Гены, работающие на самых консервативных стадиях онтогенеза, оказались самыми многофункциональными

Модель «песочных часов» предполагает, что средние стадии эмбрионального развития, когда закладывается характерный для данного типа животных план строения, обладают повышенной эволюционной консервативностью по сравнению с ранними и поздними стадиями. Сравнение экспрессии генов на разных этапах развития у восьми видов, представляющих разные эволюционные ветви хордовых, подтвердило приложимость модели «песочных часов» к подтипу позвоночных и, в несколько меньшей степени, ко всему типу хордовых. Кроме того, выяснилось, что гены, работающие на средних стадиях развития, отличаются повышенной многофункциональностью: многие из них выполняют разнообразные функции на разных стадиях развития и в разных частях организма. Это может быть одной из причин консервативности средних стадий эмбрионального развития.

Давно замечено, что эмбрионы хордовых животных сильнее всего похожи друг на друга на средних стадиях эмбрионального развития, особенно на стадии фарингулы (см. Pharyngula). В это время формируются характерные для типа хордовых морфологические структуры (сомиты, спинная нервная трубка, хорда, жаберные щели), в совокупности формирующие то, что называют «планом строения» хордовых. Данный этап развития, получивший название «филотипической стадии», обладает повышенной эволюционной консервативностью (то есть мало меняется в ходе эволюции) по сравнению с более ранними и более поздними этапами эмбриогенеза. Эти наблюдения отражены в модели «песочных часов развития» (рис. 1).

Молекулярные исследования показали, что консервативность филотипической стадии прослеживается не только на морфологическом уровне, но и на уровне экспрессии генов. Профили экспрессии у эмбрионов разных видов, относящихся к одному типу, оказались наиболее похожими друг на друга именно на филотипической стадии. Правда, до сих пор такие исследования проводились лишь на очень ограниченном числе видов (например, на четырех, см.: N. Irie, S. Kuratani, 2011. Comparative transcriptome analysis reveals vertebrate phylotypic period during organogenesis), и поэтому полной уверенности в том, что модель «песочных часов» приложима ко всему типу хордовых, не было.

Похожая закономерность была замечена и в онтогенезе других типов животных (нематод, членистоногих, кольчатых червей), у которых тоже, по-видимому, в развитии есть консервативная «филотипическая» стадия, когда закладывается план строения, характерный для данного типа (подробнее см. в новости Смысл консервативной стадии зародышевого развития начинает проясняться, «Элементы», 31.03.2017).

Идея о существовании универсальной филотипической стадии, общей для разных типов животных, не подтверждается молекулярными данными: по-видимому, у каждого типа она индивидуальна, как и план строения. Впрочем, тут важно иметь в виду, что в самих определениях понятий «тип» и «план строения» используется кольцевая логика: тип определяют как монофилетическую группу организмов, обладающих данным планом строения, а планом строения называют совокупность морфологических особенностей, характеризующую данный тип. Но, тем не менее, объективный факт состоит в том, что в развитии многих организмов (причем не только животных, но и растений и даже грибов; см.: М. Гельфанд. Песочные часы в биологии развития) средние стадии развития обладают пониженной изменчивостью по сравнению с ранними и поздними.

Причины этой закономерности точно не известны, хотя есть правдоподобные и аргументированные гипотезы (см., например, рис. 1, процитированную выше новость и статью N. Irie, S. Kuratani, 2014. The developmental hourglass model: a predictor of the basic body plan?).

В новом масштабном исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Nature Ecology & Evolution, большой коллектив китайских и японских исследователей сделал важный шаг к разгадке тайны «песочных часов». Авторы измерили экспрессию всех генов на разных стадиях развития у восьми видов с прочтенными геномами. Эти виды представляют все три подтипа хордовых (головохордовые, оболочники и позвоночные), а также несколько важнейших эволюционных ветвей позвоночных (костные рыбы, амфибии, млекопитающие, птицы и черепахи). Для полноты картины не хватает, пожалуй, хрящевых рыб и круглоротых, но и без того в данном исследовании разнообразие хордовых охвачено намного полнее, чем в прежних работах (рис. 2).

