Некоторые ученые выдвинули дупликацию в качестве причины так называемого кембрийского взрыва

Некоторые ученые выдвинули дупликацию в качестве причины так называемого кембрийского взрыва

«Известный английский биолог Питер Холланд считает, что древняя вспышка эволюции многоклеточных животных, обычно называемая кембрийским взрывом, частично объясняется генетическими причинами. Необходимой предпосылкой для бурной эволюции двусторонне-симметричных животных была генная дупликация (или серия дупликаций), в результате которой возникли гены Hox и ParaHox — важные регуляторы индивидуального развития. Это не исключает действия экологических факторов на раннюю эволюцию животных, но заставляет обязательно учитывать также вклад чисто генетических новшеств.

Одной из самых больших загадок в истории жизни на Земле давно считается так называемый кембрийский взрыв — внезапное появление множества крупных групп животных примерно 540 миллионов лет назад, в начале кембрийского периода. Иногда встречается мнение, что кембрийский взрыв — это артефакт, иллюзия, связанная не столько с появлением новых эволюционных ветвей, сколько с изменением условий захоронения ископаемых остатков. Но последние исследования подтверждают, что резкое ускорение эволюции на границе кембрия вполне реально. Кембрийский взрыв действительно был.

Чем он был вызван? Эта проблема вполне может соперничать по популярности, например, с проблемой вымирания динозавров или появления человеческого прямохождения. Есть много гипотез, объясняющих кембрийский взрыв внешними факторами: например, повышением уровня океана (с появлением множества мелководных продуктивных окраинных морей) или изменением химического состава морской воды (с повышением содержания кислорода, кальция, фосфатов). Однако за сто лет ни одна из этих версий не получила настолько надежного подтверждения, чтобы оказаться вне конкуренции.

Есть объяснения более сложные, многоступенчатые. Например, американский палеонтолог Дуглас Эрвин (Douglas Erwin) считает, что на границе кембрия некоторые животные научились активно рыться в морском дне, это вызвало насыщение грунта кислородом, расширило набор экологических ниш и привело к «цепной реакции видообразования». Но у этой гипотезы тоже есть слабые места. И самое главное — она упускает из виду начальный этап процесса. Животные, способные перерывать морское дно, должны были сначала возникнуть.

Знаменитый британский эволюционный генетик Питер Холланд (Peter Holland) предлагает для разнообразия поискать внутренние причины кембрийского взрыва, заключенные не в окружающей среде, а в самой структуре эволюционирующих организмов. Разумеется, Холланд прекрасно понимает, что и про экологические причины тоже нельзя забывать: такое сложное событие, как кембрийский взрыв, наверняка было вызвано многими факторами, а не одним. Скорее всего, там имел место каскад взаимосвязанных перемен. Тем не менее очевидно, что реакция любой системы на внешнее воздействие зависит не только от характера этого воздействия, но и от свойств самой системы. Что, если подойти к проблеме с этой стороны?

Правда, о внутреннем устройстве раннекембрийских, а тем более докембрийских животных мы пока знаем маловато. Но кое-что можно попытаться вычислить по косвенным данным, анализируя «поведение» организмов в макроэволюционном масштабе времени.

Что, собственно, на границе кембрия «взорвалось»? Стоит обратить внимание, что большая часть событий, в сумме составляющих кембрийский взрыв, связана с эволюцией не просто животных, а двусторонне-симметричных животных. Есть только четыре современных типа животных, которые не относятся к двусторонне-симметричным: губки, гребневики, пластинчатые, стрекающие (в прошлом году предположительно был найден представитель пятого типа, но эта находка еще толком не описана). Все остальные животные, включая червей, улиток, морских ежей, бабочек и нас самих, относятся к огромной группе двусторонне-симметричных (билатерий). Именно очень быстрое — в данном случае это значит «за считанные миллионы лет» — появление большого числа крупных ветвей двусторонне-симметричных животных делает начало кембрия совершенно уникальным моментом земной истории.

Что в этих животных особенного? Билатерии исключительно разнообразны, поэтому любая их краткая характеристика рискует погрешить неточностью. Тем не менее можно назвать четыре главных признака, отличающих билатерий от «небилатерий».

