Предки губок могут оказаться сложнее, чем предполагалось

Сравнение регуляторных генов, управляющих развитием, у обыкновенных и известковых губок привело к выводу, что у общего предка этих двух классов было значительно больше таких генов, чем у любой губки, дожившей до наших дней. Редукция набора факторов транскрипции шла у обыкновенных и известковых губок независимо, за счет разных генов. Всех факторов, которые были у предка, не сохранил никто. Вероятно, это означает, что организм общего предка губок был относительно сложным, а план строения губок, который мы сейчас видим, есть результат заметного эволюционного регресса.

Испокон веков зоология изучала в основном высших животных. Конечно, термин «высший» в современной науке справедливо считается некорректным: ведь в реальности это значит всего лишь «относительно близкий к нам». Большая часть современных многоклеточных животных, включая людей, относится к огромной группе двусторонне-симметричных (билатерий), которая в основном и олицетворяла собой животный мир с точки зрения старинных естествоиспытателей. Это очень ярко проявилось, например, в составленной в первой половине XVIII века классификации Карла Линнея (Carolus Linnaeus), где животные делились всего лишь на шесть классов: млекопитающие, птицы, гады, рыбы, насекомые и черви. Для тех, кто двусторонней симметрией не обладает, у Линнея отдельного класса не нашлось. Более того, таких существ и за животных-то тогда еще толком не считали.


Рис. 1. Один из «главных героев» обсуждаемого исследования — живущая в Атлантическом океане известковая губка Sycon ciliatum. Фотография Роберта Кина (Robert Keen) с сайта marlin.ac.uk

Эволюционная биология резко изменила перспективу, в которой мы видим разнообразие животного мира. Сейчас твердо установлено, что билатерии на эволюционном древе животных — это всего лишь одна ветвь как минимум из пяти примерно равноправных (рис. 1). Другие четыре ветви не меньшего ранга — стрекающие, пластинчатые, губки и гребневики (см. Дискуссия о роли гребневиков в эволюции продолжается, «Элементы», 18.09.2015). Причем родственные отношения всех этих пяти ветвей до сих пор не вполне ясны. Единственное, что не вызывает сомнений: ближайшими родственниками билатерий (то есть нашими) являются стрекающие (медузы и полипы). Билатерии и стрекающие вместе образуют эволюционную ветвь, которая называется Planulozoa. Это — «высшие» многоклеточные животные. Повторим, что в наше время такой термин выглядит архаичным; но, с другой стороны, если, например, химикам можно делить спирты на высшие и низшие, то почему бы не сохранить подобные обозначения и в зоологии? Технически они вполне приемлемы.

«Низшие» животные — это губки, гребневики и пластинчатые. В каком порядке эти ветви отошли от общего эволюционного ствола Metazoa, до сих пор окончательно не установлено (рис. 2). Но в любом случае все согласны, что губки — одна из самых древних групп многоклеточных животных. Они очень примитивны во всех возможных значениях этого слова: занимают на эволюционном древе животных положение, близкое к основанию, и имеют достаточно просто устроенный организм (например, без всякой нервной системы, в отличие от упомянутых выше гребневиков). Неудивительно, что ученые, интересующиеся ранними этапами эволюции Metazoa, уже давно уделяют губкам особое внимание.


Рис. 2. Эволюционное древо многоклеточных животных. Узлы, где порядок ветвления до сих пор не вполне ясен, оставлены неразрешенными. Porifera — губки, Ctenophora — гребневики, Placozoa — пластинчатые, Cnidaria — стрекающие, Bilateria — двусторонне-симметричные. В каждой группе изображен представитель, у которого уже прочитан полный геном. Внутри губок показаны всего две эволюционные ветви: обыкновенные губки (представитель — Amphimedon queenslandica) и известковые губки (представитель — Sycon ciliatum). Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Marine Genomics

Но и сами губки — группа слишком большая и разнообразная, чтобы рассматривать их как единое целое. Тип губок (Porifera) насчитывает 11 000 современных видов и делится на четыре довольно сильно различающихся класса: обыкновенные губки (Demospongia), стеклянные губки (Hexactinellida), известковые губки (Calcarea) и гомосклероморфные губки (Homoscleromorpha). Ученый, желающий узнать все о роли губок в эволюции, будет вынужден работать не с единственным идеальным объектом, а со всеми этими четырьмя классами сразу. Никакой «идеальной губки» просто не существует. Это усложняет задачу, но и делает ее куда более содержательной, позволяя ставить такие вопросы, на которые при исследовании единственного объекта ответить принципиально невозможно. Рискнем сказать, что на таких примерах хорошо видна грань между физическим мышлением (где идеализация допустима, а разнообразие объектов в некотором смысле является помехой) и специфически биологическим (где именно разнообразие и интересует исследователя больше всего).

