Геном актинии оказался почти таким же сложным, как у человека
|
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.