Передне-задняя ось. Типичное двусторонне-симметричное животное проводит жизнь в поступательном движении, при этом его тело имеет четко выраженные передний и задний конец — попросту говоря, голову и хвост. На переднем конце обычно находятся органы чувств и ротовой аппарат.

Центральная нервная система. У «небилатерий» нервной системы или нет вообще (губки, пластинчатые), или она относительно простая (гребневики, стрекающие). У билатерий нервная система, как правило, более мощная, часто она собрана в единую цепочку или тяж. Кроме того, для нее очень характерно продольное подразделение на отделы, самый передний из которых принято называть головным мозгом.

Сквозной кишечник. Билатериям свойствен кишечник в виде трубки, которая начинается ртом (обычно вблизи переднего конца тела) и оканчивается анальным отверстием (обычно вблизи заднего конца тела). Такой кишечник, как и нервная система, имеет продольное подразделение на отделы, например на переднюю, среднюю и заднюю кишку. Пища все время движется по сквозной кишке в одном направлении — от рта к анальному отверстию. Среди билатерий есть случаи отсутствия сквозного кишечника, но большинство их наверняка связано с вторичной потерей. У «небилатерий» сквозного кишечника в виде трубки не бывает никогда. Даже если их кишечная полость и имеет другие отверстия, кроме рта (у гребневиков, например), система однонаправленного протока пищи там отсутствует.

Три зародышевых листка. Зародыш многоклеточного животного, как правило, делится на слои клеток, называемые зародышевыми листками. У билатерий четко описано три зародышевых листка. У «небилатерий» зародышевые листки или вообще выделяются с трудом (губки, пластинчатые), или их скорее два, чем три (гребневики, стрекающие). По этой причине билатерий еще с XIX века принято считать трехслойными животными (триплобластами), а «небилатерий» двухслойными (диплобластами). Трехслойные животные отличаются от двухслойных наличием среднего зародышевого листка — мезодермы, из которой развивается, в частности, мышечная система. Поэтому такие животные способны к гораздо более активным и разнообразным движениям.

Известнейший британский палеонтолог Саймон Конвей Моррис (Simon Conway Morris) еще в 1993 году высказал мнение, что главное эволюционное содержание кембрийского взрыва заключалось в переходе с уровня двухслойных животных на уровень трехслойных, то есть двусторонне-симметричных (S. Conway Morris, 1993. The fossil record and the early evolution of the Metazoa). По Конвею Моррису, кембрийский взрыв в основном и состоял во «вторжении» в биосферу Земли трехслойных животных. Накопившиеся с тех пор палеонтологические данные вовсе не противоречат этой идее.

Как выглядел последний общий предок всех современных двусторонне-симметричных животных (latest common ancestor of all living bilaterians, LCAB)? Сравнительная анатомия и генетика развития дают достаточно оснований думать, что у этого общего предка была центральная нервная система, сквозной кишечник и расположенные по сторонам от него мышцы (возможно, даже сегментированные). Сокращения этих мышц давали возможность сложным образом менять форму тела, обеспечивая ползание, плавание или рытье — во всех случаях головой вперед.

Двусторонне-симметричные животные гораздо лучше приспособлены к активному перемещению в трехмерном пространстве, чем «небилатерии». Причем трехмерным пространством для них может быть не только толща воды, но и толща грунта. Не исключено, что именно рытье в грунте сыграло ключевую роль в эволюции ранних билатерий (как это и предполагает гипотеза Эрвина). Роющему двусторонне-симметричному существу удобно использовать грунт для питания: ил поступает в рот, проходит кишечную трубку, отдавая по пути питательные вещества, и выбрасывается через анус, оставаясь позади. Продвигаться сквозь грунт ему тоже удобно: для этого есть сильные мышцы, а кроме того, в мезодерме может образоваться еще и целомическая (вторичная) полость, которая заполнена жидкостью и выполняет функцию гидростатического скелета. В зоологии давно есть идея, что целом возник именно при переходе к рытью, в качестве гидроскелета, который стал тогда необходим (R. Clark, 1981. Locomotion and the phylogeny of the Metazoa).

