокожих обнаружен разрыв с перестановкой. Насколько можно судить, эта особенность свойственна всем иглокожим, и только им. Очевидно, она несколько затрудняет становление двусторонне-симметричного тела, а вот становлению радиально-симметричного, возможно, как раз способствует.

Иглокожие — тип, к которому относятся морские звезды, морские ежи, морские лилии, офиуры, голотурии и некоторые менее широко известные животные, например морские маргаритки (см. В. В. Малахов, 2001. Новые группы беспозвоночных животных). Группа эта разнообразная, древняя, хорошо палеонтологически изученная. Именно палеонтологией иглокожих занимается, например, главный герой знаменитого романа Фаулза «Женщина французского лейтенанта», действие которого происходит еще в 1867 году. Некоторые ученые даже думали, что именно иглокожие являются предками позвоночных (см. R. P. S. Jefferies et al., 1996. The Early Phylogeny of Chordates and Echinoderms and the Origin of Chordate Left–Right Asymmetry and Bilateral Symmetry). И хотя современные данные — во всяком случае, генетические — такую гипотезу не подтверждают, иглокожие и сами по себе очень интересны. Наиболее ярких особенностей у них, пожалуй, две:

• Лучевая симметрия. Ближайшие родственники иглокожих — полухордовые и хордовые — это типичные двусторонне-симметричные животные: у них есть правая и левая сторона, передний и задний конец, спина и брюхо. Личинки иглокожих тоже двусторонне-симметричны. Наверняка такими были и их эволюционные предки. Но у взрослых современных иглокожих симметрия радиальная (лучевая), с лучами, расходящимися от оси; например, у морской звезды таких лучей обычно пять. Это — относительно позднее эволюционное приобретение, связанное, скорее всего, с тем, что предок иглокожих прошел стадию сидячего образа жизни. Ведь для животного, которое прикреплено ко дну, разница между передом и задом не имеет значения — все стороны равноценны.
• Воднососудистая система. Тело иглокожего пронизано сложной системой каналов, заполненных прозрачной жидкостью (фактически просто морской водой). Эта система называется амбулакральной, или воднососудистой. Выросты амбулакральной системы образуют множество маленьких ножек с присосками, торчащих из тела животного наружу (рис. 1); меняя давление жидкости в этих ножках, их можно заставлять вытягиваться и втягиваться. Взрослые иглокожие активно используют амбулакральные ножки для передвижения. Такой гидравлический механизм есть только у иглокожих, это уникальная особенность их типа. Интересно, что вся амбулакральная система представляет собой разрастание целомической, или вторичной, полости тела.

Ранняя личинка иглокожих называется диплеврулой. Это маленькое полупрозрачное существо, в теле которого имеется, как правило, три пары целомических полостей (рис. 2). Амбулакральная система взрослого иглокожего образуется из второго левого целома.

Рис. 2. А — ранняя личинка иглокожих (диплеврула). Иллюстрация из статьи: В. В. Малахов, 1996. Происхождение хордовых животных. B — более поздняя личинка морской звезды (бипиннария). Фотография Жана Парментье (Jan Parmentier) с сайта microscopy-uk.org.uk

Итак, мы знаем, что иглокожие — это двусторонне-симметричные животные, которые под влиянием особого образа жизни резко изменили форму тела, став вторично радиально-симметричными. С другой стороны, сейчас хорошо известно, что форма любого двусторонне-симметричного животного (червяка, сороконожки, ящерицы...) возникает в результате согласованной работы довольно большого числа гомеозисных генов, продукты которых специально предназначены для «разметки» разных отделов двусторонне-симметричного тела. Естественно, исследователи пожелали узнать, что творится с этими генами у иглокожих.

Гомеозисных генов сейчас известно много десятков. Как правило, они группируются в генные семейства, объединяемые общим происхождением. Для формообразования тела двусторонне-симметричных животных особенно важна работа генов семейства Hox, которое обладает следующими особенностями:

• Активность (экспрессия) Hох-генов в клетках зависит от отдела тела. Как правило, она усиливается спереди назад. То есть чем больше порядковый номер сегмента, тем больше Hox-генов в нем экспрессируется (см. Программы работы Hox-генов у личинок и взрослых особей кольчатого червя принципиально отличаются, «Элементы», 27.05.2013).
• Нох-гены, как правило, располагаются в хромосомах поблизости друг от друга и в строго определенном порядке. Такая тесная упорядоченная группа генов называется кластером. Например, у ланцетника есть типичный Hox-кластер, в котором 15 генов расположены один за другим (см. Своим сердцем позвоночные обязаны полногеномной дупликации, «Элементы», 17.06.2013).
• Области активности Hox-генов, как правило, располагаются вдоль тела животного в том же порядке, в каком физически расположены сами гены в кластере. Это называется принципом коллинеарности (см. Hox-гены оказались более эволюционно изменчивы, чем предполагалось раньше, «Элементы», 12.10.2013). Общепризнанного объяснения этот принцип не имеет, но соблюдается он четко.
• Вблизи переднего конца тела любого двусторонне-симметричного животного есть зона, свободная от экспрессии Hox-генов. «Взамен» там экспрессируются гены семейства Otx. Например, у насекомых именно в этой зоне находятся усики, а у позвоночных — челюсти.

