Про Ктулху и его универсальный геном

macroevolution — 02.11.2013 Эта статья была опубликована в безвременно сгинувшем журнале "Что нового в науке и технике" в 2008 году и, как видите, актуальна по сей день. Спасибо bbzhukov за наводку и Виктории Александровне Скобеевой (к.б.н., кафедра биологической эволюции биофака МГУ) за предоставленный текст.
Ктулху фхтагн!

Кирпичи и корни дерева жизни

Виктория Скобеева

Со времен Чарльза Дарвина сходство организмов принято объяснять их эволюционным родством. Целью систематики стало построение Дерева, в основании которого – гипотетический общий предок всей земной жизни. Предок этот до сих пор остается гипотетическим, однако доказательств единства всего живого к нашему времени накопилось предостаточно. Еще до появления теории Дарвина было известно, что все живые организмы состоят из клеток. Позднее была открыта их биохимическая общность, а в середине ХХ века – универсальность генетического кода. Общность обнаружилась не только в целом, но и в деталях: некоторые белки оказались общими для многих или даже всех земных организмов. Например, цитохром С сохраняет свою структуру у всех животных, растений и микроорганизмов, все эукариоты имеют общие ДНК-полимеразы и многие другие белки, связанные с обеспечением жизнедеятельности клетки – так называемые белки «домашнего хозяйства». Универсальность этих белков понятна: они должны все время быть активны во всех клетках, без них клетка просто погибнет, поэтому постоянство их структуры жестко контролируется естественным отбором. Соответственно, и гены, кодирующие эти белки, очень мало меняются в процессе эволюции.

Но в 1984 году были открыты гены, общие для насекомых и позвоночных, и при этом работающие далеко не во всех клетках. Первыми были обнаружены гены, мутации в которых приводили к замене одного органа дрозофилы на другой – например, антенны на ногу.Другая мутация превращала жужжальца в полноценные крылья, в результате чего получалась муха с четырьмя крыльями. Такие мутации получили название гомеозисных мутаций, а гены, в которых они происходили – гомеозисных генов. Гомеозисные гены (их еще называют семейством hox-генов, по имени одного из представителей) оказались удивительно консервативными. Они очень похожи не только у дрозофилы и мыши – по мере изучения других представителей животного царства их обнаружили у кольчатых червей, нематод, моллюсков и даже медуз. Видимо, ими обладают все многоклеточные животные, кроме губок. Правда, в функционировании этих генов у мыши и дрозофилы наблюдаются некоторые отличия: гомеозисные гены у мыши есть, а гомеозисных мутаций – нет. Можно выключить, «нокаутировать» какой-нибудь из hox-генов мыши, но получить таким образом морфологически правильную структуру – к примеру, мышь с ногами вместо челюстей – нельзя: у таких мышей вместо челюстей получается не пойми что.

Вскоре было обнаружено еще одно семейство генов, общих для многих многоклеточных организмов. Это семейство – pax6 – оказалось связанным с развитием глаз у таких разных животных, как дрозофила, мышь и кальмар. У всех троих глаза возникли явно независимо и имеют совершенно разное строение. Однако если в геном дрозофилы ввести дополнительные копии мышиного гена pax6, у развившейся из такой клетки мухи по всему телу образуются маленькие неправильные глазки. Это убедительно доказывает, что мышиный ген очень мало изменился и вполне может быть «понят» тканями дрозофилы.

Дальше – больше. Многие гены, получившие названия по вызываемым ими мутациям дрозофилы, оказались вовлеченными в самые разные процессы, происходящие в организмах позвоночных. Таково, например, семейство генов wnt, обнаруженное у дрозофилы по мутации wingless – «бескрылая». Wnt-белки (в молекулярной биологии и ген, и его продукт – белок обычно носят одно и то же название; в тех случаях, когда речь идет о гене, оно пишется курсивом) оказались большим семейством факторов роста – сигнальных молекул, побуждающих те или иные клетки к делению и формированию соответствующей ткани. Белки этого семейства широко используются в развитии и мыши, и дрозофилы.

