У одноклеточных организмов есть ген, способный управлять развитием хорды

Биологам развития давно известен ген Brachyury, продукт которого регулирует у животных развитие первичного эмбрионального рта (бластопора), среднего зародышевого листка (мезодермы), а у представителей типа хордовых — хорды. Долгое время считалось, что ни у кого, кроме многоклеточных животных, гена Brachyury нет. Но теперь известно, что этот ген есть у многих одноклеточных организмов и грибов; по-видимому, наличие генов, подобных Brachyury, является общим уникальным признаком эволюционной ветви заднежгутиковых (Opisthokonta), к которой относятся многоклеточные животные, грибы и их одноклеточные родственники. Причем функция этого гена очень стабильна: экспериментально показано, что продукт гена Brachyury, взятый от амебы Capsaspora, способен участвовать в развитии лягушки.

«Регуляция транскрипции — центральный аспект развития животных». Такой фразой начинается новая статья об эволюции регуляторных генов, среди авторов которой — известный испанский протистолог Иньяки Руис-Трильо (Iñaki Ruiz-Trillo). Действительно, развитие организма животного непосредственно управляется генами на всех стадиях, кроме самых ранних (см.: Нужны ли эмбрионам гены?, «Элементы», 08.05.2007). Транскрипция — это синтез продукта гена (информационной РНК, на основе которой потом синтезируется белок). Проще говоря, когда ген транскрибируется, он включен, когда нет — выключен. В каждой клетке есть продукты генов, которые в ней «включены», и нет (как правило) продуктов генов, которые в ней «выключены»; этим, собственно, и определяются различия между клетками в многоклеточном организме.


Рис. 1. Capsaspora owczarzaki (слева) — одноклеточный эукариот, живущий в качестве симбионта в крови южноамериканской пресноводной улитки Biomphalaria glabrata (справа). Капсаспора — это одноклеточный организм с ложноножками, то есть амеба. Первое изображение с сайта ake.blog.mongenie.com, второе — с сайта www.redbubble.com

Проблема в том, что продуктов разных генов для развития целого животного нужно очень много. Включить все эти гены сразу нельзя. Они последовательно включают друг друга, действуя через свои конечные продукты — белки (рис. 2).

Амеба Capsaspora owczarzaki и улитка Biomphalaria glabrata
Рис. 1. Capsaspora owczarzaki (слева) — одноклеточный эукариот, живущий в качестве симбионта в крови южноамериканской пресноводной улитки Biomphalaria glabrata (справа). Капсаспора — это одноклеточный организм с ложноножками, то есть амеба. Первое изображение с сайта ake.blog.mongenie.com, второе — с сайта www.redbubble.com
Биологам развития давно известен ген Brachyury, продукт которого регулирует у животных развитие первичного эмбрионального рта (бластопора), среднего зародышевого листка (мезодермы), а у представителей типа хордовых — хорды. Долгое время считалось, что ни у кого, кроме многоклеточных животных, гена Brachyury нет. Но теперь известно, что этот ген есть у многих одноклеточных организмов и грибов; по-видимому, наличие генов, подобных Brachyury, является общим уникальным признаком эволюционной ветви заднежгутиковых (Opisthokonta), к которой относятся многоклеточные животные, грибы и их одноклеточные родственники. Причем функция этого гена очень стабильна: экспериментально показано, что продукт гена Brachyury, взятый от амебы Capsaspora, способен участвовать в развитии лягушки.

«Регуляция транскрипции — центральный аспект развития животных». Такой фразой начинается новая статья об эволюции регуляторных генов, среди авторов которой — известный испанский протистолог Иньяки Руис-Трильо (Iñaki Ruiz-Trillo). Действительно, развитие организма животного непосредственно управляется генами на всех стадиях, кроме самых ранних (см.: Нужны ли эмбрионам гены?, «Элементы», 08.05.2007). Транскрипция — это синтез продукта гена (информационной РНК, на основе которой потом синтезируется белок). Проще говоря, когда ген транскрибируется, он включен, когда нет — выключен. В каждой клетке есть продукты генов, которые в ней «включены», и нет (как правило) продуктов генов, которые в ней «выключены»; этим, собственно, и определяются различия между клетками в многоклеточном организме.

