11.07.2016

Архаичные гены костных ганоидов разнообразнее, чем у более молодых групп позвоночных

Панцирная щука - настоящее живое ископаемое, представитель древней эволюционной ветви Holostei (костные ганоиды). Недавно осуществленное прочтение ее полного генома открыло много интересных фактов, касающихся генетической эволюции древних рыб. Например, некоторые группы генов (гены светочувствительных белков, гены белков, участвующих в образовании костей и других твердых тканей) оказались у панцирной щуки более многочисленными и разнообразными, чем у более эволюционно молодых представителей позвоночных, включая, с одной стороны, костистых рыб, а с другой - млекопитающих. Получается, что широкий набор генов, сложившийся у примитивных рыб, в ходе специализации новых эволюционных ветвей в основном уменьшался, причем разные ветви теряли разные гены. Такой эволюционный сценарий - вполне реальный, хотя и не всеобщий.

Гены и рыбы

Исследование полных геномов - очень эффективный (хотя и имеющий свои ограничения) способ изучения макроэволюции. Число геномов животных, которые удалось полностью прочитать, сейчас постоянно растет. Занимающаяся ими новая наука - сравнительная геномика - во многом сродни такой заслуженной биологической дисциплине, как сравнительная анатомия, только вот объектами, в структуру которых исследователи вникают, тут служат не многоклеточные организмы, а комплексы генов.

Анализ полных геномов помогает не только разобраться в работе сложнейших молекулярно-биологических механизмов, но и лучше узнать историю их обладателей. Дело в том, что любой современный геном заключает в себе своего рода «генетическую летопись» - множество наслаивающихся друг на друга следов очень разнообразных эволюционных событий, самые древние из которых произошли больше трех миллиардов лет назад, а самые новые - буквально только что. Конечно, «генетическая летопись» не абсолютна. Следы многих событий успевают стереться из нее начисто, и тут уже ничего не сделаешь: «Полностью утраченная информация, не сохранившаяся ни в одном экземпляре, восстановлена быть не может» (А. А. Ляпунов, 1980. О соотношении понятий материя, энергия и информация). С другой стороны, бывают и такие эволюционные новшества, которые на анатомию тела никак прямо не влияют, а вот в геноме запечатлеваются очень четко - так, что «прочитать» их следы можно даже спустя сотни миллионов лет. Ярким примером такого новшества служит полногеномная дупликация (whole genome duplication, WGD), практически несомненно случившаяся в начале эволюции позвоночных и некоторых других групп животных. Полногеномная дупликация - это удвоение всего генома целиком. Такие события действительно происходили, причем не раз.

История генома позвоночных достаточно сложна. Насколько нам сейчас известно, полногеномных дупликаций в ней было как минимум три. Первые два эпизода, или, как часто говорят, два «раунда» полногеномной дупликации произошли в самом начале эволюционной ветви позвоночных, охватив в результате подавляющее большинство из них. Эти ранние эпизоды обозначают сокращением VGD (англ. vertebrate genome duplication, «геномная дупликация позвоночных»); первая дупликация называется VGD1, вторая, соответственно, VGD2. У всех современных челюстноротых, то есть рыб и их потомков, эти дупликации безусловно есть.

С третьей полногеномной дупликацией дело обстоит иначе. Ее следы обнаруживаются только у рыб, причем далеко не у всех. Очевидно, эта дупликация произошла в одной-единственной эволюционной ветви, которая называется костистые рыбы (Teleostei). В современных статьях ее называют TGD (англ. teleost genome duplication, «геномная дупликация костистых»). Ни у каких других рыб, кроме костистых, этой дупликации нет. Наземные позвоночные произошли от кистеперых рыб, которые костистым не родственны, поэтому и у них тоже этой дупликации нет.

