March 21st, 2012

Экспрессия Dlx в жаберной дуге

На самом деле жаберные дуги устроены несколько сложнее, чем может показаться, если обозначать их просто номерами.
Вот так выглядит первая метагиоидная жаберная дуга кистеперой рыбы Eusthenopteron (Дзержинский, 1998):

archeust

Кистеперые — очень древняя и примитивная группа рыб. Поэтому то, что мы видим на этом рисунке, вполне подходит на роль портрета «жаберной дуги вообще», неспециализированной. Типичная жаберная дуга состоит из четырех парных (расположенных между жаберными щелями справа и слева) элементов:
1) фаринго-элемент (pharyngobranchiale), часто раздвоенный;
2) эпи-элемент (epibranchiale);
3) церато-элемент (ceratobranchiale);
4) гипо-элемент (hypobranchiale).
Фаринго- и гипо-элементы обычно маленькие, церато-элемент — самый длинный.
В самых передних дугах состав элементов меняется, но мы это пока не будем обсуждать.
Нам важно, что в типичной жаберной дуге членики различаются между собой по экспрессии гомеобоксных генов, только не семейства Hox, а семейства Dlx (Schilling, 2003):

schilling

Что мы видим на этой картинке:
1) Генов Dlx всего шесть.
2) В фаринго- и эпи-элементах экспрессируются два из них (Dlx1, Dlx2).
3) В церато-элементе начинается экспрессия еще двух генов — Dlx5 и Dlx6. Экспрессия Dlx1 и Dlx2при этом не исчезает, так что всего в церато-элементе экспрессируется четыре Dlx-гена.
4) В гипо-элементе начинается экспрессия генов Dlx3 и Dlx7. Экспрессия предыдущих четырех генов при этом опять же не исчезает, так что всего в гипо-элементе экспрессируется шесть Dlx-генов.
Перед нами опять модель французского флага!
Только здесь она развернута не по передне-задней оси (как с Hox-генами), а по проксимо-дистальной — от вершины дуги к ее основанию.
Два совершенно необходимых замечания:
1) Нумерация Dlx-генов (в отличие от Hox-генов) не соответствует ни порядку их экспрессии, ни порядку расположения в хромосоме, а сделана исключительно в порядке, в котором их открывали. Что называется, «так сложилось исторически». При этом произошла некоторая путаница, в частности, гена Dlx4 не существует вовсе.
2) У бесчелюстных, в отличие от рыб, жаберная дуга не делится на фаринго-, эпи-, церато- и гипо-элементы, и экспрессия Dlx-генов по всей дуге равномерна (верхняя картинка на приведенном рисунке).

Гомеозис, физиологические градиенты и ароморфоз

Жаберные дуги бесчелюстных устроены иначе, чем у челюстноротых. Во-первых, передние дуги там не превращены в челюсти. Во-вторых, нет деления на членики, соединенные суставами — дуга непрерывна и упруга. И в-третьих, жаберная дуга бесчелюстных зеркально симметрична относительно горизонтальной плоскости — ее верхняя и нижняя половины отражают друг друга (Shigetani et al., 2005):

minoga

Сверху здесь изображена минога (современное бесчелюстное), снизу — часть скелета миноги.
n – хорда, na – невральные дуги, phs – жаберные щели.
Зеркальная симметрия жаберных дуг относительно проведенной через жаберные щели горизонтальной плоскости прекрасно видна.
Очевидно, что у челюстноротых с их делением жаберной дуги на четыре членика такой симметрии в принципе не может быть.
Между тем последовательность экспрессии Hox у бесчелюстных устроена совершенно так же, как и у челюстноротых (Shigetani et al., 2005):

expr_minoga

В гомологах предчелюстной (PM) и челюстной (MA) дуг экспрессии Hox-генов нет (default of Hox code), в гиоидной дуге (HA) экспрессируется только ген Hox2, в первой метагиоидной (Ba1) — гены Hox2 и Hox3, и так далее.
Стоит вспомнить, что еще в первой половине XX века Чарльз Мэннинг Чайльд ввел понятие физиологического градиента, то есть направленного изменения некоторого физиологического параметра вдоль одной из осей тела. Частный случай физиологического градиента — градиент экспрессии. Причем в жаберной решетке их сразу два: градиент экспрессии Hox и градиент экспрессии Dlx.
А теперь — главные выводы.
Из классической зоологии мы знаем, что переход от бесчелюстных к челюстноротым есть прекрасный пример ароморфоза — качественного эволюционного изменения, приводящего к существенному расширению адаптивной зоны.
Благодаря биологии развития мы узнали об этом ароморфозе кое-что новое. Отличие челюстноротых от бесчелюстных на уровне гомеозисных генов состоит в том, что в их жаберном скелете к градиенту экспрессии семейства Hox (передне-заднему) добавляется градиент экспрессии семейства Dlx (проксимо-дистальный). Это — генетический механизм ароморфоза.
У беспозвоночных данный механизм был бы принципиально невозможен, потому что ген Dlx у них только один: дупликация генома, открытая Холландом, еще не произошла.
Но именно в подобных механизмах, скорее всего, и заключается настоящая эволюционная роль гомеозисных генов.

Гомеозис и позиционная информация

Льюисом Вольпертом было придумано понятие «позиционная информация»: совокупность сигналов, диктующих каждому эмбриональному зачатку направление его дифференцировки. Значения этих сигналов, разумеется, зависят от геометрического положения данной точки в организме. Уровни экспрессии генов (точнее, концентрации их продуктов) — важная часть позиционной информации.
Итак, вот позиционная информация в жаберной решетке челюстноротого (Shigetani et al., 2005):

positional_branchial

Эта схема просто сводит воедино то, что нам уже известно об экспрессии Hox и Dlx (см. предыдущие посты).
Из эмбриологии известно, что ранние зачатки жаберных дуг непрерывны и однородны. Но дальше-то они должны дифференцироваться.
Например, во что дифференцируется участок хряща (точнее — прохондральной ткани), в котором экспрессируются гены Hox2, Hox3, Dlx1, Dlx2, Dlx5 и Dlx6?
Ответ: в церато-элемент 1-й метагиоидной дуги.
Во что дифференцируется участок, в котором экспрессируются гены Hox2, Dlx1, Dlx2, Dlx5, Dlx6, Dlx3 и Dlx7?
Ответ: в гипо-элемент гиоидной дуги.
Вот так позиционная информация и работает.
Гомеозисные гены — это система позиционной разметки тела, управляющая дифференцировкой его крупных частей.

Дополнение о латимерии и ее Hox-кластерах

В роде латимерия сейчас известно два современных вида. Один — Latimeria chalumnae — был открыт в 1938 году и живет в Индийском океане, около Южной Африки. Другой, Latimeria menadoensis, был открыт только в 1997 году. Он живет тоже в Индийском океане, но в Индонезии.
Отличаются они вроде бы мало, в основном окраской.
Latimeria chalumnae:

latimeria_chalumnae

Latimeria menadoensis:

latimeria_menadoensis

Так вот, латимерия, схему Hox-кластеров которой я приводил несколькими постами выше — это Latimeria menadoensis. Найти такие данные для Latimeria chalumnae мне не удалось. Это не очень существенно, потому что у двух видов одного рода Hox-кластеры вряд ли отличаются. Хотя, by the way, вот если окажется, что все-таки отличаются, — это будет крайне интересно.
Гораздо более важное дополнение вот какое. В статье, которую я цитировал, сказано, что у латимерии всего 33 Hox-гена (Koh et al., 2003). В более новой работе, выполненной на том же виде другим методом, показано, что их не 33, а 42 (Amemiya et al., 2010). Учитывая, что на заре эволюции позвоночных произошла двукратная дупликация всего генома, это более правдоподобно — латимерия ведь относится к весьма древней группе, логично, что и признаки у нее древние. Если общий предок ланцетника и позвоночных имел 13 Hox-генов, то после одной дупликации их должно было стать 26, а после двух — 52! Но это, разумеется, только при условии, что между дупликациями гены не терялись.
Сама теория, что геном позвоночных учетверился, сейчас очень широко принята. Для события дупликации всего генома существует даже сокращенное обозначение — WGD (whole genome duplication).
Видимо, оба события WGD произошли в эволюции позвоночных до того, как появились хрящевые рыбы — то есть очень рано. Таким образом, акулы, кистеперые рыбы, примитивные лучеперые (многопер, панцирная щука, амия) и все наземные позвоночные являются счастливыми обладателями четырех Hox-кластеров. У высших лучеперых ситуация сложнее, кластеров больше, и есть гипотеза, что WGD произошла у них еще раз независимо. Правда, в этом случае Hox-кластеров у костистых рыб должно быть 8, а их у большинства 7. Но в 2009 году все-таки удалось найти рыбу, у которой их именно 8 — это Hiodon alosoides из отряда араванообразных. В общем, бог их, лучеперых рыб, знает, не совсем понятно пока с ними.
Посмотрим лучше на схему эволюции Hox-кластеров у остальных челюстноротых позвоночных:

latimeria_cluster_ev

Древо выглядит довольно сложным, но разобраться в нем стоит. Давайте по порядку.
Кластеры a, b, c и d показаны сверху вниз. У всех животных, попавших на эту схему, их только четыре. Начало кластеров — справа.
У основания каждой ветви синими цифрами написано число Hox-генов у общего предка этой ветви. У акул их, между прочим, 47 — довольно много, хоть никаких дополнительных дупликаций там и не было. Еще одно подтверждение старой идеи, что пластиножаберные — очень древняя и примитивная группа. Может быть, даже самая примитивная среди челюстноротых.
Черными цифрами/буквами подписаны номера Hox-генов, которые в данной ветви потеряны.
В самих кластерах темно-синим цветом обозначены гены, которые есть у хрящевых рыб, но потеряны у костных.
Красным — гены, которые есть у других групп, но потеряны у латимерии.
И желтым — гены, которые сохранились у латимерии, но потеряны у наземных позвоночных.
Гены Hoxa14 и Hoxb14 у хрящевых рыб превратились в псевдогены, поэтому они показаны пунктиром.
Перечеркнутые черные кружочки — гены микроРНК. Они, оказывается, могут находиться внутри кластеров Hox.
Evx — гомеобоксный ген с разнообразными функциями (известна экспрессия в мозге и в почках конечностей), который находится рядом с Hox-кластером и дуплицировался вместе с ним.
Если присмотреться к древу, там особенно интересна ситуация с геном Hoxa14. У лучеперых и у тетрапод он потерян, у акул — псевдогенизирован, и сохранился в роли функционального гена только у латимерии, как некий знак ее древности и давней обособленности.