Полученные профили экспрессии затем сравнивали между собой, чтобы количественно оценить степень консервативности разных стадий развития. Как правильно проводить такие сравнения — вопрос крайне непростой, и среди ученых на сегодняшний день нет единой точки зрения на этот счет. Поэтому авторы на всякий случай использовали несколько разных подходов. Например, можно сравнивать экспрессию только тех генов, которые есть у каждого вида в единственном экземпляре. Тогда для каждого гена, например, лягушки можно будет найти один и только один соответствующий ген в геноме мыши, асцидии, ланцетника и т. д. Но таких генов не очень много (всего 1704, что составляет менее 10% от общего числа генов в геноме среднестатистического хордового). Другой вариант — включить в анализ также и гены, которые есть у большинства видов, но не обязательно в единственном экземпляре (у кого-то данный ген утрачен, у кого-то он присутствует в виде нескольких различающихся копий — паралогов). В этом случае можно, например, считать, что у вида, вообще не имеющего данного гена, уровень его экспрессии на всех стадиях равен нулю, а у вида, имеющего несколько паралогов, брать для каждой стадии либо средний, либо суммарный уровень экспрессии всех паралогов. Авторы перепробовали все эти способы. Результаты, полученные разными методами, в общих чертах получились сходными, хотя и различающимися в деталях.

Для каждого вида и для каждой стадии развития была оценена степень сходства по профилю генной экспрессии с разными стадиями других видов. Самыми консервативными считались те стадии, для которых было выявлено наибольшее сходство с другими видами (неважно, с какими именно стадиями их развития — ведь строгое соответствие между разными стадиями развития, например, асцидии и мыши провести затруднительно).

В итоге для каждого из восьми видов были несколькими разными способами построены графики, подобные изображенным на рис. 3.

Рис. 3. Графики, показывающие степень сходства экспрессии генов на разных стадиях развития мышиного эмбриона с другими представителями амниот, тетрапод, позвоночных и хордовых

Полученные результаты подтвердили, что средние стадии развития у позвоночных (причем не только стадия фарингулы, но и ряд предшествующих и последующих этапов) являются более консервативными, чем начальные и завершающие этапы эмбриогенеза. Таким образом, модель «песочных часов» подтвердилась для подтипа позвоночных.

Что касается всего типа хордовых в целом, то для него эта модель в принципе тоже подтвердилась, но не так уверенно. Картинку портит асцидия, у которой вообще не очень понятно, что считать филотипической стадией: в ее развитии нет такого этапа, на котором одновременно присутствуют все четыре главных элемента «плана строения хордовых» (сегментированная мускулатура, нервная трубка, хорда, жаберные щели). Развитие оболочников претерпело вторичную модификацию и, скорее всего, сильно отличается от развития общего предка хордовых (см.: Причина особенностей генома оболочников — детерминированность их эмбрионального развития, «Элементы», 01.06.2014). Что, кстати, говорит о том, что эволюционная консервативность средних (и любых других) этапов развития далеко не абсолютна.

Но всё же в пределах подтипа позвоночных средние этапы эмбриогенеза сохраняют удивительное постоянство на протяжении сотен миллионов лет — и это несмотря на самые радикальные изменения образа жизни и строения как взрослого организма, так и начальных стадий развития.

Чтобы разгадать причину этого постоянства, авторы решили выяснить, чем отличаются гены, работающие на средних стадиях эмбриогенеза, от генов, работающих на ранних и поздних стадиях.

Для каждой стадии развития (и для каждого вида) было подсчитано количество генов, экспрессия которых достоверно повышена или понижена именно на этой стадии. Оказалось, что число таких генов минимально как раз на средних, самых консервативных стадиях развития (рис. 4).

