March 19th, 2012

Развитие

Что такое развитие?
Очевидно, что развитие — это некоторое изменение. Но также очевидно, что это далеко не любое изменение. Например, изменение координат летящего по параболе брошенного камня развитием никто не назовет. А вот превращение гусеницы в бабочку — назовут. В чем же разница?
Вспомним историю науки. Когда в XVII веке биологи (тогда еще не называвшиеся этим словом) начали серьезно изучать эмбриональное развитие животных, у них быстро оформились два противоположных мнения: теория преформации и теория эпигенеза. Преформисты считали, что в яйце (или в сперматозоиде — тут были разные гипотезы) находится в свернутом состоянии готовое животное, которое для своего увеличения в размере и развертывания нуждается только в питании:



Эпигенетики считали, что плазма яиц и сперматозоидов бесструктурна, и зародыш образуется в ней de novo (аналогия — образование кристалла в перенасыщенном растворе).
Такие великие натуралисты XVII века, как Марчелло Мальпиги и Ян Сваммердам, были именно преформистами. В XVII-XVIII веках теория преформации вообще была очень популярна, несмотря на следовавший из нее логический вывод, что в половых клетках нынешнего поколения должны содержаться вложенные друг в друга зародыши всех будущих поколений данного вида (теория вложения). Самое интересное, что теория вложения получила фактическое подтверждение: швейцарец Шарль Боннэ открыл у тлей ситуацию, когда зародыши, развивающиеся в теле самки, несут в себе зародыши следующего поколения — так действительно бывает! Небольшая иллюстрация к тому, что никаким механизмам в биологии не надо спешить придавать всеобщее значение.
С развитием эмбриологии стало понятно, что обе соперничающие теории частично верны. Они описывают разные аспекты единого процесса. Теория преформации отражает преемственность, теория эпигенеза — новообразование. Их сочетание является имманентным свойством любого развития. Чистая преформация есть просто сохранение объекта в неизменности, а чистое новообразование — возникновение совершенно нового объекта с новыми свойствами. Это вырожденные случаи, которые развитием никогда не называют.
Интересно, что сам термин «развитие» по своему происхождению является чисто преформистским. Преформисты видели в эмбриогенезе организма развертывание (латинское evolutio) свернутых частей, подобное разворачиванию ковра или распутыванию клубка. Развитие — действие, относящееся к чему-то, что изначально было свито. Такой же смысл имеют эквиваленты слова «развитие» и в других европейских языках (английское development, французское developpement, немецкое Entwicklung, итальянское sviluppo). И наконец, слово «эволюция» есть производное от того самого латинского глагола, который обозначает развивание, разворачивание. Это — тоже преформистский термин. В XVII и XVIII веках термины «преформация» и «эволюция» вообще рассматривались как синонимы.
Очевидно, что наше современное употребление слов «развитие» и особенно «эволюция» совершенно не соответствует их первоначальным значениям. Можно сказать, что эти значения поменялись на диаметрально противоположные. Человеком, совершившим это изменение, был английский философ Герберт Спенсер:



Только после работ Спенсера термин «эволюция» стал использоваться в его нынешнем смысле — как обозначение исторического процесса, в котором постоянно возникает нечто принципиально новое.
Биологическим системам свойственно несколько разновидностей развития, из которых для нас важны две: эволюция и онтогенез. Их соотношение наглядно изображено на рисунке немецкого биолога Вальтера Циммермана (в качестве примера он выбрал происхождение птиц):

zimmermann

Есть несколько точек зрения на эволюцию, так же как возможно несколько точек зрения на цилиндр: в одной проекции он будет выглядеть кругом, в другой прямоугольником. Спорить о том, какая из проекций ближе к истине, бессмысленно. Были очень крупные эволюционисты, которые вообще игнорировали онтогенез, рассматривая его только как несущественное передаточное звено между генами и признаками. Элементарным «кирпичиком» эволюции для них была популяция, в которой меняются частоты аллелей. Рисунок Циммермана выражает другой взгляд на вещи — взгляд, согласно которому основным «кирпичиком» является онтогенез вида, и вся эволюция (во всяком случае, многоклеточных организмов) рассматривается как эволюция их онтогенеза. Чтобы понять механизм эволюции, нужно сначала понять механизм онтогенеза. Вот этим и занимается эволюционная биология развития.