Если этот сценарий соответствует действительности, то прекрасным образцом древней жизненной формы билатерий может послужить не кто иной, как дождевой червь. Он сменил морскую среду на почву, но сохранил в самом ярком виде все перечисленные признаки: сквозная кишка с ртом на переднем конце тела и анусом на заднем, сильные мышцы (сегментированные) и целом с явной опорной функцией.

В любом случае, о появлении двусторонне-симметричных животных можно сказать, что оно: (1) произошло во временной окрестности границы кембрия (никаких убедительных свидетельств намного более раннего существования билатерий нет) и (2) произвело настоящую революцию как в анатомии животного мира, так и в глобальной экологии.

Но что все-таки вызвало эту революцию? Вот тут-то и стоит подумать о том, какие внутренние изменения в организмах сделали ее возможной.

Как ни парадоксально, на нынешнем уровне развития биологии мы зачастую знаем больше про гены, которые были у древних животных, чем про анатомию этих животных. В таком случае с генов и стоит начать.

В первую очередь нас должны интересовать гены, контролирующие развитие (1) нервной системы, (2) кишечника и (3) мезодермальных структур, к которым относятся мышцы и целом (рис. 2). Таких генов сейчас известно достаточно много. Как правило, они кодируют белки, способные включать или выключать другие гены, то есть являющиеся факторами транскрипции. К генам факторов транскрипции, способным влиять на развитие животных, относятся, например, Fox-гены, Pax-гены, гомеобоксные гены, T-боксные гены и гены «цинковых пальцев».

Поскольку «нельзя объять необъятное», Питер Холланд выбрал для исследования только одну из этих пяти групп генов — гомеобоксные гены. Они неплохо изучены, и, судя по всему, именно от них сильнее всего зависит развитие интересующих нас систем органов.

Когда заходит речь о гомеобоксных генах, многие биологи (и небиологи, интересующиеся научной литературой, тоже) первым делом вспоминают про гены семейства Hox. Строго говоря, это неправильно. Hox-гены — действительно важные регуляторы развития животных, они могут, скажем, определять отличия между разными сегментами тела. Но далеко не все гомеобоксные гены являются Hox-генами. Например, в геноме мухи-дрозофилы гомеобоксных генов больше сотни, а к семейству Hox из них относятся только восемь. В геноме человека гомеобоксных генов больше двухсот, а к семейству Hox из них относятся только 39. По выражению Холланда, Hox-гены — это «верхушка гомеобоксного айсберга».

Гомеобоксные гены, эволюция которых особенно интересна с точки зрения сравнительной анатомии, называются ANTP-генами (от мутации antennapedia). Это один из нескольких классов гомеобоксных генов, который, в свою очередь, делится на генные семейства. Кроме уже упомянутых Hox-генов, к ANTP-генам относятся ParaHox-гены, NK-гены, Dlx-гены, Evx-гены, Emx-гены, Dbx-гены, Msx-гены и ряд других.

Важная особенность генов семейства Hox состоит в том, что они склонны располагаться в хромосомах рядом друг с другом, образуя плотные группы — кластеры. Например, у дрозофилы все восемь Hox-генов собраны в один кластер. У человека таких кластеров четыре. У некоторых животных Hox-кластеры распадаются, но гораздо чаще они остаются более-менее целыми. Эта особенность имеет огромное значение и для регуляции работы Hox-генов, и для их эволюции. Именно расшифровка принципа работы Hox-кластера была главным достижением великого американского генетика Эдварда Льюиса (Edward B. Lewis), получившего за это в 1995 году Нобелевскую премию.