Рис. 4. Число генов, экспрессия которых достоверно повышена (верхний график) или понижена (нижний график) на разных стадиях развития мышиного эмбриона

Выяснилось также, что среди генов, работающих на средних стадиях развития, повышена доля генов, которые экспрессируются, во-первых, во многих разных тканях и органах эмбриона, во-вторых — на многих разных этапах развития. Среди них также повышена доля генов, о которых известно, что они необходимы для нормального развития зародыша. Кроме того, для белков, кодируемых этими генами, характерно в среднем большее число белок-белковых взаимодействий (это значит, что они, скорее всего, вовлечены в большее число различных сигнальных и регуляторных каскадов).

Всё это, по-видимому, говорит о том, что для генов, контролирующих средние стадии развития, характерна повышенная плейотропия (многофункциональность). Многие из них задействованы не только в бурных морфогенетических процессах филотипической стадии развития, но и в других процессах на других стадиях. По-видимому, эти гены чаще других привлекались в ходе эволюции для выполнения каких-то новых функций (примеры того, как на старые регуляторные гены могут «навешиваться» новые функции, рассмотрены в новостях Ген, работающий в мышцах и костях, у обезьян стал регулировать развитие мозга, «Элементы», 14.11.2016; Вирус, встроившийся в геном наших предков, влияет на работу мозга, «Элементы», 19.11.2013; Найден ген, отвечающий за эволюцию окраски у бабочек, «Элементы», 31.08.2011).

Авторы предполагают, что повышенная плейотропия генов, работающих на филотипической стадии, является одной из причин консервативности этого этапа развития (рис. 5).

Рис. 5. Предполагаемая связь между плейотропией генов, работающих на средних стадиях эмбриогенеза, и «песочными часами развития»

Множественность функций должна ограничивать эволюционную свободу гена: многофункциональный ген трудно изменить так, чтобы «подкрутить» только одну из его функций, не повредив остальным. Впрочем, до сих пор считалось, что данное рассуждение справедливо в первую очередь для белок-кодирующих участков. Хорошо известно, что многофункциональность гена действительно повышает консервативность его белок-кодирующей части. В данном случае, однако, речь идет уже о следующем, более высоком уровне консервативности — о затрудненности эволюционных изменений уровня экспрессии, определяемого регуляторными участками гена. Влияние многофункциональности на консервативность регуляторных участков — идея довольно-таки новая и нуждающаяся в дополнительных подтверждениях и объяснениях.

Можно также предположить, что многофункциональные гены, работающие на филотипической стадии, настолько важны для нормального развития организма, что система регуляции их экспрессии приобрела в ходе эволюции повышенную помехоустойчивость (например, благодаря дополнительным регуляторным контурам, дублирующим и подстраховывающим друг друга; см. Избыточные регуляторы делают развитие эмбриона помехоустойчивым, «Элементы», 03.06.2010). В таком случае, возможно, их замедленная эволюция объясняется зарегулированностью и пониженным уровнем изменчивости, за которую мог бы зацепиться естественный отбор.

Главный вопрос, оставшийся без ответа, состоит, конечно же, в том, почему самыми многофункциональными оказались именно гены, работающие на филотипической стадии. Можно предположить, что гены, умеющие контролировать закладку разнообразных сложных органов, просто в силу своих «профессиональных навыков» особенно удобны для того, чтобы навешивать на них новые функции — например, регуляцию развития каких-то новых структур, возникающих в ходе адаптации к меняющейся среде. Но пока это лишь общие рассуждения, нуждающиеся в экспериментальной проверке и конкретизации.

Источник: Haiyang Hu, Masahiro Uesaka, Song Guo, Kotaro Shimai, Tsai-Ming Lu, Fang Li, Satoko Fujimoto, Masato Ishikawa, Shiping Liu, Yohei Sasagawa, Guojie Zhang, Shigeru Kuratani, Jr-Kai Yu, Takehiro G. Kusakabe, Philipp Khaitovich, Naoki Irie and the EXPANDE Consortium. Constrained vertebrate evolution by pleiotropic genes // Nature Ecology & Evolution. Published online 25 September 2017.

См. также:
Смысл консервативной стадии зародышевого развития начинает проясняться, «Элементы», 31.03.2017.

Александр Марков

Источник