Проблема в том, что продуктов разных генов для развития целого животного нужно очень много. Включить все эти гены сразу нельзя. Они последовательно включают друг друга, действуя через свои конечные продукты — белки (рис. 2).

Схема действия факторов транскрипции
Рис. 2. Схема действия факторов транскрипции. Продуктом гена X является сначала информационная РНК (mRNA), а потом — белок (красный шарик), являющийся фактором транскрипции (transcription factor). Этот белок взаимодействует с регуляторными участками генов A, B, C, D и E. В результате транскрипция генов A, B, C и E запускается, а транскрипция гена D, наоборот, блокируется. При этом конечные продукты генов A, B, C, E (белки, обозначенные фиолетовым, синим, зеленым и розовым шариками) тоже могут быть факторами транскрипции. В частности, какой-то из них вполне может влиять и на транскрипцию гена X — это будет называться обратной связью. Иллюстрация с сайта scienceblogs.com


Рис. 2. Схема действия факторов транскрипции. Продуктом гена X является сначала информационная РНК (mRNA), а потом — белок (красный шарик), являющийся фактором транскрипции (transcription factor). Этот белок взаимодействует с регуляторными участками генов A, B, C, D и E. В результате транскрипция генов A, B, C и E запускается, а транскрипция гена D, наоборот, блокируется. При этом конечные продукты генов A, B, C, E (белки, обозначенные фиолетовым, синим, зеленым и розовым шариками) тоже могут быть факторами транскрипции. В частности, какой-то из них вполне может влиять и на транскрипцию гена X — это будет называться обратной связью. Иллюстрация с сайта scienceblogs.com

Белок, функцией которого является включение или выключение генов, обычно называют фактором транскрипции. Гены — это участки молекулы ДНК, поэтому белок — фактор транскрипции должен «уметь» связываться с ДНК. Для этого служит специальный участок белковой молекулы — ДНК-связывающий домен (DNA-binding domain).

Есть разные типы ДНК-связывающих доменов. Самый широко известный из них называется гомеодоменом; это — специфический участок из 60 аминокислот, присутствующий во многих регуляторных белках и у животных, и у растений. Гены, кодирующие гомеодомен-содержащие белки, называются гомеобоксными (гомеобокс — это участок гена, который кодирует гомеодомен). К гомеобоксным генам относится много разных генов, регулирующих через свои продукты эмбриональное развитие организмов, в том числе и распространенные у животных Hox-гены (см., например: Новое в науке о знаменитых Hox-генах, регуляторах развития, «Элементы», 10.10.2006).

Другой важный тип ДНК-связывающего домена называется T-бокс (T-box). Это участок белка, состоящий из 180–200 аминокислот, который тоже «умеет» специфически связываться с ДНК, хотя и делает это иначе, чем гомеодомен. Гены, кодирующие белки с T-боксом, так и называют Т-боксными (см., например: Naiche et al., 2005. T-box genes in vertebrate development). Эти гены свойственны животным. Их продукты принимают участие в регуляции развития сердца, конечностей, мозга и многих других органов.

Особое внимание эволюционных биологов уже давно привлек Т-боксный ген, который называется Brachyury. Области активности этого гена находятся, во-первых, вокруг первичного эмбрионального рта (бластопора) и, во-вторых, в среднем слое зародышевых клеток (мезодерме), причем в основном в тех частях мезодермы, из которых возникают осевой скелет, мускулатура и стенки целома — вторичной полости тела. А поскольку этот ген есть у самых разных животных, то между ними возможны интересные сравнения. Например, данные о работе гена Brachyury у коралловых полипов подтверждают так называемую энтероцельную теорию происхождения целома, согласно которой целомические полости высших многоклеточных эволюционно возникли из выростов кишечника (см.: Technau, Scholtz, 2003. Origin and evolution of endoderm and mesoderm).