Команда австралийских биологов, работающая сейчас на базе Международного центра морской молекулярной биологии имени Микаэля и Георга-Оссиана Сарсов при Бергенском университете (Sars International Centre for Marine Molecular Biology, University of Bergen), уже не первый год изучает у губок факторы транскрипции — белки, способные специфически связываться с ДНК, включая или выключая определенные гены. Каждый такой белок (как и любой белок вообще) кодируется собственным геном. Таким образом, факторы транскрипции — это инструменты, посредством которых гены могут взаимодействовать, регулируя работу друг друга.

Главным предметом интереса авторов являются факторы транскрипции, действующие в развитии (developmental transcription factors, DTFs). Эти белки регулируют процессы, которые в сумме называются морфогенезом: образование тканей и органов, изменение их формы, закладку общего плана строения тела. Факторы транскрипции, действующие в развитии, очень эволюционно консервативны. Многие из них есть у большинства многоклеточных животных, а некоторые даже еще древнее (см. У одноклеточных организмов есть ген, способный управлять развитием хорды, «Элементы», 25.10.2013). Сравнение аминокислотных последовательностей таких белков — или нуклеотидных последовательностей генов, которые их кодируют — часто дает много сведений, помогающих понять, как шла эволюция.

В последнее десятилетие возможности для таких исследований расширяются. Прочитаны полные геномы многих «низших» (в принятом нами смысле этого слова) животных, а также некоторых их одноклеточных родственников. Но у одноклеточных существ генов и белков, потенциально способных контролировать развитие, все же относительно немного. А вот у низших многоклеточных — губок, пластинчатых и гребневиков — они появляются в довольно большом количестве. Как правило, речь идет о целых генных семействах, то есть о группах генов, произошедших от одного гена-«предка» путем его удвоений (дупликаций). Правда, разнообразие этих семейств тут все-таки меньше, чем у высших многоклеточных — стрекающих и билатерий.

Как же обстоит дело с такими генами и белками у губок? До недавнего времени все научные результаты в этой области были основаны на прочтении полного генома губки Amphimedon queenslandica, которая относится к классу обыкновенных губок (Demospongia). Но, как мы знаем, это только один из четырех классов губок, достаточно сильно различающихся между собой. Для представления об этом типе в целом одной-единственной обыкновенной губки явно недостаточно.

В последние три года ситуация стала радикально меняться. Сейчас геномы или транскриптомы собраны уже не меньше чем для десятка видов губок — не только обыкновенных, но и известковых, и даже гомосклероморфных. (Транскриптом — это набор непосредственных продуктов генов, полная последовательность которого дает во многом ту же информацию, что и полная последовательность генома.) Такой охват уже позволяет составить некоторое представление об эволюции губок в целом.

Австралийские исследователи подготовили обзор данных по нескольких семействам генов, регулирующих развитие, обращая особое внимание на сравнение обыкновенных губок с известковыми — для этих классов генетические данные наиболее полны. И результаты оказались примечательными. Чтобы оценить их, перечислим рассмотренные группы генов по порядку.

T-боксные гены. Не слишком большое, но очень интересное семейство генов, работа которых важна для судьбы раннего зародыша многоклеточных животных. Относящийся к этому семейству ген Brachyury — тот самый, который нашли у одноклеточных амеб — участвует у нас в развитии осевого скелета (см. У одноклеточных организмов есть ген, способный управлять развитием хорды, «Элементы», 25.10.2013), а несколько генов с общим названием Tbx — в развитии сердца и конечностей. Геномные исследования показали, что T-боксные гены есть и у обыкновенных, и у известковых губок, но вот их конкретный набор в разных классах сильно различается. Например, ген Brachyury есть у известковых губок (но не у обыкновенных), а гены Tbx4/5 и Tbx8 — у обыкновенных (но не у известковых).

