March 8th, 2015

Инверсия (продолжение)

Вот так, возможно, выглядела общая картина эволюции спинно-брюшной полярности у двусторонне-симметричных животных (Lowe et al., 2006):

стороны_тела

БМП-хординовая ось наглядно показана градиентом, идущим от "спины" к "брюху" (сознательно беру эти слова в кавычки). У самых ранних билатерий эти стороны уже отличались. На "брюшной" стороне располагался рот, на "спинной", возможно, сердце. В сторону "спины" возрастает концентрация белков BMP, в сторону "брюха" - белка Chordin и сопутствующих. Но на нервную систему эта разность не влияет (почти). У первых билатерий нервная система диффузная, расположена практически в толще кожи и охватывает все тело. Никакого деления на "нейральную" зону (где формируется ЦНС) и "антинейральную" (где из эктодермы образуются исключительно покровы) не существует.
У первичноротых эта система в целом сохраняется, с одним принципиальным новшеством: нервная система у них концентрируется, т.е. становится центральной. Очевидно, для концентрации нервной системы по каким-то физиологическим причинам оказалась предпочтительна "хординовая" сторона, а не БМП-сторона. Получается хорошо знакомый нам план строения, в котором рот и нервная цепочка (брюшная) расположены на одной стороне. План строения членистоногих, кольчатых червей и близких к ним животных.
У вторичноротых эволюция идет немного сложнее. Прежде всего, у них очень рано - на стадии, когда нервная система еще диффузная - появляются жаберные щели. Появляются они на "спинной" стороне, т.е. на БМП-стороне, которая - обратим на это внимание - противоположна рту. Таково вероятное состояние предка вторичноротых, и оно же, по всей видимости, сохраняется у полухордовых.
У позвоночных появляется несколько новшеств. Во-первых, концентрация нервной системы у них достигает очень высокой степени. Во-вторых, на "хординовой" стороне формируется новый опорный орган - хорда. В-третьих, образуется новый рот, расположенный, в отличие от всех других животных, не на "хординовой" стороне, а на БМП-стороне. И в-четвертых, у них возникла (пока непонятно, как) уникальная ориентация сторон тела относительно гравитационного поля: "хординовая" сторона оказалась наверху, а БМП-сторона внизу, в то время как у всех остальных - наоборот.
Выводы:
1. Понятия "спинная" и "брюшная" сторона в общем виде бессмысленны. Когда мы о них говорим, надо всякий раз определять, что конкретно имеется в виду. Например, "хординовая" сторона, "нейральная" сторона, "ротовая" сторона и "нижняя" (относительно гравитационного поля) сторона - это часто одно и то же, но совсем не обязательно. В общем случае это четыре разных понятия.
2. БМП-хординовая ось изначально не имела функции поддержки централизации нервной системы. Эта функция была приобретена независимо у первичноротых и у хордовых.
3. Спинно-брюшная инверсия и централизация нервной системы - два события, которые должны рассматриваться отдельно. На данный момент мы не знаем, в какой последовательности они у хордовых произошли - это надо честно признать. Может быть, сначала определилась ориентация, а потом централизовалась нервная система, может быть и наоборот.
4. Одной из главных (если не самой главной) загадкой ранней эволюции хордовых по-прежнему остается происхождение и гомология их рта. Это прекрасно понимал еще Антон Дорн. Но никакого общепринятого решения проблемы со времен его работ, то есть за 140 лет, так и не появилось. У всех первичноротых и вторичноротых, кроме хордовых, рот расположен на "хординовой" стороне. На полухордовых показано, что белки BMP у них обладают "антиротовым" действием: при избыточной экспрессии BMP рот не развивается, при недостаточной - рот развивается настолько, что становится кольцевым и в результате отваливается хоботок. У позвоночных же рот находится на BMP-стороне, и это означает, что в их эволюции каким-то уникальным образом поменялась сама система сент-илеровских коннексий.

Инверсия (продолжение)

В прошлом посте я написал, что у первых билатерий спинно-брюшная полярность, скорее всего, не влияла на структуру диффузной нервной системы, и сделал оговорку: почти.
Так вот, это "почти" заслуживает внимания. Речь пойдет опять о полухордовых. Их нервная система, хоть и диффузная, все-таки в некоторой степени дорсо-вентрально дифференцирована. На "спинной" стороне (где экспрессируется BMP) там преобладают чувствительные нейроны, на брюшной (где экспрессируется Chordin) - двигательные. Нервные тяжи, проходящие по средним линиям обеих сторон, четко различаются по специализации: "спинной" тяж образован в основном отростками чувствительных нейронов (в том числе гигантских), а "брюшной" в основном отростками двигательных.
Интересно, что очень похожая дифференциация, и тоже с использованием генов BMP, наблюдается в нервной трубке позвоночных (Pourquie, 2014):

coordination_of_progenitor_specification_and_growth_in_spinal_cord_1_600

Действительно близкая схема, только антагонистом BMP выступает не Chordin, а Sonic hedgehog (Shh). В дорсальной части нервной трубки - где образуются вставочные нейроны - экспрессируется BMP. В вентральной части нервной трубки - где образуются двигательные нейроны - экспрессируется Shh. Градиенты сигнальных белков противоположны. Очень красивая модель. Вот так и формируется всем знакомая (хотя бы из школьного курса биологии для 8 класса) "бабочка" серого вещества в спинном мозге. Подробности есть в обзоре, сделанном Марковым на Элементах, так что тут я в них не вхожу.
Посмотрим на картинку. Вторая стадия дифференцировки, когда она перестает зависеть от концентраций сигнальных белков, нас сейчас не интересует. Интересует первая. Не правда ли, похоже на дифференцировку нервной системы полухордовых? Со спины - BMP-зона, там сенсорные нейроны (у позвоночных - вставочные, но передающие сенсорную информацию). С брюха - зона фактора-антагониста BMP, там мотонейроны. Не гомология ли?
Конечно, нет. Во-первых, не может же одна нервная трубка позвоночных быть гомологичной всему телу полухордового! Во-вторых, когда у эмбриона позвоночного нервная пластинка превращается в нервную трубку, ее дорсальные и вентральные домены могут изрядно сместиться, чуть ли не поменявшись ориентацией. В-третьих, фактор-антагонист - все-таки другой. Так что никакой гомологии нет, ни по критерию непрерывности, ни по критерию положения, ни по критерию специальных качеств. Налицо просто использование общего инструмента - в данном случае фактора BMP - для решения аналогичной задачи. Судя по всему, в эволюции так бывает часто.