Рецептор для wnt – белок fz – определяет у дрозофилы плоскую полярность клетки и был замечен по мутации, вызывающей рост щетинок в разные стороны. А вот у рыбы данио мутации в гене fz вызывают нарушение формирования передне-задней оси тела. Получается, что один и тот же химический сигнал сообщает клеткам дрозофилы, где у них «верх» и «низ», а зародышам рыб и амфибий – где у них будет «зад» и «перед».

Семейство генов wnt у млекопитающих насчитывает 19 классов, которые можно сгруппировать в 12 подсемейств. Каково же было удивление исследователей, обнаруживших 11 из этих подсемейств у полипа Nematostella vectensis, чей геном был недавно расшифрован. Получается, что гены семейства wnt существуют в таком удивительном разнообразии уже 650 миллионов лет. Nematostella – представитель типа кишечнополостных, его ближайшие родственники – кораллы, строители рифов. Для чего же им нужно столько генов? Неужели для поимки добычи щупальцами и переваривания в гастральной полости?

Тут возможны два подхода. Первый – функциональный: посмотреть, чем же занимается каждый из генов семейства wnt в организме полипа, в каких тканях и на каком этапе развития он экспрессируется (то есть с него считывается белок) – благо Nematostella хорошо культивируется. Второй – экстремистский: объявить кишечнополостных обладателями «лишней» генетической информации, доставшейся им по наследству от общего предка всех многоклеточных.

Пример такого экстремистского подхода можно найти в работе американского биохимика Михаила Шермана. Он считает, что согласно дарвиновской теории, сложность организмов (а значит, и сложность их геномов) должна нарастать со временем. Но у нематостеллы wnt-подсемейств почти столько же, сколько и у позвоночных, а у нематод и насекомых – гораздо меньше. Если сложность не нарастает, значит, общий предок кишечнополостных и двусторонне-симметричных животных обладал геномом, в котором содержалась большинство генов всех его потомков. (Дупликацию, т. е. увеличение числа копий одного и того же гена Шерман считает редким способом эволюции генома). Поскольку этот огромный и очень сложный геном явно превышал все мыслимые потребности общего предка всех многоклеточных, он, по мнению Шермана, был нефункциональным. То есть организм этот своим геномом – или, по крайней мере, большей его частью – не пользовался. Но для чего ему тогда вообще был нужен этот геном и как он мог возникнуть? Шерман считает, что объяснить появление такого универсального генома можно только сверхъестественным вмешательством. Недаром его взгляды пользуются такой популярностью у всевозможных сторонников «теории разумного творения» (в частности, упрощенное изложение его концепции опубликовано на сайте еврейского культурно-религиозного центра «Маханаим»).

Творчески развивая этот подход, можно даже попытаться определить, кто же был этим гипотетическим общим предком всех многоклеточных. Всем критериям Шермана наилучшим образом отвечает Ктулху – исполинский монстр, созданный воображением американского писателя-фантаста Говарда Филлипса Лавкрафта. В самом деле, Ктулху спит в мертвом городе Р’льех в Тихом океане и может себе позволить никаким геномом не пользоваться. Правда, если им не пользоваться и при этом размножаться, в нем очень быстро накопятся поломки – но Ктулху и не размножается. Не вызывает сомнения и внеземное происхождение Ктулху – он один из меньших Старейших, древних и ужасных божеств, пришедших на Землю со звезд. И морфология у Ктулху подходящая – щупальца вокруг рта напоминают кишечнополостных, в остальном же теле прослеживается двусторонняя симметрия. Все по Шерману: все признаки потомков есть у предка. Конечно, неизвестно зачем ему драконьи крылья, но по сравнению с нефункциональным геномом это просто мелочь.
Если же говорить серьезно, то в основе этих рассуждений лежит простой методологический просчет. Шерман везде предполагает полное соответствие между генотипом и его проявлением в фенотипе, а слова «программы развития» вообще никак не расшифровывает. На каждый ген есть своя программа, которая, раз возникнув, не меняется. Мысль, что разные организмы могут совершенно по-разному использовать одни и те же белки и белковые комплексы, в такой парадигме даже не рассматривается. Между тем, если допустить, что те же самые кишечнополостные экспрессируют так много белков семейства wnt для того, чтобы опознавать, например, клеточные популяции с разными свойствами, можно обойтись без мистического вмешательства. И попробовать реконструировать общего предка всех многоклеточных, оставаясь в рамках науки.

