04.03.2016

Укорочение тела тихоходок связано с потерей Hox-генов

Тихоходки — микроскопические беспозвоночные, родственные членистоногим и отличающиеся очень компактным телом с небольшим количеством сегментов. Генетические исследования показывают, что в начале эволюции тихоходок произошло резкое преобразование плана строения с потерей ряда сегментов и нескольких генов семейства Hox, которые обычно управляют дифференциацией отделов тела сегментированных животных. Так возник новый тип животного царства.

Водяные медведи

Проблема эволюции планов строения интригует биологов уже почти двести лет. План строения можно определить как комплекс органов с их взаимосвязями, свойственных организмам определенной систематической группы (А. А. Вахрушев, А. С. Раутиан, 2005. Кто такие животные?). Из этого определения следует, что свой план строения может быть у какой угодно эволюционной ветви, от вида или рода до царства. Чаще всего, однако, биологи говорят о планах строения типов. Еще в начале XIX века были выделены четыре типа животных, каждый со своим неповторимым планом строения: позвоночные, моллюски, членистые и лучистые. Тип позвоночных в дальнейшем получил новое название «хордовые», тип моллюсков по своему составу почти не изменился, а от типа лучистых зоологи очень быстро отказались, потому что он оказался слишком сборным. Что касается типа членистых (Articulata), то он сменил свой ранг на надтип и в этом качестве признавался еще долго. Окончательно «закрыли» его только на рубеже XX и XXI веков, когда удалось надежно показать, что входящие в эту группу членистоногие и кольчатые черви на самом деле вовсе не близки друг к другу.

Тогда же, в конце XX века, в некотором смысле на смену надтипу Articulata пришел другой надтип-монстр, который называется Panarthropoda. Буквально это значит «все членистоногие». Его основу, конечно, образует гигантский тип членистоногих, в который входят насекомые, ракообразные, многоножки, паукообразные, мечехвосты и морские пауки. Кроме того, к панартроподам относят ряд современных животных, которые близки к членистоногим, но не настолько, чтобы входить в один тип с ними. Это наземные онихофоры, похожие на червей с усиками и множеством пар ножек, и водные тихоходки (рис. 1). План строения последних особенно удивителен.

Тихоходки (Tardigrada) называются по-немецки и по-английски «водяными медведями» (нем. Wasserbaren, англ. water bears). Это название отражает их облик: коренастое тело, мощные «лапы», неторопливая походка. При этом размер тихоходок редко бывает больше миллиметра, а обычно 0,25–0,5 мм. Из-за маленького размера они были открыты только в XVIII веке, когда появились микроскопы. Все тихоходки живут в воде, но вода эта может находиться в очень разных местах: в глубине Индийского океана, в толще морского прибрежного песка, в озерах, прудах, ручьях, в почве или в подушках наземного мха, пропитанных дождевой водой. Большинство современных видов тихоходок — как раз «наземные», то есть живущие в микроводоемах на суше.

Тело тихоходок очень компактно. Оно состоит из нерасчлененной головы и четырех сегментов с ножками (тоже нерасчлененных). Для сравнения, тело любого насекомого включает около 20 сегментов, составляющих голову, грудь и брюшко; при этом почти все сегменты насекомых теми или иными признаками отличаются один от другого, и многие из них несут сложные членистые конечности. У других членистоногих сегментов бывает еще больше. Это относится и к онихофорам, и к ископаемым родственникам членистоногих тоже. Скорее всего, у древнейших панартропод тело состояло из десятков сегментов, и только в эволюционной ветви тихоходок произошла его резкая компактизация.

Иными словами, план строения тихоходок совершенно уникален для панартропод. Как же он возник?

Чтобы ответить на этот вопрос, надо прежде всего сопоставить сегменты тела тихоходок с сегментами членистоногих и онихофор, выяснив, что там чему гомологично. И после этого, вероятно, можно будет построить некий эволюционный сценарий.

