24.11.2015

Геномы полухордовых проливают свет на эволюцию вторичноротых

Большой международный научный коллектив получил полные геномные последовательности двух представителей класса кишечнодышащих (тип полухордовые): Saccoglossus kowalevskii и Ptychodera flava, а также транскриптомы еще нескольких видов полухордовых, иглокожих и бескишечных плоских червей (Acoela). Новые данные позволили уточнить эволюционное дерево двусторонне-симметричных животных и получить более точное представление о наборе генов и образе жизни последнего общего предка вторичноротых. Этот предок, судя по геномным данным, имел типичную для вторичноротых глотку с жаберными щелями, которая была выстлана выделявшим слизь ресничным эпителием и позволяла отфильтровывать из морской воды бактерий и органический детрит. К важнейшим генетическим новшествам вторичноротых относятся особый кластер из четырех генов — регуляторов развития глотки и жаберных щелей, новые компоненты сигнального каскада TGFβ, играющего важную роль в эмбриогенезе, а также новые ферменты, участвующие в синтезе компонентов слизи, необходимой для сбора пищевых частиц из воды, пропускаемой через глотку. Более десятка новых генов, вероятно, были получены первыми вторичноротыми путем горизонтального переноса от морских бактерий.

По мере накопления геномных данных наши представления об эволюции животных постепенно уточняются. Конечно, до решения всех спорных вопросов еще далеко, но прогресс налицо: чем больше появляется данных, тем более надежными и детальными становятся выводы сравнительной геномики.

Важный новый шаг к пониманию происхождения и ранней эволюции вторичноротых — одной из больших ветвей животного царства, к которой относимся и мы вместе с остальными хордовыми, — сделал коллектив биологов из Японии, США, Великобритании, Тайваня, Германии и Канады, сообщивший о черновом прочтении геномов двух представителей типа полухордовых (Hemichordata) — Saccoglossus kowalevskii и Ptychodera flava.

Оба изученных вида относятся к классу кишечнодышащих (Enteropneusta), но представляют далекие друг от друга ветви этого класса, разделившиеся более 370 млн лет назад. Хотя морфология взрослых особей S. kowalevskii и P. flava сходна, их развитие резко различается (рис. 1). Для первого вида характерно прямое развитие: из гаструлы всего за несколько дней развивается молодая особь, морфологически не сильно отличающаяся от взрослого червя. Второй вид проходит стадию планктонной личинки — торнарии, которая отдаленно напоминает личинок иглокожих и много месяцев плавает в толще воды, прежде чем осесть на дно и превратиться во взрослую особь.

Оба прочтенных генома имеют размер около 1 млрд пар оснований и содержат по меньшей мере 19 270 (S. kowalevskii) и 18 556 (P. flava) белок-кодирующих генов. Кроме этих полных геномов авторы получили более отрывочные данные (транскриптомы) еще для трех полухордовых, в том числе для Rhabdopleura compacta — представителя крыложаберных (Pterobranchia), второго класса полухордовых, родственного ископаемым граптолитам (см. Graptolithina), а также для пяти иглокожих и двух бескишечных плоских червей (Acoela). Положение последних на эволюционном дереве неясно: на одних реконструкциях они занимают самое базальное положение среди билатерий (то есть являются сестринской группой по отношению ко всем остальным билатериям), другие роднят их с типичными плоскими червями, входящими в надтип Lophotrochozoa, а третьи объединяют Acoela (а также загадочное животное Xenoturbella) с вторичноротыми (H. Philippe et al., 2011. Acoelomorph flatworms are deuterostomes related to Xenoturbella).

Эволюционное дерево, построенное с учетом новых геномных данных, показано на рис. 2. Оно имеет в целом привычный вид, то есть подтверждает многие классические гипотезы и отвергает экстравагантные альтернативы, выдвинутые в последние годы на основе неполных молекулярных данных. В частности, подтвердилась монофилия вторичноротых, полухордовых, иглокожих и амбулакрарий (амбулакрарии — группа, объединяющая иглокожих и полухордовых, сестринская по отношению к хордовым; см. Ambulacraria). Крыложаберные образуют собственную ветвь, отдельную от кишечнодышащих (ранее некоторые реконструкции не могли внятно разделить эти два класса полухордовых). Acoela с большей вероятностью оказываются базальными билатериями, чем вторичноротыми, хотя этот вывод еще может быть пересмотрен. Молекулярные данные по Xenoturbella по-прежнему неполны, и ее положение остается неясным: то ли она ближе к Acoela, то ли к вторичноротым.

Используя метод «расслабленных» молекулярных часов, который допускает разную скорость накопления генетических различий в разных ветвях (см.: Molecular clock) и калибровку по палеонтологическим данным, авторы датировали основные точки ветвления эволюционного дерева животных (рис. 3). Получилось, что три главные ветви билатерий — лофотрохозои (см. Lophotrochozoa), экдизозои, вторичноротые — и их основные подгруппы разделились во второй половине эдиакария (венда), незадолго до кембрийского взрыва. Вторичноротые появились 570 млн лет назад, амбулакрарии разделились на иглокожих и полухордовых 559 млн лет назад, а разделение кишечнодышащих и крыложаберных произошло 547 млн лет назад.