Вернемся к функциональному подходу. У нематостеллы действительно экспрессируется несколько семейств генов wnt, причем в разных зародышевых листках и на разных стадиях индивидуального развития. Интересно то, что ген wnt5, не экспрессирующийся у дрозофилы, и ген wnt7, экспрессия которого у нее подтверждена единичным сообщением, экспрессируются у нематостеллы в разных зародышевых листках. У эмбриона нематостеллы wnt5 работает в энтодерме, а wnt7 – в эктодерме, строго на определенном конце зародыша – там, где будет формироваться рот. Данные неожиданные: ведь общими для всех билатерально-симметричных животных являются другие гены семейства wnt: wnt1, wnt6 и wnt10. Логично ожидать, что именно эти общие гены и обнаружатся у кишечнополостных, стоящих ближе всего к общему предку всех двусторонне-симметричных животных, и будут играть какую-нибудь ключевую роль. Они действительно обнаруживаются, однако их экспрессию не удается «привязать» к оси тела нематостеллы, а ключевую роль в определении полярности играют именно wnt5 и wnt7.

Видимо, и дрозофила, и нематода Сaenorabditis elegans – вообще плохие объекты для эволюционных выводов – слишком много генетического разнообразия предков они утратили. Даже внутри класса насекомых дрозофила выглядит бедной общими генами сироткой – у медоносной пчелы, например, найдено 23 общих с млекопитающими гена, которых у дрозофилы нет. В свое время исследователи выделили 674 нуклеотидных последовательности, имеющихся у человека, рыбы фугу и асцидии Cione, но отсутствующих у дрозофилы и Сaenorabditis. Эти последовательности сочли специфичными для хордовых, но позднее около половины из них нашли у других представителей насекомых и нематод.

Большинство общих для всех многоклеточных животных генов – это гены сигнальных веществ, рецепторов к ним, а также транскрипционных факторов (белков, запускающих считывание определенных генов). Wnt – это сигнальные белки, взаимодействующие со многими рецепторами. Основной рецептор к wnt – белок fz – также встречается как у позвоночных, так и у беспозвоночных, а с ним и все члены так называемого «канонического» пути wnt – белок β-катенин, белки LRF и TCR/LEF и многие другие. Wnt у позвоночных и у дрозофилы участвует в совершенно разных морфогенетических процессах, однако функция его как белка не меняется – он взаимодействует с рецептором (как правило, одним и тем же) и обеспечивает его активацию.

Столь же показательный пример консервативности самого белка и разнообразия его морфогенетической роли – это Toll-like рецепторы. У позвоночных они участвуют в реакциях врожденного иммунного ответа, опознавая молекулярные структуры, характерные для возбудителей болезней. У дрозофилы Toll-рецепторы участвуют в определении спинно-брюшной оси тела. Однако «с точки зрения» самого белка Toll его функция остается неизменной – это трансмембранный белок, узнающий какую-то молекулу во внешней среде и передающий сигнал внутрь клетки.