Планы и гены

Сегментарная «архитектура» тела животных меняется в ходе эволюции обычно медленно. Дело в том, что отличия сегментов друг от друга зависят от работы древних, консервативных генов, первое место среди которых занимают гены семейства Hox. В разных сегментах экспрессируются разные Hox-гены, причем порядок их экспрессии подчиняется так называемому принципу коллинеарности: области экспрессии генов, как правило, удивительным образом находятся в теле в том же порядке, что и сами гены в хромосоме. Плотная группа генов, расположенных в хромосоме друг за другом, называется кластером (рис. 2). Кластерное расположение в высшей степени характерно для Hox-генов. В силу принципа коллинеарности Hox-кластер — маленький фрагмент хромосомы — «изоморфен» целому телу животного: гены и зоны их экспрессии расположены относительно друг друга примерно одинаково.

Когда мы называем Hox-гены «передними» или «задними», по умолчанию имеется в виду одновременно и положение самого гена в кластере, и положение области его экспрессии в теле. Особенно важно знать, насколько далеко вперед эта область простирается. У сегментированных животных границы областей экспрессии Hox-генов очень часто совпадают с границами сегментов. А поскольку эти гены мало меняются, то их экспрессия часто используется как надежный критерий для сравнения отделов тела разных животных между собой.

Животным, лучше всего изученным генетиками, по справедливости считается плодовая мушка, или дрозофила (Drosophila melanogaster). Именно ее Hox-кластер удобно принимать за «точку отсчета» при любых сравнениях: он исследован в мельчайших деталях и при этом относительно прост. А при изучении животных, являющихся как-никак достаточно близкими родственниками членистоногих, это особенно кстати.

Итак, у дрозофилы есть восемь Hox-генов, которые мы сейчас перечислим по порядку.

• Ген labial (lab) - самый передний из всех. Главная область его экспрессии - так называемый вставочный сегмент головы, лишенный у насекомых всяких придатков. Этот сегмент находится между антеннами, или усиками (в которых не экспрессируются никакие Hox-гены), и мандибулами, или жвалами (в которых экспрессируется другой Hox-ген, Dfd).
• Ген proboscipedia (pb) экспрессируется в задней части головы и участвует в развитии ротового аппарата, в том числе максилл, или нижних челюстей. При мутациях этого гена вместо некоторых элементов ротового аппарата могут вырастать совершенно ненужные здесь ноги. Именно благодаря этому впечатляющему уродству ген proboscipedia стал одним из первых Hox-генов, открытых биологами. Вместе с Кэлвином Бриджесом (Calvin Blackman Bridges) в изучении этого гена поучаствовал Феодосий Григорьевич Добржанский (Theodosius Dobzhansky), крупный эволюционный генетик и автор знаменитого тезиса «ничто в биологии не имеет смысла иначе как в свете эволюции» (C. B. Bridges, T. Dobzhansky, 1933. The mutant «proboscipedia» in Drosophila melanogaster - a case of hereditary homoosis).
• Ген Deformed (Dfd) экспрессируется в мандибулярном сегменте, который находится между вставочным и максиллярным. В самом максиллярном сегменте он тоже экспрессируется, но экспрессия в мандибулярном для нас в некотором смысле важнее. Дело в том, что экспрессии гена pb (см. о нем выше) в мандибулярном сегменте нет. Здесь нарушен принцип коллинеарности: исходя из положения генов в хромосоме, следовало бы ожидать, что pb будет экспрессироваться впереди Dfd, а на самом деле наоборот. Скорее всего, это нарушение является довольно поздним эволюционным приобретением, свойственным только насекомым: у ракообразных, например, его нет и порядок экспрессии «правильный» (A. Abzhanov, T. C. Kaufman, 1999. Homeotic genes and the arthropod head: expression patterns of the labial, proboscipedia, and Deformed genes in crustaceans and insects).
• Ген Sex combs reduced (Scr) экспрессируется в самой задней части головы и в первом грудном сегменте, на котором у насекомых нет крыльев. Это единственный Hox-ген, который экспрессируется и в голове, и в груди. Странное название гена связано вот с чем: у самцов дрозофилы на конечностях первого грудного сегмента, то есть на передней паре ног, находятся так называемые половые гребешки (sex combs), которые при мутациях гена Scr могут уменьшаться, то есть редуцироваться.
• Ген Antennapedia (Antp) экспрессируется во втором грудном сегменте. Соответственно, он участвует в развитии расположенных на этом сегменте придатков: средней пары ног и единственной у двукрылых насекомых (к которым относятся мухи) пары крыльев. Известна мутация, меняющая положение этого гена в хромосоме и смещающая область его экспрессии далеко вперед - в область усиков (антенн), где в норме экспрессии Hox-генов вообще нет. В результате вместо усиков у мухи развиваются ноги, не функционирующие, но устроенные именно так, как средняя пара грудных ног. Это классический пример явления, которое называется гомеозисом и определяется как уродство, состоящее в замене одной части тела на другую, остающуюся распознаваемой (J. S. Deutsch, 2010. Homeosis and beyond. What is the function of the Hox genes?). Еще один пример гомеозиса, не менее классический, мы упоминали выше: замена ротовых придатков на ноги, вызываемая мутацией proboscipedia.
• Ген Ultrabithorax (Ubx) экспрессируется в третьем грудном сегменте, несущем заднюю пару ног и редуцированные крылья - жужжальца. Именно экспрессия гена Ubx блокирует развитие на этом сегменте полноценных крыльев. При мутации, «выключающей» ген Ubx, блок снимается и развивается четырехкрылая муха, у которой третий грудной сегмент напоминает второй. И наоборот, если экспрессия гена Ubx «по ошибке» распространяется на второй грудной сегмент, то этот сегмент развивается по типу третьего и получается бескрылая муха с четырьмя жужжальцами. Это очень впечатляющие образцы гомеозиса: они затрагивают не отдельный орган (как в случае с заменой усика на лапку), а сразу целый отдел тела. Гены, мутации которых могут приводить к гомеозисным эффектам, часто так и называют - гомеозисными генами.
• Ген abdominal-A (abd-A) экспрессируется в большей части брюшка, начиная с первого брюшного сегмента. Одна из его главных функций - блокирование развития конечностей, которые на брюшке не нужны. Если «запустить» аномальную экспрессию гена abd-A по всему зародышу (это можно сделать, подвергнув его тепловому шоку), то подавляется активность всех других Hox-генов в голове и груди, и все сегменты, до головных включительно, в результате развиваются как брюшные (Ernesto Sanchez-Herrero et al., 1994. Developmental consequences of unrestricted expression of the abd-A gene of Drosophila). Разумеется, это тоже пример гомеозиса. Заодно тут ярко проявляется общая для всех Hox-генов закономерность: «задние» гены, как правило, подавляют эффекты «передних».
• Ген Abdominal-B (Abd-B) экспрессируется в задней части брюшка, начиная с четвертого брюшного сегмента. Он регулирует развитие этих сегментов и, в частности, расположенной в них половой системы (и мужской, и женской).