Sox-гены. Древнее и разнообразное семейство генов, представители которого у человека задействованы в дифференцировке некоторых отделов мозга и в определении пола. Именно к этому семейству относится находящийся в Y-хромосоме млекопитающих ген SRY, который абсолютно необходим для развития половых желез по мужскому типу (см. Для успешного размножения мышам достаточно из Y-хромосомы всего двух генов, «Элементы», 14.01.2014). Sox-гены губок в целом близки к Sox-генам двусторонне-симметричных животных, но у обыкновенных губок этих генов четыре, а у известковых — двенадцать.

Гены класса ANTP. Это очень большая группа генов, к которой относятся такие распространенные у многоклеточных животных генные семейства, как Hox, ParaHox и NK (подробнее о них см. Дупликация гомеобоксных генов могла быть одной из причин кембрийского взрыва, «Элементы», 13.02.2015). Гены семейства Hox у губок пока не обнаружены, хотя и есть основания предполагать, что они у них когда-то были. Один ген семейства ParaHox был совсем недавно найден у известковых губок (но не у обыкновенных). А вот гены семейства NK у губок довольно многочисленны, причем как у известковых, так и у обыкновенных. Но распределены они между этими двумя классами довольно сложным образом. Генное семейство NK делится на несколько подсемейств, из которых подсемейства Hex и Msx есть у обоих классов, подсемейства Tlx, BarH и Bsx — только у обыкновенных губок, а подсемейства Hmx и Cdx — наоборот, только у известковых.

Six-гены. Эти гены кодируют факторы транскрипции, участвующие в развитии многих органов животных, в частности глаз (см. Найдена генетическая причина отсутствия хрусталика у наутилуса, «Элементы», 10.06.2013). Эти гены есть и у губок (см. У губок обнаружена генная сеть, которая могла бы управлять развитием глаз, «Элементы», 25.06.2013). Но тут вновь важны детали. Six-гены — это генное семейство, которое делится на несколько подсемейств. У обыкновенных губок обнаружен только один Six-ген, относящийся к подсемейству Six1/2. У известковых губок удалось найти три Six-гена, довольно сильно отличающихся от любых других известных; к какому подсемейству они относятся, пока неясно. Видимо, тут имела место долгая самостоятельная эволюция.

Pax-гены. Еще одно семейство факторов транскрипции, важных для развития нервной системы и глаз, а также органов слуха, почек, мышц и других органов (см. Pax genes). У обыкновенных губок есть только один из этих генов, причем близкий к определенному хорошо известному Pax-гену двусторонне-симметричных животных. У известковых губок Pax-генов два. Один из них близок к единственному Pax-гену обыкновенных губок, а второй прошел слишком большой самостоятельный эволюционный путь, и куда его относить — пока, опять же, неясно.

GATA-гены. У позвоночных эти гены контролируют развитие кроветворных тканей, а также сердца, половых желез и некоторых других органов. GATA-гены высших многоклеточных животных делятся на два подсемейства. И у обыкновенных, и у известковых губок обнаружен только один GATA-ген, по своей нуклеотидной последовательности занимающий позицию «между подсемействами»: видимо, эволюция этого семейства генов здесь едва-едва началась, никакие дупликации (удвоения) и дивергенции (расхождения) произойти не успели. Именно по части GATA-генов губки действительно очень примитивны. Забегая вперед, скажем, что это единственное из семи рассмотренных генных семейств, позволяющее сделать такой вывод. Видимо, оно просто позже всех возникло.

Smad-гены. Эти гены кодируют белки, входящие в важный сигнальный путь, который называется TGF-β. Когда белок TGF-β входит в контакт с наружной мембраной клетки и заставляет сработать находящийся там рецептор, внутри клетки активируются Smad-белки, передающие сигнал дальше — в клеточное ядро. Заодно в этом же семействе есть и такие белки, которые могут этот сигнал заблокировать. Из четырех подсемейств генного семейства Smad у обыкновенных губок представлены два, а у известковых — три или даже все четыре (в зависимости от интерпретации известных последовательностей).

Итак, у нас есть данные по семи разным семействам генов, и это уже позволяет сделать кое-какие выводы. Все эти генные семейства есть у обоих рассмотренных классов — обыкновенных и известковых губок (по другим классам пока просто маловато данных). Но почти все они представлены в разных классах разными генами. Если генное семейство делится на несколько подсемейств — то разными подсемействами. Причем речь идет о подсемействах, которые есть и у других животных (например, у билатерий) — то есть они заведомо унаследованы от некоего общего предка.

Вывод: общий предок губок имел значительно более богатый набор белков и генов, контролирующих развитие, чем любой из современных классов этого типа.