Ген Brachyury исключительно важен для развития самой древней части скелета позвоночных — хорды. Последняя далеко не у всех позвоночных сохраняется во взрослом состоянии, но у зародышей есть обязательно; без хорды не могут нормально развиться ни мозг, ни позвоночник. Кроме того, у человека иногда встречается опухоль, состоящая из хордоподобной ткани, — хордома. В клетках хордомы ген Brachyury активен, как в клетках зародышевой хорды; причем это выражено настолько хорошо, что является для данного типа опухоли диагностическим маркером.

Все перечисленные функции Т-боксных генов относятся только к многоклеточным животным и ни для кого другого не имеют смысла. Действительно, у одноклеточных нет ни сердца, ни конечностей, ни мозга, ни рта, ни целома, ни хорды. Регулировать с помощью этих генов там вроде бы нечего. Для исследователей было вполне естественно предположить, что Т-боксные гены, как и многие другие гены с подобными функциями, возникли приблизительно одновременно с многоклеточностью. У самых примитивных многоклеточных животных — губок — они уже есть.

Однако три года назад, в 2010 году, Т-боксный ген был обнаружен у амебы Capsaspora owczarzaki (рис. 1), которая является одноклеточным организмом и к животным никак не принадлежит. И примерно тогда же выяснилось, что Т-боксные гены есть у некоторых грибов. Итак, эти гены для многоклеточных животных не уникальны. Но у кого же все-таки они есть, а у кого нет?

Чтобы разобраться в этом, группа исследователей из Испании, США и Канады предприняла поиск по всем описанным геномам (наборам генов) и транскриптомам (наборам продуктов генов) растений, грибов, жгутиконосцев и всех других эукариот, то есть организмов с клеточными ядрами. Результаты оказались следующими:

1. Т-боксные гены и их белки есть у некоторых амеб и у большинства известных представителей группы Mesomycetozoea, состоящей из имеющих сложные жизненные циклы амебообразных родственников животных (см.: Ядра мезомицетозоев делятся синхронно, как у зародышей животных, «Элементы», 05.06.2013). Также эти гены есть у многих грибов, хотя и не у всех.

2. У воротничковых жгутиконосцев (Choanoflagellata), которые считаются ближайшими одноклеточными родственниками животных, T-боксных генов нет. Также их нет у высших грибов (Dikarya), к которым относятся, в частности, хорошо нам знакомые шляпочные грибы.

3. Все без исключения организмы, у которых найдены T-боксные гены, принадлежат к группе заднежгутиковых (Opisthokonta). Это огромная ветвь эукариот, к которой относятся многоклеточные животные, воротничковые жгутиконосцы, мезомицетозои, грибы и некоторые амебы. У «не-заднежгутиковых» эукариот (например, у растений) найти Т-боксные гены не удалось. Видимо, это общий и уникальный признак группы Opisthokonta.

4. Из положения воротничковых жгутиконосцев и высших грибов на эволюционном древе следует, что эти группы, скорее всего, когда-то тоже имели Т-боксные гены, но потом потеряли их (рис. 3).


Рис. 3. Т-боксные гены на эволюционном древе. Bilateria — двусторонне-симметричные животные, Cnidaria — кишечнополостные, Placozoa — пластинчатые, Ctenophora — гребневики, Porifera — губки, Choanoflagellata — воротничковые жгутиконосцы, Ichthyosporea — синоним Mesomycetozoea (см. текст), Fungi — грибы. Столбцы — разные группы Т-боксных генов; в первом столбце указано общее число Т-боксных генов у данной группы организмов. Остальные пояснения в тексте. Схема из обсуждаемой статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences

Более того, и у мезомицетозоев, и у амебы Capsaspora Т-боксных генов уже несколько — как у многоклеточных животных (рис. 3). Здесь эволюция успела зайти достаточно далеко: на основе одного гена возникло целое генное семейство. Интересно, что по этому признаку мезомицетозои и Capsaspora оказываются гораздо ближе к многоклеточным животным, чем воротничковые жгутиконосцы, которые традиционно считаются их ближайшими родственниками или даже предками.

А самым древним T-боксным геном оказался тот самый ген Brachyury, продукт которого регулирует у животных развитие бластопора и мезодермы. Он есть у всех, у кого вообще есть хоть какие-то Т-боксные гены. Если у кого-то (у плесневого гриба, например) Т-боксный ген всего один, то это ген Brachyury. Все остальные Т-боксные гены эволюционно произошли именно от него.