Кроме того, у дрозофилы есть несколько генов, которые можно назвать «почетными Hox-генами» (C. L. Hughes, T. C. Kaufman, 2002. Hox genes and the evolution of the arthropod body plan). По происхождению это самые настоящие Hox-гены, а вот функционально — вовсе нет. Таких генов как минимум четыре, и их эволюционная история достойна краткого изложения.

Между генами pb и Dfd когда-то находился ген, который называется Hox3. В ходе эволюции он удвоился, причем не раз, и превратился в три самостоятельных гена, которые у дрозофилы называются bicoid, zen и z2. Функции у них совершенно разные. Ген bicoid управляет формированием будущей головы на очень ранней стадии развития, когда еще нет никаких сегментов. А гены zen и z2 участвуют в образовании зародышевых оболочек, которые окружают зародыш в яйце, но в состав самого тела будущего насекомого не входят. Эти три гена остались в Hox-кластере, но с другими Hox-генами они не взаимодействуют, потому что их физиологическая роль совсем другая. В итоге их часто даже не упоминают при перечислении Hox-генов дрозофилы.

Между генами Scr и Antp до сих пор находится ген, носящий японское название fushi tarazu (ftz). Этот ген управляет развитием сегментов на стадии, когда они только закладываются, и никак непосредственно не взаимодействует с «настоящими» Hox-генами, которые включаются гораздо позже, чтобы определить различия уже оформившихся сегментов между собой. Никакой функциональной нужды для размещения гена fushi tarazu внутри Hox-кластера сейчас нет, это в чистом виде след его эволюционного прошлого. И этот ген при перечислениях Hox-генов дрозофилы тоже зачастую игнорируется.