В 1990-х годах было открыто еще несколько генов, очень близких к Hox-генам по нуклеотидной последовательности, но не входящих в Hox-кластер и, по-видимому, имеющих какие-то другие функции. Эти гены получили общее название ParaHox. Более того, для трех таких генов — Gsx, Xlox (он же Pdx) и Cdx — было показано, что по своим последовательностям они даже ближе к некоторым Hox-генам, чем многие Hox-гены между собой. Откуда же они взялись? Эту загадку удалось частично решить в 1998 году, когда Питер Холланд с коллегами обнаружили, что ParaHox-гены тоже собраны в кластер — свой собственный. Правда, ParaHox-кластер намного меньше Hox-кластера: например, у ланцетника есть 15 Hox-генов и всего три ParaHox-гена. Но они наверняка имеют общее происхождение. Первую статью на эту тему так и назвали: «Кластер ParaHox — эволюционная сестра кластера Hox» (N. Brook et al., 1998. The ParaHox gene cluster is an evolutionary sister of the Hox gene cluster).

Напрашивающийся здесь эволюционный сценарий выглядит так. У общего предка большинства современных животных был единый небольшой генный кластер, «предковый» и для Hox-генов, и для ParaHox-генов. Этот древний кластер называют ProtoHox-кластером. В некоторый момент ProtoHox-кластер удвоился вместе с частью хромосомы, в которой он находился. Такое генетическое событие называется тандемной дупликацией. Так возникли два родственных кластера, эволюция которых в дальнейшем пошла по-разному. Один из них стал Hox-кластером, а другой ParaHox-кластером.

Есть и третье семейство ANTP-генов, склонных «кластеризоваться». Они называются NK-гены. У мухи-дрозофилы их пять, и они собраны в компактный кластер, совершенно отдельный от кластеров Hox и ParaHox. Эти гены — очень древние (они наверняка возникли раньше, чем животные стали двусторонне-симметричными) и очень консервативные, то есть они сохраняются у самых разных организмов, мало изменяясь. У ланцетника и у позвоночных NK-кластер распался, но входившие в него гены сохранились по отдельности. Более того, сравнительная геномика позволяет предположить, что NK-кластер дрозофилы (с пятью генами) является остатком более крупного кластера, который существовал в начале эволюции билатерий и включал не меньше восьми генов. Сейчас он находится в процессе медленного распада, и некоторые «отколовшиеся» от него гены уже давно существуют самостоятельно.

Сравнение последовательностей показывает, что генные семейства Hox и ParaHox ближе родственны друг другу, чем любое из них — семейству NK. При этом все указывает на то, что NK-гены — самые древние. Даже у губок их несколько. Видимо, семейство NK возникло первым. А потом один бывший NK-ген стал первым геном ProtoHox, от которого в результате серии дупликаций произошли гены Hox и ParaHox. Судя по всему, тандемных дупликаций в истории гомеобоксных генов было множество; некоторые из них, как мы видим, привели к появлению новых генных семейств на основе уже существовавших. Надо только не забывать, что помимо NK-генов, Hox-генов и ParaHox-генов в геномах животных рассеяны десятки одиночных генов класса ANTP, ни в какие кластеры не входящих. Семейства NK, Hox и ParaHox — острова стабильности среди этой россыпи.

Надо сказать, что в разных группах животных эти «острова» ведут себя по-разному. Например, позвоночные имеют устойчивые Hox-кластеры и ParaHox-кластеры, а вот NK-кластер у них распадается. А у двукрылых насекомых (к которым относится муха-дрозофила) Hox-кластер разорван надвое, в ParaHox-кластере потерян один ген из трех, зато NK-кластер — компактный и целый.

Итак, у нас есть три группы ANTP-генов, образующих кластеры и — как уже известно — влияющих на развитие формы животных (заметим: само наличие генного кластера указывает на то, что в этом кластере есть достаточно сложная регуляция). С другой стороны, мы выделили в организме двусторонне-симметричного животного три особенно важные структуры: центральная нервная система, кишка, мезодерма. Не сопоставить ли одно с другим? Чтобы понять, имеет ли смысл такое сопоставление, бросим взгляд на функции интересующих нас генов.