Изменилась ли функция этого гена на эволюционном пути от одноклеточных существ до животных? В Институте эволюционной биологии в Барселоне (Institut de Biologia Evolutiva, IBE) решили проверить это экспериментально. Для исследования были взяты два организма: уже упомянутая амеба Capsaspora owczarzaki и давний, заслуженный объект биологии развития — шпорцевая лягушка Xenopus laevis.

Сначала действие гена Brachyury в зародыше лягушки заблокировали методом искусственной РНК-интерференции. Это привело к вполне ожидаемому результату: процесс образования мезодермы у лягушки нарушился, осевые мышцы оказались недоразвиты. Но если вовремя ввести в такой зародыш информационную РНК Brachyury, полученную от капсаспоры, эти нарушения частично компенсируются (рис. 4). Продукты генов Brachyury капсаспоры и лягушки настолько близки по структуре, что являются взаимозаменяемыми! Такая консервативность функции регуляторного гена — от амебы до позвоночного животного — даже на фоне наших современных знаний выглядит выдающейся. Особенно если учесть, что общий предок капсаспоры и лягушки, от которого оба унаследовали ген Brachyury, жил, скорее всего, более миллиарда лет назад (см.: Parfrey et al., 2011. Estimating the timing of early eukaryotic diversification with multigene molecular clocks).


Рис. 4. Блокирование гена Brachyury и его компенсация. В верхнем ряду слева — нормальный зародыш лягушки. В центре — зародыш, где действие гена Brachyury заблокировано антисмысловой РНК (Xbra En). Справа — зародыш, где блокирование эффекта гена Brachyury частично скомпенсировано введением информационной РНК Brachyury самой лягушки (Xbra). Фотографии в нижнем ряду — зародыши, где блокирование эффекта гена Brachyury частично скомпенсировано введением информационной РНК гена Brachyury капсаспоры (слева) или гена Tbx3 капсаспоры (справа); последний ген тоже является Т-боксным. При компенсации степень уродства меняется с тяжелой (severe) на легкую (mild); Wt — дикий тип, то есть норма. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences

Вместе с тем нельзя сказать, что функции Т-боксных генов у одноклеточных организмов и у многоклеточных животных совершенно одинаковы. Например, у лягушки продукт гена Brachyury оказывает сильное активирующее действие на ген Wnt11, гораздо более слабое — на ген Sox17 и вовсе не влияет на ген chordin (который, однако, активируется продуктом другого Т-боксного гена). А вот если ввести лягушке продукт гена Brachyury, полученный от капсаспоры, то выясняется, что он одинаково действует на все три гена-мишени: специфичность здесь еще не выработалась, и разделение функций не произошло. Механизмы действия Т-боксных генов не даны раз навсегда: они эволюционируют, просто очень медленно. В эволюции животных наглядно видно, как возникающие в этом семействе новые гены «делят» разные функции между собой.

Итак, ген Brachyury — это один из самых древних генов, регулирующих развитие многоклеточных животных (см., например: Hox-гены оказались более эволюционно изменчивы, чем предполагалось раньше, «Элементы», 12.10.2013). Этому гену больше миллиарда лет. Остается открытым очень интересный вопрос: на какие же, собственно, физиологические процессы может влиять у амеб и у грибов ген, который у позвоночных животных (к примеру) ответственен за развитие хорды и осевых мышц? Вероятно, скоро мы это узнаем.

Источник: Arnau Sebé-Pedrós, Ana Ariza-Cosano, Matthew T. Weirauch, Sven Leininger, Ally Yang, Guifré Torruella, Marcin Adamski, Maja Adamska, Timothy R. Hughes, José Luis Gómez-Skarmeta and Iñaki Ruiz-Trillo. Early evolution of the T-box transcription factor family // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2013. V. 110. №. . P. 16050–16055.

Сергей Ястребов
http://elementy.ru/novosti_nauki/432120/U_odnokletochnykh_organizmov_est_gen_sposobnyy_upravlyat_razvitiem_khordy