Таким образом, всего у дрозофилы как минимум 12 Hox-генов, но «настоящих», выполняющих традиционные для Hox-генов функции, из них только восемь. Остальные четыре гена, хотя и не покинули кластер, но очень сильно поменяли функции, так что Hox-генами в полном смысле слова их обычно не считают. Эволюционное прошлое у них, однако, у всех общее.

Генетические руины

Международная группа американских и итальянских биологов подробно изучила Hox-гены наземной тихоходки Hypsibius dujardini, геном которой не так давно был полностью прочтен. Выяснилось, что у этой тихоходки есть гомологи всего лишь пяти Hox-генов дрозофилы: lab, Hox3, Dfd, ftz и Abd-B (см. список генов выше). Правда, ген Abd-B представлен тремя слегка отличающимися копиями, так что всего у тихоходки семь Hox-генов. Но самое главное — генов pb, Scr, Antp, Ubx и Abd-A у нее не оказалось вообще, ни в каком виде. Хотя все эволюционные реконструкции указывают на то, что у общего предка панартропод эти гены имелись.

Является ли исчезновение целых пяти Hox-генов признаком всего типа тихоходок — или единственного вида, на котором случайно остановились ученые? Это первый вопрос, который должен задать грамотный биолог, получив такие результаты. Чтобы ответить на него, авторы исследования проанализировали наборы непосредственных продуктов генов (транскриптомы) двух других видов тихоходок, заведомо не являющихся близкими родственниками Hypsibius dujardini. Никаких следов генов pb, Scr, Antp, Ubx и abd-A у них не нашлось.

Правда, одна особенность, отличающая Hypsibius dujardini и только ее, при сравнительном анализе все же обнаружилась. Ген Abd-B, который у H. dujardini имеется «в трех экземплярах», у других тихоходок только один. Очевидно, дупликация этого гена произошла в эволюционной линии, ведущей к H. dujardini, уже после того, как несколько других Hox-генов было безвозвратно потеряно.

Каков был масштаб этой потери? Судя по имеющимся реконструкциям, у общего предка панартропод были гены pb, Scr, Antp и по крайней мере один ген, «предковый» для Ubx и abd-A. Значит, в начале эволюции тихоходок были потеряны четыре Hox-гена: pb, Scr, Antp и Ubx/abd-A. Почти половина Hox-кластера! Это очень много.

Hox-кластер тихоходок не только неполон, но еще и дезорганизован. Между Hox-генами там встроено множество других генов, не имеющих к ним никакого отношения. О таком Hox-кластере можно сказать, что он находится в процессе распада.

Гены и сегменты

Разумеется, в современной биологии недостаточно просто изучить гены, пусть даже с точностью до каждого нуклеотида. Надо еще знать, в каких областях тела животного происходит их экспрессия. Это и для понимания эволюции самих генов очень полезно, а для установления гомологии органов — просто необходимо.

Понимая это, исследователи применили к зародышу тихоходки метод гибридизации in situ, который позволяет увидеть область экспрессии любого гена прямо в целом теле, связав молекулы его продукта со специальной светящейся меткой. Изучение областей экспрессии генов животных и их эволюционного значения — тема интереснейшая, ее называют «молекулярной анатомией».

Итак, тело тихоходки состоит из головы и четырех сегментов, несущих ходильные ноги. Дальше мы будем опускать это уточнение и называть их просто сегментами; голова тихоходки, в которой нет никаких повторяющихся органов, сегментом не считается.

Картина экспрессии Hox-генов в зародыше тихоходки следующая. В голове не экспрессируется ни один Hox-ген. Ген lab экспрессируется в первом из четырех сегментов. Ген Hox3 — во втором и третьем сегментах. Ген Dfd — только в третьем сегменте. И наконец, ген ftz экспрессируется в передней, а Abd-B — в задней части четвертого сегмента. Пересказать эти результаты очень просто, а теперь попробуем их проинтерпретировать.

К счастью, несмотря на частичную раздробленность Hox-кластера, общая последовательность и генов, и областей их экспрессии у тихоходок сохраняется. Их Hox-гены можно называть «передними» или «задними» точно в том же смысле, что и Hox-гены членистоногих. Так что общая шкала для сравнений в нашем распоряжении есть.