Два подхода к развитию

Итак, чтобы понять механизмы эволюции, нужно понять, как устроен ее элементарный «кирпичик» — онтогенез.
В принципе есть два подхода к изучению онтогенеза:
1) Изучение судьбы и взаимодействия зачатков в развивающемся зародыше (подход механики развития).
2) Изучение дифференциальной экспрессии генов (подход генетики развития).
Образец первого подхода — открытие Гансом Шпеманом эмбриональной индукции. Пересадка зачатка хорды от одного зародыша тритона другому привела к тому, что у реципиента образовалась не только еще одна хорда, но и еще одна нервная трубка:



Причем если дополнительная хорда образовалась из пересаженных клеток, то дополнительная нервная трубка — именно из клеток тритона-реципиента. Шпеман очень изящно доказал это, взяв в качестве донора зародыша с нормальной пигментацией, а в качестве реципиента альбиноса, так что их клетки нельзя было спутать.
Этот подход примечателен тем, что он не требует обращения к генетике и может вообще игнорировать существование генов.
Идея второго подхода математически проста. Пусть организм состоит из X клеток и имеет N генов. В каждый момент онтогенеза в каждой клетке какие-то гены экспрессируются, а какие-то нет. Описав экспрессию всех генов на всех стадиях, мы получим полный «портрет» организма.
Образец второго подхода — области экспрессии семи генов семейства Hox, показанные в эмбрионе дрозофилы методом иммунохимической гибридизации in situ (Lemons, McGinnis, 2006):



Областью экспрессии гена мы, если не оговорено другое, называем область, в клетках которой есть его иРНК.
Сколько вообще генов у животных?
Небольшой список выглядит так (Furlong, Holland, 2002):

дрозофила 13 600
нематода Caenorhabditis elegans 19 000
асцидия Ciona 15 500
позвоночные 31 000 — 39 000

То есть генов у животного обычно не больше 20 тысяч. Единственное известное исключение — позвоночные, у которых число генов по некой причине заметно увеличено.
Все гены животных можно разделить на три категории:
1) Гены, которые экспрессируются во всех живых клетках данного организма. Примеры: гены рРНК и тРНК, ферментов репликации, тубулина и актина, гистонов. Это так называемые «гены домашнего хозяйства» (housekeeping genes).
2) Гены, экспрессия которых тканеспецифична. Примеры: гены пищеварительных ферментов, миозина мышечного типа, ферментов синтеза нейромедиаторов, гемоглобина. Ясно, что все они экспрессируются только в клетках соответствующих тканей и органов. Это так называемые «гены роскоши» (luxury genes).
3) Гены, экспрессия которых зависит не от ткани, а от отдела тела. Такие гены называются гомеозисными (homeotic genes). Как правило, их продукты – факторы транскрипции. Именно гомеозисными генами в первую очередь интересуется современная генетика развития.

Гомеозис

Вильям Бэтсон (1861-1926), великий английский биолог, фактический основатель науки генетики и автор понятия «гомеозис»:

bateson01

Это был парадный портрет, а вот карикатура — Бэтсон, занятый изучением изменчивости дятлов:

bateson02

По Бэтсону, гомеозис (букв. «уподобление») — это тип изменчивости, при котором один сегментарный элемент превращается в другой.
Примеры: превращение антенны насекомого в ногу, стебельчатого глаза ракообразного в антенну, тычинки цветка в лепесток.
Частный случай гомеозиса — изменение числа повторяющихся органов: лишние пальцы, ребра, соски, лишняя пара яйцеводов.
Что тут примечательно. Бэтсон ввел термин «гомеозис» в 1894 году. Переоткрытие законов Менделя, приведшее к возникновению генетики, произошло (при активнейшем участии Бэтсона) в 1900 году, а название «генетика» было предложено опять же Бэтсоном в 1907 году. Понятие «гомеозис» на 13 лет старше понятия «генетика».

Примеры гомеозиса

Пример гомеозиса: химическое воздействие на регенерирующий после ампутации хвост головастика вызвало избыточную экспрессию одного из гомеозисных генов, в результате чего образовалась дополнительная пара конечностей (Müller, Wagner, 1996).

muller_wagner

Конечно, это не мутация, а приобретенное ненаследственное изменение (морфоз). Тем не менее под определение гомеозиса оно подходит. Более того, это очень хороший пример явления, которое Бэтсон так назвал.

tr

Ретиноевая кислота — вещество, использованное в работе Мюллера и Вагнера. Это пример морфогена — вещества, способного влиять на экспрессию генов.