Строго говоря, функцию гомеобоксного гена (точнее, его продукта) определить трудно. Она всегда состоит во включении или выключении каких-то других генов, но вот каких? К счастью, судить о функции можно косвенно: по тому, в каких тканях, органах или отделах тела ген экспрессируется, то есть проявляет активность. Лучше всего в этом отношении изучены, конечно, Hox-гены. Их много, открыты они давно, и статей о них — море. Их экспрессия характерна для мезодермы (из которой образуются мышцы, скелет, целом, кровеносная система) и эктодермы — наружного зародышевого листка, из которого образуются покровы и нервная система. Последнее особенно важно. Hox-гены экспрессируются у всех билатерий в центральной нервной системе, за исключением передней части головного мозга. И именно от порядка экспрессии этих генов в большой степени зависит регионализация ЦНС, то есть ее деление на отделы. Судя по сравнительным исследованиям, в мезодерме этот эффект выражен в целом слабее. Есть основания думать, что Hox — исходно «эктодермальные» гены.

С генами ParaHox дело обстоит сложнее. Впервые открыты они были у ланцетника. Из трех ParaHox-генов ланцетника два — Cdx и Xlox — активны в основном в кишке. Ген Cdx экспрессируется в самой задней части кишки, вокруг анального отверстия, причем не только у ланцетника, но и у всех изученных билатерий. Ген Xlox экспрессируется в средней части кишки, там, где у позвоночных возникают поджелудочная железа и печень. Кишка у всех животных развивается из внутреннего зародышевого листка — энтодермы. Может быть, гены ParaHox — исходно «энтодермальные»? Было бы вполне разумно предположить, что функция этих генов у билатерий состоит в определении различий между разными отделами кишечника, примерно так же, как Hox-гены определяют различия между разными частями центральной нервной системы.

Проблему, однако, составляет третий ParaHox-ген — Gbx. Если бы ParaHox-гены действительно обеспечивали регионализацию кишки, следовало бы ожидать экспрессии этого гена впереди, где-то в области рта. Получилось бы очень логично: ген Cdx «включает» дифференцировку задней кишки, Xlox — средней, и Gbx — передней.

Увы, данные по ланцетнику не подтверждают эту красивую модель. У ланцетника ген Gbx экспрессируется совсем не в кишке и не вокруг рта, а в передней части нервной трубки — той, что соответствует головному мозгу позвоночных. Другой орган и другой зародышевый листок.

Питер Холланд называет этот факт «несогласующимся» (uncooperative fact). Однако не сдается. Еще с XIX века известно, что рот хордовых (в том числе и ланцетника) не соответствует рту большинства других типов животных. Скорее всего, он имеет более позднее эволюционное происхождение. Ну, а как обстоит дело с экспрессией Gbx у животных, которые от хордовых далеки?

Установить это не всегда легко — например, у одного из самых популярных лабораторных беспозвоночных, круглого червя Caenorhabditis elegans, ген Gbx просто потерян. Однако можно сделать проверяемое предсказание: если Холланд прав, то беспозвоночные с экспрессией гена Gbx вокруг рта должны найтись. И действительно, относительно недавнее исследование показало, что у морской улитки Gibbula Gbx экспрессируется именно так. Не исключено, что это состояние и является самым примитивным для двусторонне-симметричных животных (см. L. Samadi, G. Steiner, 2010. Conservation of ParaHox genes' function in patterning of the digestive tract of the marine gastropod Gibbula varia).

Ну, а где же экспрессируется третий родственный кластер — NK? Ответ: в первую очередь в мезодерме. Например, ген NK4, он же tinman, экспрессируется у дрозофилы сначала (на ранней стадии) во всей мезодерме, а потом — в ее спинной части, где у насекомых развивается сердце. Кстати, именно с недоразвитием сердца у мутантов по этому гену связано его название: Tinman — это персонаж сказки «Волшебник из страны Оз», гораздо более известный русским читателям как Железный Дровосек. У позвоночных ген tinman (= NK4) имеет три гомолога, и они тоже экспрессируются в области сердца, несмотря на то, что наше сердце развивается не из спинной части мезодермы, а из брюшной. Это, между прочим, является очередным подтверждением гипотезы, согласно которой у хордовых спинная и брюшная стороны тела поменялись местами (см. Д. А. Воронов, 2000. Старая гипотеза «перевернутости» хордовых подтверждается). Другие NK-гены тоже участвуют в развитии мезодермальных структур, причем у самых разных животных, так что исходно «мезодермальную» функциональность семейства NK можно считать надежно установленной.