Эти датировки моложе полученных ранее палеонтологом Дугласом Эрвином и его коллегами. Причина несовпадения проста и связана со способом использования палеонтологических данных для калибровки молекулярных часов. Эрвин и коллеги не стали устанавливать никакой априорной нижней границы для момента появления билатерий, и в результате важнейшие точки ветвления эволюционного дерева животных сгруппировались в криогеновом периоде и начале эдиакарского. Авторами обсуждаемой работы было принято волевое решение привязать появление билатерий к середине эдиакария (чуть более 570 млн лет назад), потому что такой возраст имеют ископаемые эмбрионы из Доушаньтуо, некоторые из которых были довольно убедительно интерпретированы как эмбрионы билатерий. Неудивительно, что последующие ветвления в результате сместились в поздний эдиакарий и ранний кембрий.

Сравнение геномов полухордовых, иглокожих и хордовых позволило составить список из 8716 белок-кодирующих генов и 6533 консервативных некодирующих (регуляторных) последовательностей длиной более 50 пар оснований, которые почти наверняка имелись у последнего общего предка вторичноротых. Особый интерес представляют уникальные генетические особенности этого предка, отличающие его от других билатерий, то есть эволюционные новшества, появившиеся у первых вторичноротых.

Одним из таких новшеств является маленький кластер из четырех регуляторных генов: nkx2.1, nkx2.2, pax1/9, foxA. Все четыре гена кодируют белки — регуляторы транскрипции, которые в ходе эмбрионального развития экспрессируются в эпителии глотки и формирующихся жаберных щелях. Поскольку этот кластер, помимо полухордовых, есть также у ланцетника, морской звезды и позвоночных, очевидно, что он был уже у последнего общего предка вторичноротых.

У всех вторичноротых эти четыре гена расположены друг рядом с другом и в одном и том же порядке, что связано, скорее всего, с их совместной регуляцией. У других билатерий эти гены тоже есть, но они разбросаны по геному и не образуют единого кластера. Авторы изучили экспрессию данных генов у молодых особей Saccoglossus и убедились, что у полухордовых они тоже, как и у хордовых, экспрессируются в энтодерме глотки и вокруг формирующихся жаберных пор, причем для каждого гена характерен особый паттерн экспрессии (рис. 4). По-видимому, этот генный кластер уже у первых вторичноротых участвовал в регуляции развития глоточного аппарата с жаберными щелями — уникальной отличительной особенности вторичноротых. Иглокожие, правда, утратили жаберные щели, но кластер у них всё равно сохранился, видимо, из-за развившейся у их предков системы совместной регуляции этих генов.

У первых вторичноротых появилось немало новых ферментов, некоторые из которых (не менее дюжины) с большой вероятностью были получены предками вторичноротых путем горизонтального переноса от морских бактерий. У других животных похожих ферментов нет, а у бактерий они широко распространены.

Одной из специфических особенностей первых вторичноротых является значительное расширение спектра ферментов, участвующих в метаболизме нейраминовой кислоты. Это вещество у вторичноротых (и только у них) широко используется при синтезе специфических гликопротеинов и муцинов — компонентов слизи, выделяемой ресничным эпителием. Кроме того, у первых вторичноротых выросло число генов, кодирующих белковые компоненты гликопротеинов.

Эти данные недвусмысленно указывают на образ жизни и некоторые черты строения общего предка вторичноротых. Очевидно, у него уже были особые отверстия, соединяющие полость глотки с внешней средой: жаберные поры. Он был фильтратором и питался бактериями и органической взвесью, которая попадала в глотку с водой через рот и осаждалась на слизистом эпителии, а вода выходила наружу через жаберные поры. Именно так и сегодня живут примитивные вторичноротые (те же кишечнодышащие, ланцетник, личинки миног), и такой же способ питания предполагается для древнейших ископаемых вторичноротых, таких как юннанозои и пикайя. Этот вывод совпадает с классическими представлениями об эволюции вторичноротых.

Еще одним эволюционным новшеством, характерным для вторичноротых, было значительное усложнение сигнального пути TGFβ (см.: TGF beta signaling pathway). Этот сигнальный путь играет важнейшую роль в регуляции развития животных. У общего предка вторичноротых появился (в том числе путем генных дупликаций) целый ряд новых компонентов этого сигнального каскада (Lefty, Univin/Vg1/GDF1, TGFβ2 и другие), а некоторые старые компоненты сильно изменились. Эти новшества наверняка связаны с эволюционными изменениями онтогенеза древнейших вторичноротых и их потомков. Например, Lefty и Univin участвуют в гаструляции и закладке зародышевых листков у позвоночных, в формировании осей тела и право-левой асимметрии у большинства вторичноротых.

Таким образом, геномные данные, постепенно накапливаясь, приближают нас к пониманию генетических механизмов эволюции животного царства. По мере появления новых геномов и новых методов их анализа это понимание неизбежно будет становиться всё более полным и детальным.

Источник: Oleg Simakov, Takeshi Kawashima, Ferdinand Marletaz et al. Hemichordate genomes and deuterostome origins // Nature. Published online 18 November 2015.

Александр Марков

Источники:

1. elementy.ru