antennapedia

Еще один пример гомеозиса: мутация (на этот раз именно мутация) antennapedia, вызывающая у мухи превращение усиков в лапки. Эта мутация была известна еще Бэтсону.
И еще пример гомеозиса: мутация bithorax, превращающая третий грудной сегмент дрозофилы во второй. Как известно, у двукрылых третий грудной сегмент имеет только рудименты крыльев — жужжальца. В результате мутации bithorax получается муха с двумя вторыми грудными сегментами и четырьмя крыльями.

tetraptera01

Ген bithorax экспрессируется в разных тканях третьего грудного сегмента (например, в эпидермисе и нервных узлах) и не экспрессируется ни в каких тканях второго грудного сегмента, хотя понятно, что и эпидермис, и нервные узлы устроены в нем так же. Такая ситуация типична для гомеозисных генов: как мы уже говорили, их экспрессия гораздо сильнее зависит от отдела тела, чем от ткани.
При отсутствии экспрессии гена bithorax вместо третьего грудного сегмента развивается второй:

T3 ―> T2

Так выглядит четырехкрылая дрозофила с мутацией bithorax:

tetraptera02

Test case: проблема происхождения веерокрылых

Strepsiptera-halictophagida

Веерокрылые (Strepsiptera) — отряд насекомых, у которых на втором грудном сегменте находятся жужжальца, а на третьем крылья. Существует гипотеза, что веерокрылые произошли от двукрылых в результате гомеозисной мутации, поменявшей второй и третий грудной сегменты местами.
Гипотетическая родственная группа, в которую входят отряды Strepsiptera и Diptera, называется Halteria – жужжальцевые.
Вот молекулярная филогения, поддерживающая объединение двукрылых и веерокрылых в группу Halteria (Whiting et al., 1997):

whiting_halteria

Молекулярная филогения, отвергающая гипотезу Halteria (Rokas et al., 1999):

streps_phyl02

Здесь ближайшими родственниками двукрылых оказываются бабочки, веерокрылые же располагаются ближе к жукам. Ни у бабочек, ни у жуков жужжалец нет.
Еще одна молекулярная филогения насекомых, на которой веерокрылые опять оказываются родственниками жуков (Wiegmann et al., 2009):

streps_phyl03

Таким образом, гипотеза Halteria пока остается весьма спорной.
Кроме того, к ней есть одно чисто генетическое замечание. Мы знаем мутацию, превращающую нормальную муху, имеющую второй и третий грудной сегменты, в муху с двумя вторыми грудными сегментами и без третьего — это мутация bithorax:

{T2 + T3} —> {T2 + T2}

Известна даже мутация, которая, наоборот, превращает второй грудной сегмент в третий, так что получается бескрылая муха с четырьмя жужжальцами:

{T2 + T3} —> {T3 + T3}

Эта мутация называется contrabithorax.
Но для превращения веерокрылого в двукрылое потребовалась бы мутация, меняющая второй и третий грудной сегменты местами:

{T2 + T3} —> {T3 + T2}

А вот такой мутации мы как раз и не знаем.
Если в происхождении веерокрылых и участвовала гомеозисная мутация, то вряд ли одна.
Надежды сторонников теории «системных мутаций», что наконец-то мы нашли механизм, способный одной мутацией создавать новые отряды, пока что не оправдались. Видимо, механизмы участия гомеозисных генов в эволюции не так просты.

Гомеозисные гены

Итак, гомеозисные гены - это гены, области экспрессии которых привязаны к отделам тела. Продукты гомеозисных генов — как правило, факторы транскрипции. Причем белок, синтез которого таким продуктом запускается, очень часто тоже является фактором транскрипции. Так формируются целые цепочки, а точнее — сети генов, действующих на транскрипцию друг друга.
Гомеозисные гены часто группируются в семейства. Семейство генов — это группа генов, происходящих от одного гена-предшественника в результате серии дупликаций. Здесь очень схематично показано происхождение двух семейств — Hox и ParaHox (Ferrier, 2007):

hox00

Некоторые гомеозисные гены включают в себя гомеобокс – последовательность из 180 пар нуклеотидов, которой в белке соответствует гомеодомен – ДНК-связывающий участок из 60 аминокислот:

homeobox

Гомеодомен богат положительно заряженными аминокислотами — лизином и аргинином, по очевидной причине: этот участок физически связывается с ДНК, которая, как ей и положено, заряжена отрицательно.
Внимание! Вопреки тому, что написано в некоторых биологических книгах и сетевых источниках (например, в русскоязычной Википедии), гомеозисные гены, гомеобоксные гены и Hox-гены — это три разные вещи!
Hox — это всего лишь одно из семейств гомеобоксных генов.
Примеры других семейств: ParaHox, Dlx, Pitx, Otx.
Кроме того, есть достаточно много негомеобоксных гомеозисных генов, например Brachyury, Polycomb.