При сопоставлении тихоходки с насекомым в глаза бросается следующее. «Передних» Hox-генов, которые у насекомых экспрессируются только в голове, тихоходка сохраняет два — lab и Dfd (Hox3 в данном случае не в счет). Наиболее «задний» из этих генов — Dfd — у насекомых связан с челюстями, то есть мандибулами и максиллами. А у тихоходки он экспрессируется в третьем из четырех сегментов туловища. Напомним еще раз, что в теле тихоходки всего-то пять отделов: голова и четыре сегмента с ногами. Такое положение области экспрессии гена Dfd означает, что четыре пятых всего тела тихоходки гомологичны голове и только голове насекомого.

Соответственно, все туловище насекомого гомологично последнему сегменту тихоходки, который разделен на зоны экспрессии генов ftz и Abd-B. Тут нам на помощь приходит принцип коллинеарности. Если бы ген ftz у насекомых был обычным Hox-геном, он бы экспрессировался в передней части груди. С другой стороны, ген Abd-B у насекомых экспрессируется в задней части брюшка. Если положиться на области экспрессии, то получается, что сегменты тела мухи-дрозофилы, расположенные между началом груди и серединой брюшка, не имеют у тихоходки никаких гомологов. Они «выпали». Именно поэтому исчезли и те Hox-гены, экспрессия которых для этих сегментов характерна (сейчас мы говорим о генах Antp и Ubx/abd-A).

Надо заметить, что общий предок тихоходок и членистоногих, скорее всего, не имел сложной головы, и сегменты, которые у насекомых несут челюсти, у него были туловищными. Так что сказать, что у тихоходки от тела осталась только голова, будет всё-таки преувеличением. Однако качественно это выводов не меняет. Ось тела тихоходок резко укорочена, причем укорочена она путем вырезания большого куска из середины. И у панартропод (кроме тихоходок), и у отдаленно родственных им кольчатых червей тот отдел туловища, в котором экспрессируются отсутствующие у тихоходок гены Antp, Ubx и abd-A, обычно сильно вытянут в длину и может составлять даже большую часть всего тела. Полная потеря этого отдела — событие беспрецедентное (рис. 3).

Рождение типа

Итак, собранные авторами данные позволяют им сделать вывод, что новшеством эволюционной ветви тихоходок (и только ее) было радикальное укорочение тела, сопровождавшееся потерей как значительной части туловищных сегментов, так и почти половины Hox-кластера. Общий предок панартропод, скорее всего, имел девять Hox-генов. Тихоходки утратили четыре из них.

Где тут причина, а где следствие? В принципе можно предположить, что первопричиной своеобразия тихоходок была некая генетическая катастрофа, лишившая их нескольких Hox-генов и оставившая в наследство укороченное тело, после чего бедным тихоходкам ничего не осталось, кроме как занимать экологические ниши, для которых именно такое тело подходило. Можно предположить и строго обратное: дело было не в генах, а как раз в выборе ниши. Предки тихоходок сперва начали приспосабливаться к жизни в таких местах, где с коротким телом было удобно, а с длинным не очень. Это привело к тому, что Hox-гены, управлявшие развитием «лишних» сегментов, стали ненужными. Тогда в полном соответствии с законами генетики они набрали мутационный груз, повыходили из строя, а потом и вовсе исчезли.

В данном случае факты однозначно говорят за вторую версию. Во-первых, Hox-гены регулируют не количество сегментов, а отличия между уже возникшими сегментами, то есть связь с укорочением тела тут не прямая. Во-вторых, утраченные тихоходками Hox-гены не образуют единой компактной группы, а находятся в разных местах. Чтобы тихоходки их потеряли, должно было произойти как минимум три самостоятельных события: потеря гена pb, потеря гена Scr и потеря куска кластера с генами Antp-Ubx/abd-A. Это мало похоже на какую-то внезапную генную революцию, зато очень похоже на тенденцию к постепенной «эрозии» Hox-кластера, вызванную приспособительной сменой формы тела. Тут изменения генов последовали за изменениями анатомии, а не наоборот. Так и произошло рождение нового типа животных.

Источник: Frank W. Smith, Thomas C. Boothby, Ilaria Giovannini, Lorena Rebecchi, Elizabeth L. Jockusch, Bob Goldstein. The compact body plan of tardigrades evolved by the loss of a large body region // Current Biology. 2016. V. 26. Issue 2. P. 224–229.

Сергей Ястребов

Источники:

1. elementy.ru