Биология — наука сравнительная. Чтобы узнать, как лучевая симметрия отразилась на Hox-генах иглокожих, стоило бы прежде всего найти животное, близкое к иглокожим, имеющее сходный план строения, но сохранившее исходную двустороннюю симметрию, и посмотреть, как устроен Hox-кластер у него. На наше счастье, такие животные существуют. Это — полухордовые, личинка которых очень похожа на личинку иглокожих, а взрослые особи двусторонне-симметричны.

Тело полухордовых делится на три отдела, соответствующих трем парам целомов личинки-диплеврулы. Третий отдел — самый длинный, он составляет большую часть длины взрослого полухордового, и Hox-гены экспрессируются только в нем. Передние отделы, в которых находятся 1-й и 2-й целомы, входят в зону, свободную от экспрессии Hox-генов. Самих Hox-генов у изученных полухордовых 12 штук; они расположены в кластере в строгом порядке, с соблюдением принципа коллинеарности. Такое состояние выглядит достаточно примитивным, и очень вероятно, что у предка иглокожих все было устроено очень похоже.

Рис. 3. Судьба Hox-кластеров в разных эволюционных ветвях вторичноротых (вторичноротые — группа типов, в которую входят иглокожие, полухордовые и хордовые). Mox, Evx — самостоятельные семейства гомеозисных генов, не обсуждаемые в тексте. Между ними находятся гены семейства Hox; бирюзовый, голубой и фиолетовый цвета обозначают разные группы внутри этого семейства. У полухордовых (Hemichordates) Hox-кластер содержит 12 генов без перестановок и разрывов. У ланцетника (Cephalochordates) — 15 генов без перестановок и разрывов. У позвоночных (Vertebrates) Hox-кластеров становится вместо одного четыре. У асцидий (Urochordates (ascidians)) Hox-кластер имеет разрывы. У аппендикулярий (Urochordates (larvaceans)) он вообще «атомизирован», то есть распался на отдельные гены. А у самых примитивных современных иглокожих — морских лилий (Crinoids) — мы видим, что отрезок, содержащий гены Hox1, Hox2 и Hox3, перенесен из начала кластера в его конец, да еще и перевернут! Такое положение сохраняется и у остальных иглокожих — морских звезд (Asteroids), офиур (Ophiuroids), голотурий (Holothuroids) и морских ежей (Echinoids); правда, в этих ветвях некоторые гены то ли потеряны, то ли пока не обнаружены. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в EvoDevo

Проблема в том, что Hox-кластер далеко не у всех животных остается единым и целым. Иногда он разрывается надвое (например, у мухи), иногда на несколько частей (например, у асцидии), а иногда и вообще «атомизируется», распадаясь на отдельные гены (см. Причина особенностей генома оболочников — детерминированность их эмбрионального развития, «Элементы», 01.06.2014). Согласованная экспрессия Hox-генов, протекающая точно по порядку (и с соблюдением принципа коллинеарности), в таких случаях нарушается. Не произошло ли у иглокожих чего-то подобного?

Да, по-видимому, произошло.

Надо сказать, что данные по генетике иглокожих до сих пор довольно отрывочны. Но в последнее время двое ученых — Бруно Давид (Bruno David) из Бургундского университета в Дижоне (Universite de Bourgogne) и Рич Мой (Rich Mooi) из Калифорнийской академии наук в Сан-Франциско (California Academy of Science) — собрали все данные о Hox-кластерах иглокожих, которые все-таки доступны, и получили довольно занимательную картину.

Выяснилось, что характерным признаком типа иглокожих является особая судьба генов Hox1, Hox2 и Hox3. Эти гены обычно находятся в начале Hox-кластера и — согласно принципу коллинеарности — должны экспрессироваться в самой передней части той зоны, где экспрессия Hox вообще есть. Однако у иглокожих отрезок Hox-кластера, содержащий гены Hox1–Hox3, почему-то переместился из начала кластера в его конец. Он оказался позади генов Hox11/13, которые у полухордовых являются самыми задними. Более того, этот отрезок еще и перевернут: гены в нем расположены в порядке Hox3-Hox2-Hox1, а не Hox1-Hox2-Hox3, как было бы в исходном состоянии. Таким образом, произошло сразу два события: транслокация (перемещение фрагмента хромосомы) и инверсия (его переворачивание).