Гомократия

Гомеозисные гены очень широко распространены и очень эволюционно консервативны. Например, наличие одних и тех же гомеозисных генов у насекомых и у позвоночных — не редкость. Причем их экспрессия часто привязана к примерно одним и тем же частям тела (насколько можно говорить об одних и тех же частях у животных разных типов).
Например, вот так у разных животных выглядят области экспрессии гомеобоксных генов семейства Dlx (Nielsen, Martinez, 2003):

dlx_expr

Оранжевым цветом показаны области экспрессии в эктодерме, зеленым — в мезодерме, голубым — во всех клетках.
Означает ли экспрессия Dlx в пальцах позвоночных, лапках насекомых и амбулакральных ножках иглокожих, что все эти органы гомологичны друг другу?
Конечно, нет!
Гомократия (букв. «одинаковое управление») — сходство между органами, состоящее в экспрессии одних и тех же генов и только в этом (Nielsen, Martinez, 2003).
Термин был придуман Клаусом Нильсеном с коллегой по аналогии с термином «демократия».
Гомократичные органы не обязательно гомологичны.
Например, существует ген tinman, который экспрессируется в сердце у млекопитающих и в глотке у нематод (и там и там — в мышечных клетках). В 2001 году некие британские ученые, вполне заслуживающие этого названия (Rodaway, Patient, 2001), основываясь только на данных по этому гену, всерьез предположили, что сердце млекопитающих гомологично глотке нематод, причем для приведения этого предположения в согласие с эмбриологическими данными им пришлось пересмотреть всю классическую теорию зародышевых листков! На самом деле гораздо логичнее предположить, что этот ген почему-то физиологически удобен для экспрессии в мышечных трубках, через которые прокачивается жидкость. Это и есть типичный пример гомократии.
Из-за консервативности гомеозисных генов принято считать, что экспрессия одних и тех же генов — надежный критерий гомологии органов. Во многих случаях это действительно так. Но не всегда. Этот критерий не более надежен, чем другие критерии гомологии — классические, морфологические. Молекулярная биология дает сравнительным анатомам очень много интересной информации (это невозможно переоценить!), но никакой «волшебной палочки» для универсального решения всех старых проблем она не предоставляет.

Hox

Hox — одно из семейств гомеобоксных генов.
Оно очень популярно по трем причинам:
1) Семейство Hox исключительно многочисленно: многие животные имеют более десятка Hox-генов, а у позвоночных их бывает даже 30-40 и еще больше. Тут есть что изучать.
2) Гены семейства Hox обладают сравнительно ясными функциями — они контролируют дифференцировку сегментов. Например, гены antennapedia и bithorax — это именно гены семейства Hox.
3) И наконец, семейство Hox – это самая изученная группа гомеозисных генов на сегодняшний день.
Вот схема, изображающая гомеобоксные гены семейства Hox и области их экспрессии у дрозофилы и у млекопитающего (Coletta et al., 1994):

colletta

Статья, из которой взята эта картинка, имеет очень примечательное заглавие: «Молекулярная анатомия экспрессии генов Hox».
Молекулярной анатомией называется область сравнительной анатомии, изучающая области экспрессии гомеозисных генов (это ведь тоже морфологические признаки!).
В 1994 году этот термин только появился. Цитируемая статья — один из первых (а может, и вообще первый) пример его употребления в таком значении.
Итак, что же мы на этой картинке видим?
1) Hox-гены собраны в кластеры, т.е. находятся в хромосоме рядом. В середине рисунка — изображения кластеров. Гены покрашены теми же цветами, что области их экспрессии в телах животных. На самом деле Hox-гены у взрослых насекомых не экспрессируются, но схема так получается нагляднее.
2) Области экспрессии Hox-генов в теле животного расположены в той же последовательности, что и сами гены в хромосоме (принцип коллинеарности). Это очень важный и совсем не очевидный априори факт. Никакого общепринятого, да и просто внятного объяснения у принципа коллинеарности вроде бы до сих пор нет.
3) Большинство Hox-генов у насекомого и млекопитающего являются общими (гомологичные гены покрашены в одни и те же цвета).
4) У дрозофилы Hox-кластер один, у млекопитающего — четыре (в разных хромосомах).
5) Единственный Hox-кластер дрозофилы разорван надвое: передние 2 гена образуют комплекс Antennapedia (ANT), задние 6 генов — комплекс Bithorax (BT). Разрывы Hox-кластеров — вещь в эволюции нередкая, хотя и не у всех групп.