Консервативное семейство генов pax6 – это транскрипционные факторы, связанные с формированием светочувствительных органов. Они регулируют самые разные белки, однако функция самого pax6 остается постоянной – это транскрипционный фактор, он связывается с ДНК и обеспечивает транскрипцию регулируемых им генов. Знаменитое семейство hox – тоже гены транскрипционных факторов.
История hox-генов и родственного ему para-hox-кластера вообще кажется детективной. И у многощетинкового червя нереиса, и у дрозофилы, и у нематоды, и у человека hox-гены экспрессируются строго в том порядке, в котором расположены в хромосоме. Последнее обстоятельство натолкнуло ученых на мысль, что дело здесь в организации самого хроматина. Раз возникнув, последовательная активация генов оказалась исключительно удобной для самых разных разметок, как в пространстве, так и во времени. У дрозофилы, скажем, hox-гены экспрессируются каждый в своем сегменте. Сначала – «головные» в голове, потом – «грудные» в груди, и наконец – «брюшные» в брюшке. У нереиса, как показала блестящая работа ученых из Санкт-Петербурга, каждый сегмент может экспрессировать все hox-гены в разное время. Это существо состоит из многочисленных сегментов, из которых два первых (головные) и последний (хвостовой) уникальны, а несколько десятков туловищных практически одинаковы. В ходе эмбрионального развития молодой сегмент сначала экспрессирует «головные» гены. Если ему суждено стать головой, то на этом все и кончается. Если же он войдет в состав туловища, в нем вслед за «головными» начинают работать «туловищные» гены. А весь набор hox-генов доведется последовательно «включить» тем сегментам, которые станут хвостовыми. Многощетинковый червь еще не разделил время и пространство, у него каждый сегмент имеет свой собственный возраст. У мухи – полное разделение, и голове никогда не стать брюшком.

Проводя аналогию с сегодняшними реалиями, можно сказать, что hox-гены – это тэги, обозначающие последовательность включения других генов. Никого же не удивляет, что тэги одинаковые, а страницы – разные. Это – специальный инструмент для общения с ДНК, как язык html – для общения с браузером. Появление такого инструмента необходимо многоклеточному организму с регулярной структурой, и в этом нас убеждает наличие похожего кластера генов у высших растений. Это АBC-кластер, обеспечивающий формирование цветка у покрытосеменных. Экспрессия А-гена обеспечивает развитие чашелистика, совместная экспрессия А и B – развитие лепестка, B и C – тычинки, и С – пестика. Такая система существует как у двудольных, так и у однодольных, что свидетельствует о ее древнем происхождении. У голосеменных найдены участки, сходные с генами В и С, которые экспрессируются похожим образом, их предположительная функция – определение взаимного расположения женских и мужских репродуктивных органов. Листья-то могут быть расположены по-разному, а вот тычинки и пестики – нет, особенно у покрытосеменных. Насекомые, прилетающие за нектаром, должны так или иначе вытереться о тычинки и собрать пыльцу, что диктует внутреннее расположение пестиков и наружное – тычинок.

Животные столкнулись с проблемой пространственного распределения органов гораздо раньше, и все – из-за своей неспособности к фотосинтезу. За едой надо было ползти, а для этого желательно иметь какую-то ось тела. Ну хотя бы одну, как кишечнополостные: нематостелла хоть и родственник кораллов, а ползает очень ловко. Однако большинство животных имеют даже две – передне-заднюю и спинно-брюшную. Первична из них, судя по hox-генам, передне-задняя. Спинно-брюшную полярность первично- и вторичноротые делают по-разному, а вот передне-заднюю – одинаково: с помощью hox-генов. Можно думать, что общий предок первично- и вторичноротых (в том числе человека и дрозофилы) имел передне-заднюю ось тела, а со спиной и брюхом еще не определился. Были у него также светочувствительные пигменты (это можно заключить из консервативности гена pax6), пищеварительная трубка делилась на передний, средний и задний участок (об этом нам говорит консервативность генов para-hox-кластера) и множество разных клеточных популяций, еще не собравшихся в ткани и органы, как показывает экспрессия генов wnt. В общем, вполне убедительное животное с представимой экологией. Во всяком случае – не Ктулху.

«Что нового в науке и технике» № 5 (60), 2008.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив