March 23rd, 2012

Происхождение кластера Hox

Несомненно, все Hox-гены произошли от одного гена-предшественника в результате серии дупликаций. Но о том, как конкретно это произошло, есть несколько гипотез.
«Четырехгенная модель» (Garcia-Fernandez, 2004): ген-предок (UrProtoHox) дуплицировался дважды и дал кластер ProtoHox из 4 генов, который потом дуплицировался еще раз и дал два семейства — ParaHox и Hox:

garcia4gen

Другая версия — «двухгенная модель» (Garcia-Fernandez, 2004): ген UrProtoHox дуплицировался дважды и дал два кластера из 2 генов — ParaHox и Hox, в которых потом дупликации шли независимо:

garcia2gen

ParaHox – это небольшое семейство гомеобоксных генов, которые контролируют передне-заднюю позиционную разметку (как и Hox), но экспрессируются в основном в энтодерме (в отличие от Hox, которые экспрессируются в первую очередь в эктодерме).
Интересно, насколько можно сравнивать такие процессы с полимеризацией / олигомеризацией соматических органов? И имеет ли вообще такое сравнение смысл? Я бы не спешил ни с положительным, ни с отрицательным ответом.

Происхождение кластера Hox: единая модель

На следующей картинке: двухгенная, четырехгенная и трехгенная (есть и такая) модели эволюции кластера ProtoHox (Thomas-Chollier et al., 2010):

thomas-holier

Окончательный выбор между этими моделями еще не сделан. Но самое интересное, что это не так уж важно. Потому что — внимание — в центре рисунка изображено базовое для настоящих многоклеточных животных состояние, вытекающее из всех трех моделей. Такая вот эволюционная эквифинальность.

Эволюция Hox-генов Metazoa

Так выглядит схема эволюции Hox-кластера, наложенная на родословное древо многоклеточных животных (Garcia-Fernandez, 2005):

garcia_metazoa

Согласно этой схеме, у общего предка настоящих двусторонне-симметричных животных (первичноротые + вторичноротые) Hox-генов 7.
У бескишечных плоских червей, которые к настоящим двусторонне-симметричным животным не относятся — всего 4.
У общего предка первичноротых — 9.
У иглокожих (вторичноротые, но не хордовые) — 12.
И наконец, у ланцетника и первых позвоночных, у которых еще не произошла дупликация генома — 14.

Эволюция Hox-генов Metazoa, более подробное древо

Вот значительно более детальная схема эволюции семейства Hox у многоклеточных животных (Lemons, McGinnis, 2006):

lemmons

Список названий животных:
N.v. — Nematostella vectensis (коралловый полип).
S.m. — Schistosoma mansoni (паразитический плоский червь).
D.m. — Drosophila melanogaster (муха).
C.e. — Caenorhabditis elegans (нематода).
S.p. — Strongylocentrotus purpuratus (морской ёж).
B.f. — Branchiostoma floridae (ланцетник).
O.d. — Oikopleura dioica (аппендикулярия).
M.m. — Mus musculus (мышь).

На этой схеме, в отличие от предыдущей, отражены инверсии генов в кластерах, видимо накапливающиеся в результате хромосомных мутаций (инверсии — самая частая и безобидная разновидность последних).
Основные комментарии к рисунку:
1) Самый «идеальный» Hox-кластер, без перестановок и разрывов, мы видим у ланцетника. Чуть менее идеальный (с инверсиями) — у морского ежа.
2) У млекопитающих Hox-кластеров становится 4, у лучеперых рыб — 7. Не связано ли с этим уникальное разнообразие высших лучеперых? Есть идея, что причина их эволюционного успеха как раз в обилии «запасных» генов, позволяющих более широко играть с изменчивостью.
3) У дрозофилы Hox-кластер разорван.
4) У нематоды он распался почти совсем, а у аппендикулярии — совсем.
5) И наконец, у шистосомы от него осталось всего 4 отдельных гена.
Вообще-то эту карту (хочется назвать ее именно так) можно рассматривать долго и увлеченно — приведенными комментариями ее содержание никак не исчерпывается.
Но вот очевидный вопрос. Почему у ланцетника и морского ежа Hox-кластер такой целый, а у дрозофилы, нематоды, аппендикулярии и шистосомы он распадается?

Почему Hox-кластер распадается?

Есть гипотеза, что причиной распада Hox-кластера у оболочников и некоторых червей является высокая мозаичность их онтогенеза (Seo et al., 2004):

raspad_hox

Со времен великих эмбриологов Вильгельма Ру и Ганса Дриша известно, что индивидуальное развитие бывает двух типов. Онтогенез, в котором судьба зачатка органа зависит от положения окружающих частей зародыша и от взаимодействия с ними (например, химического или механического), называется регуляционным. Онтогенез, в котором судьба зачатка не зависит от действия на него окружающих частей зародыша, называется мозаичным. В зародыше с ярко выраженным мозаичным онтогенезом каждая клетка уже на стадии ранней бластулы «знает», какой орган должен из нее развиться. Очевидно, факторы позиционной разметки в таком зародыше менее необходимы, чем в регуляционном.
У первичноротых онтогенез чаще мозаичный (у насекомых, кольчатых и плоских червей, моллюсков). У вторичноротых онтогенез, как правило, регуляционный (у иглокожих, ланцетника и позвоночных), но у оболочников — мозаичный. Предельно мозаичный онтогенез, в котором однозначно задана судьба каждой клетки, имеют нематоды и аппендикулярии.
Существует отрицательная корреляция между степенью мозаичности онтогенеза и устойчивостью Hox-кластера у данной группы животных. У позвоночных и у ланцетника онтогенез типично регуляционный, и никаких разрывов Hox-кластеров у них нет (первая и вторая картинки на схеме, если считать справа). У асцидии онтогенез гораздо ближе к мозаичному, и Hox-кластер у нее распался на 5 фрагментов, содержащих соответственно 1, 3, 2, 1 и 2 гена (третья картинка). Наконец, онтогенез аппендикулярии (четвертая картинка) — один из самых мозаичных во всем животном мире; Hox-кластер у нее распался на 9 отдельных генов, то есть окончательно перестал существовать. Интересно, что число Hox-генов при этом если и уменьшилось, то незначительно. Но их функция изменилась наверняка.
У шистосомы Hox-кластер не только распался, но и редуцировался: от него осталось всего 4 гена. Скорее всего, это вторичное упрощение, связанное с упрощением всего тела при паразитизме. Чистой воды дегенерация в старинном (северцовском) смысле этого слова.

Станислав Лем о преимуществах мозаичного онтогенеза

Stanislaw%20Lem

«Я, однако, все возвращался мыслями к птицам и насекомым. Как это происходит – каким образом они наследуют готовые знания, передаваемые из поколения в поколение? Было известно лишь одно. У птиц нет, в сущности, коры, то есть кора не играет большой роли в их нейрофизиологии, а у насекомых ее нет совершенно, – и вот насекомые приходят на свет с полным почти запасом знаний, необходимых им для жизни, а птицы – со значительной их частью. Из этого следует, что кора является подоплекой учения – этого… этого препятствия на пути к величию. Ибо в противном случае знания аккумулировались бы, так что праправнук какого-нибудь Леонардо да Винчи стал бы мыслителем, в сравнении с которым Ньютон или Эйнштейн показались бы кретинами! Извините. Я увлекся. Итак, насекомые и птицы… птицы. Здесь вопрос был ясен. Они произошли, как известно, от ящеров и, значит, могли только развивать тот план, ту конструктивную предпосылку, которая заключалась в ящерах: архистриатум, паллидум – эти части мозга были уже даны, у птиц, собственно, не было никаких перспектив, и прежде, чем первая из них поднялась в воздух, дело было проиграно. Решение компромиссное: немного нервных ядер, немного коры – ни то, ни се, компромиссы нигде не окупаются, в эволюции тоже. Насекомые – ну, здесь дело обстояло иначе. У них были шансы: эта симметричная, параллельная структура нервной системы, парные брюшные мозги… от которых мы унаследовали рудименты. Наследство это не только загублено, но и преобразовано. Чем они занимаются у нас? Функционированием нашего кишечника! Но – обратите внимание, очень прошу! – это они умеют с самого рождения; симпатическая и парасимпатическая системы с самого начала знают, как управлять работой сердца, внутренних органов; да, вегетативная система это умеет, она умна от рождения! И вот ведь никто над этим не задумывался, а?.. Так оно есть – так должно быть, если поколения появляются и исчезают, ослепленные верой в свое фальшивое совершенство. Хорошо, но что с ними случилось – с насекомыми? Почему они так жутко застыли, откуда этот паралич развития и внезапный конец, который наступил почти миллиард лет назад и навсегда задержал их, но не был достаточно мощным, чтоб их уничтожить? Э, что там! Их возможности убил случай. Абсолютная, глупейшая случайность… Дело в том, что насекомые ведут происхождение от первичнотрахейных. А первичнотрахейные вышли из океана на берег, уже имея сформировавшуюся дыхательную систему, эволюция не может, как инженер, неудовлетворенный своим решением проблемы, разобрать машину на части, сделать новый чертеж и заново собрать механизм. Эволюция неспособна на это. Ее творчество выражается лишь в поправках, усовершенствованиях, достройках… Одна из них – кора мозга… Трахеи – вот что было проклятием насекомых! У них не было легких, были трахеи, и потому насекомые не могли развить активно включающийся дыхательный аппарат, понимаете? Ну, ведь трахеи – просто система трубок, открытых на поверхности тела, и они могут дать организму лишь то количество кислорода, какое самотеком пройдет через отверстия… вот почему. Впрочем, это, разумеется, вовсе не мое открытие. Но об этом говорят невнятно: мол, несущественно. Фактор, благодаря которому был вычеркнут из списка самый опасный соперник человека… О, к чему может привести слепота! Если тело превысит определенные, поддающиеся точному исчислению размеры, то трахеи уже не смогут доставлять необходимое количество воздуха. Организм начнет задыхаться. Эволюция – конечно же! – приняла меры: насекомые остались небольшими».

Это из рассказа «Формула Лимфатера», написанного в 1963 году.
Лем, надо полагать, принимал теорию Мэнтон, которая выводила многоножек и насекомых от первичнотрахейных (то есть от онихофор) и объединяла их всех в тип одноветвистые, – сейчас эта теория однозначно считается устаревшей. К тому же надо учитывать, что говорит тут все же не автор, а его персонаж – спятивший биофизик. Но все это мелочи. Главное – свобода мысли в сочетании с грамотностью.
В «Формула Лимфатера» есть и другие интересные мысли об эволюции. И не только об эволюции. Замечательный рассказ, всем советую.

Любимая метафора

Stanislaw+Lem+sta

«Эволюция шла различными путями – ведь она слепа, это слепой скульптор, который не видит собственных творений и не знает – откуда ему знать? – что с ними будет дальше».