Эволюция Hox-кластеров хордовых

holland02

Такая вот картинка (Holland, 2003).
У ланцетника — 14 генов в одном кластере, у человека и мыши — 39 генов в четырех кластерах: Hoxa, Hoxb, Hoxc и Hoxd. Человек/мышь написаны через дробь, потому что их Hox-кластеры ничем не отличаются. У общего предка хордовых генов было 13, и кластер был один.
Позвоночные (именно позвоночные, а не хордовые) — единственные животные, у которых Hox-кластеров больше одного.

Почему у позвоночных несколько Hox-кластеров?

holland_port

Гипотеза английского генетика Питера Холланда: в начале эволюции позвоночных произошло удвоение всего генома, причем дважды: при возникновении позвоночных и при переходе от бесчелюстных к челюстноротым. Миноги и миксины — тетраплоиды, а рыбы и все их потомки — октоплоиды (Furlong, Holland, 2002).
Эта гипотеза родилась не сразу. В какой-то момент, пытаясь объяснить увеличение числа Hox-кластеров у позвоночных, Холланд задался вопросом: а нет ли подобных явлений среди других генов, негомеозисных?
Каждый, кто изучал биохимию, знает, что наш гемоглобин состоит из альфа- и бета-цепей, которые кодируются отдельными генами. Очевидно, что эти гены происходят от единственного гена гемоглобина, который почему-то удвоился. Обзор всего генома позвоночных показал Холланду, что подобных умножений генов там очень много. Он приводит длинный список случаев, когда в геноме имеется по два очень похожих гена (инсулиноподобный фактор роста, ацетилхолинэстераза, цитоплазматический актин, фактор транскрипции snail), по три (рецептор инсулина, ретинолдегидрогеназа, цитоскелетный белок дистрофин, сигнальный белок hedgehog) или даже по четыре (мышечный актин, миозин, тропомиозин, сигнальный белок notch).
Простейшим объяснением этого служит случившееся когда-то давно в эволюции кратное умножение всего генома — полиплоидизация.
Согласно гипотезе Холланда с коллегами, ранние этапы эволюции генома позвоночных выглядят так:

holland02

Последовательность событий:
1) Хромосома (одна, серая) существует в диплоидном геноме.
2) Диплоидный геном удваивается (две серые хромосомы), то есть становится тетраплоидным.
3) Между копиями хромосомы в тетраплоидном геноме накапливаются различия (черная и белая хромосомы вместо двух серых), происходит вторичная диплоидизация.
4) Дальше геном опять удваивается (четыре хромосомы), и цикл повторяется.
На последней стадии генов должно стать примерно в 4 раза больше, чем на первой. Однако на самом деле некоторые гены выпадают — это особенно заметно в кластерах Hoxd и Hoxc.
Процессы полиплоидизации и вторичной диплоидизации хорошо изучены у цветковых растений (например, в семействе злаков нет ни одного первично диплоидного вида, и во многих ветвях полиплоидизация происходила несколько раз). Среди животных позвоночные — видимо, единственная полностью полиплоидная крупная группа. Это можно считать еще одним уникальным признаком нашего подтипа, наряду с черепом, головным мозгом из 5 отделов, а также нервным гребнем.

Hox-кластеры латимерии и данио

latimeria

Латимерия, единственная современная кистеперая рыба (один род с двумя видами, африканским и индонезийским).
Легко представить, как был потрясен профессор Джеймс Леонард Брайерли Смит, впервые увидев это создание. В его книге «Старина-четвероног» замечательно рассказано и об открытии, и о последующих приключениях.
Так вот. Здесь изображены Hox-кластеры трех позвоночных: (а) мышь, (b) латимерия, (c) карповая рыба Danio rerio (Koh et al., 2003):

latcluster01

Зеленым показаны гены, близкие у латимерии и млекопитающих, голубым – близкие у латимерии и данио.
У мыши 4 Hox-кластера и 39 Hox-генов (как у человека), у латимерии — 4 Hox-кластера и 33 Hox-гена.
У данио — 7 Hox-кластеров и 47 Hox-генов!
Костистые рыбы (высшие лучеперые) — единственные позвоночные, у которых Hox-кластеров больше четырех. Зачем им столько, пока не совсем понятно.