По мнению Питера Холланда, на основании этих данных можно говорить о четком соответствии между тремя кластерами и тремя зародышевыми листками. Hox — эктодерма, ParaHox — энтодерма, NK — мезодерма. А если вспомнить, какие признаки мы выделили как ключевые для билатерий — то возникновение этих групп генов должно иметь прямое отношение к тайне их происхождения. Без Hox-генов нет центральной нервной системы. Без ParaHox-генов нет сквозной кишки. Без NK-генов нет мезодермы. Серия дупликаций, создавшая эти три кластера, может быть, и не вызвала кембрийский взрыв (скорее всего, она произошла раньше), но определенно была для него необходимым условием. Говоря книжным языком — предпосылкой.

Есть ли у этой идеи слабые места? Да, есть. Питер Холланд не говорит ничего определенного о том, в какой эволюционный момент данная серия дупликаций произошла. То есть произошла-то она совершенно точно, но вот когда?.. Во-первых, она могла быть растянута во времени. А во-вторых, данные по «небилатериям» до сих пор слишком уж неполны. В связный сценарий они не выстраиваются.

С NK-генами дело обстоит проще всего: они есть у всех, в том числе и у губок, которых принято считать самыми примитивными многоклеточными животными. Может быть, приобретение генов Hox и ParaHox — это уникальная особенность билатерий? Нет. Hox-гены точно есть и у стрекающих. А ParaHox-гены — не только у стрекающих, но даже у пластинчатых (о них см., например: Судя по полному геному, трихоплакс не так прост, как думали раньше, «Элементы», 09.09.2008). Только у гребневиков эти гены пока не найдены. Но тут положение осложняется еще и тем, что для «небилатерий» общепризнанное эволюционное древо до сих пор не построено. Так что привязывать дупликацию ANTP-генов к какой бы то ни было эволюционной ветви — рановато.

И все же мнение Холланда представляется заслуживающим внимания — не в последнюю очередь из-за личности автора. Это крупнейший современный генетик, на счету которого уже очень много удачных открытий. Его выводы всегда глубоко продуманы. Именно Питер Холланд лет пятнадцать назад отважился заново высказать полузабытую гипотезу, согласно которой в начале эволюции позвоночных произошло удвоение, а вернее — даже учетверение всего генома. И эта идея, когда-то казавшаяся невероятной, теперь общепринята. Правда, там речь шла не о тандемной дупликации, а о полногеномной. В эволюции животных, конечно, имели значение и те и другие.

Есть еще один факт, о котором Питер Холланд в обсуждаемой статье попросту не успел упомянуть. Осенью 2014 года появилось сообщение, что ген ParaHox (но не Hox) обнаружен у некоторых губок (S. Fortunato et al., 2014. Calcisponges have a ParaHox gene and dynamic expression of dispersed NK homeobox genes). И вот что делать с этим — пока вовсе непонятно.

Впрочем, давно ли появились губки? На этот вопрос даются очень разные ответы. С одной стороны, есть косвенные данные, указывающие на существование губок в глубоком докембрии. С другой стороны, крупный специалист по кембрийской фауне профессор А. Ю. Журавлев считает эти данные сомнительными. Журавлев указывает, что первые достоверно определимые остатки губок появляются только в кембрийском периоде, то есть после кембрийского взрыва (А. Ю. Журавлев, 2014. Ранняя история Metazoa — взгляд палеонтолога). Если это так — значит, губки появились приблизительно одновременно с билатериями. Тогда может оказаться, что дупликация ProtoHox-генов — признак не одних билатерий, а всех многоклеточных животных, за возможным исключением загадочных гребневиков. Холланд эту версию пока не обсуждает. Между тем такой сценарий очень «сжимает» события и приближает по времени дупликацию ProtoHox-генов к кембрийскому взрыву. Но это — не более чем одна из логически возможных идей. Поле для исследований эволюции древних групп животных огромно, нерешенных проблем там больше, чем решенных,- говорится в статье на сайте «Элементов».