Например, из T-боксных генов у обыкновенных губок есть ген Brachyury, а у известковых губок — гены Tbx. Значит, у общего предка губок были все эти гены — и Brachyury, и Tbx. Просто в доживших до современности классах часть из них оказалась потеряна, причем в разных классах — разная часть.

Не менее наглядна ситуация с генным семейством NK. Из семи подсемейств NK-генов два подсемейства есть и у обыкновенных, и у известковых губок, три — только у обыкновенных, и два — только у известковых. У общего предка, стало быть, были все семь. Хотя ни у одной современной губки столько нет.

Удивляться этому в целом не приходится. Потеря генов, кодирующих факторы транскрипции — достаточно распространенное явление в самых разных эволюционных линиях животных (не исключая и билатерий). Но вот что интересно. Если у общего предка губок было намного больше факторов транскрипции, чем у любой современной губки — вероятно, это означает, что он был гораздо более сложно устроен. И каким же он тогда мог быть?

На этот вопрос тоже могут помочь ответить исследования факторов транскрипции. На первый взгляд, в устройстве тела губок нет совсем ничего общего с высшими многоклеточными. У губок нет ни кишечника, ни рта, ни нервов, ни мышц. Однако еще полтора века назад великий немецкий биолог Эрнст Геккель (Ernst Haeckel) высказал гипотезу о наличии общего плана строения у губок и коралловых полипов, относящихся к типу стрекающих. И губки, и стрекающие считаются двуслойными животными. Геккель предположил, что слой жгутиковых клеток, выстилающий внутреннюю полость губки и служащий для питания — хоанодерма — соответствует энтодерме, слою клеток, выстилающему кишечную полость стрекающих (и билатерий тоже). В таком случае устье губки (оскулум) должно соответствовать рту высших многоклеточных, несмотря на то, что функция у него совершенно другая: через оскулум вода не входит, а выходит.

Гипотеза Геккеля никогда не была общепринятой. Но современные генетические исследования ее, похоже, подтверждают (рис. 3). Показано, что те регуляторные гены, работа которых у высших многоклеточных связана с развитием энтодермы и ее производных, у губок активны именно в хоанодерме (или в клетках, из которых она развивается). Например, это ген Cdx (относящийся к семейству ParaHox) и ген Brachyury. Данные по генам GATA и Smad тоже находятся в согласии с этим выводом. Судя по молекулярно-генетическим данным, энтодерма высших многоклеточных и хоанодерма губок действительно имеют общее происхождение.


Рис. 3. Активность генов Brachyury, Cdx и GATA в развитии известковой губки Sycon ciliatum. У высших многоклеточных животных все эти гены активны в энтодерме и (или) в развивающейся из нее мезодерме; проще говоря — во внутреннем слое клеток, но не в наружном. a, b — личинка Sycon, с — стадия метаморфоза, d — стадия сформировавшейся губки. Все перечисленные гены активны в клеточном пласте, из которого образуется хоанодерма, или в ней самой (на стадии d). На рисунках этот клеточный пласт выделен синим цветом, на фотографиях видно дифференциальное окрашивание, демонстрирующее присутствие продуктов генов. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в Marine Genomics

Значит ли это, что предок губок имел кишечник? Не исключено. Такая возможность хорошо сочетается с новой гипотезой, согласно которой древнейшая ветвь многоклеточных животных — это не губки, а гребневики, хищные существа с кишечником и ртом (см. Дискуссия о роли гребневиков в эволюции продолжается, «Элементы», 18.09.2015). В ранней эволюции многоклеточных животных вполне мог происходить регресс, приводивший к утрате рта и пищеварительной системы (см., например: В. В. Алешин, Н. Б. Петров, 2001. Регресс в эволюции многоклеточных животных). С другой стороны, надо помнить, что это пока всего лишь версия. Сам факт «исходной сложности» предков губок, выраженной в обилии транскрипционных факторов, налицо, а вот биологический смысл этого еще требует уточнений: тут возможны разные варианты.

Источник: Sofia A. V. Fortunato, Marcin Adamski, Maja Adamska. Comparative analyses of developmental transcription factor repertoires in sponges reveal unexpected complexity of the earliest animals // Marine Genomics. 2015 (in press).

Сергей Ястребов

http://elementy.ru/novosti_nauki/432607/Predki_gubok_mogut_okazatsya_slozhnee_chem_predpolagalos