17.01.2014

Геном химеры помог понять происхождение костей

Расшифрован ядерный геном химеры Callorhinchus milii, представителя хрящевых рыб. Ученые, занятые в этом проекте, выделили три важных момента, которые следуют из сравнения нового генома с известными данными. Во-первых, химеры оказались самыми консервативными в эволюционном плане животными: скорость их эволюции ниже, чем даже у эволюционных реликтов — кистеперых рыб. Во-вторых, подтвердилась классическая гипотеза, согласно которой у хрящевых рыб настоящих костей, замещающих скелетный хрящ, не было. Соответственно, гипотеза о вторичной утрате костей, по-видимому, несостоятельна. В-третьих, выявлены важные отличия иммунной системы химер от высших позвоночных: у них нет генов, кодирующих рецепторы клеток Т-хелперов.

Химеры — это отряд хрящевых рыб, который вместе с другими хрящевыми рыбами — акулами и скатами — отделился от общего предка челюстноротых около 420 млн лет назад (470–410 по разным представлениям). У этого общего предка, в отличие от бесчелюстных позвоночных (вспомним современных миног и миксин, а также вымерших панцирных рыб), имелись подвешенные к черепу челюсти с зубами, а также парные конечности (плавники). Всё это перешло в наследство акулам и химерам. То же наследство досталось и потомкам хрящевых, но эти счастливчики обзавелись и настоящими костями, заместившими хрящевой скелет.

Изучая генетические последовательности хрящевых рыб и сравнивая их с костистыми рыбами и четвероногими, можно узнать, какие генетические новшества позволили сформировать кости. А сопоставляя хрящевых рыб с бесчелюстными можно получить ответ на вопрос о происхождении челюстей. Сейчас, после расшифровки ядерного генома химеры Callorhinchus milii, эта возможность стала реальностью. Ее осуществила международная команда специалистов под руководством Б. Венкатеша (B. Venkatesh) из Института молекулярной и клеточной биологии A*Star (Сингапур). Нужно отметить, что эта статья хоть и соответствует стандартным требованиям Nature о краткости и четкости изложения, но всё же вместе с приложениями и дополнительными материалами занимает 255 журнальных страниц. Так что, по-видимому, данная статья открывает новый формат публикаций этого старинного и уважаемого журнала — электронная монография с краткой аннотацией в виде самой статьи.

Судя по числу нуклеотидных замен и по положению и составу интронов, скорость эволюции химер была самой низкой из всех позвоночных. Она оказалась даже ниже, чем у кистеперых и у миног, которые считались главными эволюционными тихоходами. Теперь рекордсменом-консерватором будет считаться химера.

У химеры Callorhinchus milii определено 18 тысяч генов, кодирующих белки, и 693 гена, кодирующих микроРНК. Ученые отмечают, что по числу и разнообразию микроРНК химеры сильно перегоняют костистых рыб. Около 16% «химеровых» микроРНК, отсутствующих у костистых рыб, имеются у млекопитающих. Это означает, что они оказались не нужны костистым рыбам и они их со временем растеряли. То же выяснилось и с белок-кодирующими генами: нашлось 17 семейств белок-кодирующих генов, которые имеются у химер и отсутствуют у костистых рыб и других тетрапод. Из них 16 имеются у ланцетника и низших эукариот. Вероятнее всего, эти 16 семейств появились на заре эукариотической жизни и, прослужив верой и правдой своим низшим обладателям, утратили у высших позвоночных свое значение.

Любопытно, что у химер нашлись почти все белки, с помощью которых в организме «изготавливаются кости». Единственное отсутствующее семейство генов называется SCPP (secretory calcium-binding phosphoprotein gene family). Предшественники этого семейства — гены sparc и sparcl1, у химер тем не менее имеются. Ученые предположили, что появление семейства генов SCPP послужило последним необходимым звеном в формировании настоящих костей.

Чтобы это проверить, у рыбки данио-рерио отключили ген spp1 — единственный представитель семейства SCPP в геноме этого вида. В результате у эмбрионов рыбок формирование костей замедлилось, их строительством занималось существенно меньше клеток. Из этих экспериментов ученые заключили, что появление костей связано именно с семейством генов SCPP и конкретно геном spp1. Преположительно семейство SCPP берет начало от sparcl1, который, в свою очередь, произошел за счет дупликации от своего предшественника sparc. Возможно, именно sparc, который имеется у всех низших позвоночных, отвечает за появление покровных костей и их производных.

Такая схема подтверждает классическую точку зрения, согласно которой хрящевые рыбы костей никогда не имели. Обсуждалась и другая гипотеза: хрящевые рыбы некогда имели кости, но потом их утратили. В пользу последней говорит то, что у хрящевых рыб найдены практически все белки, необходимые для изготовления костей (см.: У хрящевых рыб есть белки, нужные для формирования костей, «Элементы», 23.09.2013). Но, по-видимому, набор этот не полон: важного элемента, квинтессенции костеобразования — гена sparcl1 — всё же у них нет. Отмечу, что сначала опровержение, затем подтверждение классической гипотезы было высказано более или менее сходными авторскими коллективами. Так, новые данные, принятые со всей объективностью, заставляют честного ученого отказываться от своих прежних взглядов.

Помимо генов костеобразования, ученые натолкнулись еще на одну интересную особенность в геноме химер, связанную с эволюцией приобретенного иммунитета. В принципе, у хрящевых рыб были найдены все его составляющие. Но теперь выясняется, что у них недостает одного из важных его слагаемых — клеток Т-хелперов (см. также T helper cell) и связанных с их работой белков и рецепторов. В иммунной системе высших позвоночных задача Т-хелперов — модулировать иммунный ответ при обнаружении вредоносного агента: Т-хелперы связываются с главным комплексом гистосовмесимости (ГКГ) с помощью корецептора CD4, активируются, выделяют цитокины, которые заставляют клетки Т-киллеры уничтожать врага. Именно эти рецепторы CD4 и все связанные с ними цитокины у химер отсутсвуют. Как они управляются без этой системы связи и регуляции между ГКГ и Т-киллерами, пока не ясно. При этом хорошо известно, что иммунная система хрящевых работает весьма эффективно и позволяет этим рыбам считаться долгожителями среди сородичей. Все эти новые вопросы адресуются иммунологам и открывают интересные перспективы для разработки действенных иммунномодуляторов.

Источник: B. Venkatesh et al. Elephant shark genome provides unique insights into gnathostome evolution // Nature. 2014. V. 505. P. 174–179.

Елена Наймарк

Источники:

1. elementy.ru