Принцип коллинеарности при этом, конечно, не мог не нарушиться. Действительно, «классическая» экспрессия кластера Hox в области 3-й пары целомов теперь начинается не с гена Hox1, а в лучшем случае с гена Hox5 (даже не Hox4; судьба последнего пока не совсем ясна). Ну, а где же тогда работают гены Hox1, Hox2 и Hox3? Это частично известно. Они работают в передних отделах личиночного тела — там, где у других животных экспрессии Hox-генов нет вообще! Например, у морских звезд эти гены активны в 1-м и 2-м целомах и в околоротовом нервном кольце.

Рис. 4. Эволюция экспрессии. A — экспрессия Hox-генов у кишечнодышащих, относящихся к типу полухордовых. Протяженности областей экспрессии отдельных генов обозначены столбиками. Тело кишечнодышащего делится на три отдела, из которых экспрессия Hox-генов есть только в самом заднем, и то не на всем его протяжении: она начинается позади от первой жаберной щели (Gill Slit). Иллюстрация из статьи: J. Aronowicz, C. J. Lowe, 2006. Hox gene expression in the hemichordate Saccoglossus kowalevskii and the evolution of deuterostome nervous systems. B — изменения экспрессии Hox-генов у иглокожих. Древняя область экспрессии (синий цвет) охватывает только третий отдел тела, содержащий 3-ю пару целомов — как у полухордовых. После транслокации передних Hox-генов возникает новая область экспрессии (красный цвет) — в передних отделах тела, которые соответствуют 1-й и 2-й паре целомов. Эта область экспрессии для иглокожих уникальна. Схема составлена по материалам обсуждаемой статьи в EvoDevo

В результате, между прочим, неизбежно возникает довольно широкое перекрывание зон экспрессии Hox-генов и Otx-генов. Насколько можно судить, это — совершенно уникальная особенность, свойственная только развитию иглокожих. У всех других двусторонне-симметричных животных области экспрессии Otx и Hox четко разделены (см., например: Один из древнейших генов многоклеточных животных оказался ответственным за эпилепсию, «Элементы», 20.03.2014).

Более того, за транслокацией Hox1–Hox3 у продвинутых групп иглокожих следует целый каскад других изменений. Области экспрессии Hox4, Hox5 и Hox6 (которые транслокации не подверглись) тоже перемещаются далеко вперед, и продукты этих генов принимают на себя совершенно новые функции, включая, похоже, контроль за формированием амбулакральной системы. У морских лилий, которые относительно примитивны, этого еще нет (по-видимому), но у морских ежей — во всей красе.

Судя по доступным сейчас данным, транслокация Hox1–Hox3 есть у всех иглокожих и только у них. Такой признак, однозначно выделяющий на эволюционном древе некую ветвь, принято называть апоморфным. И здесь возникает интересная эволюционная «интрига». Мы знаем, что иглокожие отличаются от всех своих родственников двумя особенностями: (1) транслокация передней части Hox-кластера и (2) переход к лучевой симметрии. Но вот вопрос: какое из этих двух событий случилось раньше?

Передние Hox-гены обладают той особенностью, что могут принимать участие в развитии головы (у позвоночных, например, они экспрессируются в продолговатом мозге). У животного с лучевой симметрией ни головы, ни головного мозга нет; нервная система иглокожих совершенствуется совсем по другим принципам, с нашей точки зрения вполне «инопланетным». Но как тут направлена причинная связь? Возможны две гипотезы:

1. Иглокожие сначала перешли к лучевой симметрии, а уже потом в их Hox-кластере произошла транслокация. Естественный отбор «пропустил» эту транслокацию, потому что для животного с лучевой симметрией, в отличие от двусторонне-симметричного животного с головным мозгом, ее последствия не были катастрофическими. Эта гипотеза лежит в русле классического дарвинизма.

2. У иглокожих сначала (когда они еще были двусторонне-симметричными) произошла транслокация в Hox-кластере, и это затруднило развитие головы. После чего иглокожим, если уж они так хотели усложняться, ничего не осталось, как перейти к лучевой симметрии; или — говоря корректнее — такой вариант усложнения тела оказался по генетическим причинам более предпочтительным. Эта гипотеза ближе не к классическому дарвинизму, а к идеям Рихарда Гольдшмидта (Richard Goldschmidt), предполагавшего, что макроэволюция идет путем крупных мутаций.

История с Hox-генами иглокожих — хороший пример того, как полученные ответы на вопросы тут же порождают новые вопросы, еще более интересные. Транслокация передних Hox-генов и переход двусторонне-симметричного предка иглокожих к лучевой симметрии — два события, которые вряд ли произошли строго одновременно. Какое же из них произошло раньше? Ответить на этот вопрос пока что нелегко; но, во всяком случае, мы можем быть уверены, что ответ существует. Значит, его можно найти. Причем это будет интересно не только специалистам по иглокожим, но и всем, кого волнуют механизмы эволюции: проблема-то затронута весьма фундаментальная.

Источник: B. David and R. Moi. How Hox genes can shed light on the place of echinoderms among the deuterostomes // EvoDevo. 2014. V. 5. №. 1. P. 22.

Сергей Ястребов