Отсюда неожиданно вытекает одна чисто практическая проблема. Дело в том, что костистые рыбы - это огромная, эволюционно очень успешная группа. На самом деле к ним относится попросту подавляющее большинство современных рыб, включая и тех, которые стали широко распространенными лабораторными объектами. Эти объекты - например, данио-рерио и японская медака — нередко используются для решения биомедицинских задач, связанных с человеком. Проблема же состоит именно в том, что данио и медака - не просто рыбы, а костистые рыбы. У них в геноме есть дупликация TGD, а у человека-то ее нет. Это достаточно серьезно ограничивает возможность переноса результатов, полученных на любых костистых рыбах, на человека (как и на других наземных позвоночных).

Надо сказать, что костистые рыбы - группа по меркам общей эволюционной истории относительно молодая. В палеонтологической летописи они появляются «всего лишь» около 200 миллионов лет назад, в конце триасового периода, то есть примерно тогда же, когда и млекопитающие. В этом месте любой эволюционный биолог скажет, что было бы очень интересно найти или предков, или близких родственников костистых рыб, сходных с ними во всем, кроме уникальных признаков группы Teleostei. Такие предки или родственники будут ближе к «корню» рыбьего эволюционного древа, и их изучение может много дать как для сравнений с наземными позвоночными, линия которых берет начало от того же «корня», так и для понимания хода эволюции рыб в целом.

К счастью, ближайшие соседи костистых рыб по эволюционному древу хорошо известны. Это так называемые костные ганоиды (Holostei), гораздо более древняя группа, появившаяся еще в палеозое и остававшаяся многочисленной весь мезозой. Сейчас от нее осталось всего три рода - ильная рыба, или амия (Amia), панцирная щука (Lepisosteus) и аллигаторова щука (Atractosteus). Все эти рыбы живут в пресных водоемах Северной Америки, и все они заслуженно считаются живыми ископаемыми. Например, возраст рода Lepisosteus - никак не меньше 80 миллионов лет (см. E. O. Wiley, H. P. Schultze, 1984. Family Lepisosteida (gars) as living fossils). Это означает, что во времена, когда динозавры еще вовсю процветали, в реках и озерах Земли уже плавали панцирные щуки, примерно такие же, как сейчас.

Современная панцирная щука всем своим обликом напоминает о древних временах (рис. 1). Это довольно большая (размер некоторых видов достигает двух метров) рыба, покрытая крупными и толстыми ромбовидными чешуями. Такая чешуя называется ганоидной, и у костистых рыб ее нет. Это очень архаичный признак. Плавательный пузырь у панцирной щуки активно используется как орган воздушного дыхания - тоже древняя особенность, которая в эволюции костистых рыб постепенно исчезает. И наконец, сам внешний вид чешуйчатого хищника с длинным телом, вытянутой мордой и пастью, полной острых зубов, придает панцирной щуке поверхностное сходство с неким загадочным ящером. Ее близкий родственник, аллигаторова щука, именно поэтому получил такое название.

Современные панцирные щуки живут только в Северной Америке, от Великих озер до Мексики и Флориды. Но их ископаемые остатки обнаружены и в Европе, и в Африке, и в Индии. Похоже, что раньше ареал рода Lepisosteus охватывал большинство континентов, и только в последние 20 миллионов лет он - вероятно, под давлением более эволюционно молодых костистых рыб - сократился до Северной Америки. Это типичный пример биогеографического явления, которое называется оттесненным реликтом (см. К. Ю. Еськов. История Земли и жизни на ней). В общем, панцирная щука - по всем статьям интересное животное для того, кто хочет узнать что-то новое про эволюцию древних позвоночных.

Гены и деревья

И вот теперь полный геном панцирной щуки прочитан. Недавно вышедшая статья о нем подписана большим международным коллективом исследователей, среди которых такие звезды, как Нил Шубин (Neil Shubin) и Питер Холланд (Peter Holland). Что же мы в этом геноме видим?

Начнем с формальных параметров. Геном панцирной щуки - по меркам позвоночных животных довольно маленький. Его размер, определенный биохимическими методами, составляет 1,39 пикограмма (1,39 триллионных грамма, 1,39·10^–12 г); см. T. R. Gregory, 2016. Animal Genome Size Database. Это примерно вдвое меньше, чем, например, у акулы или у лягушки. Гораздо сложнее узнать число генов. У животных оно очень слабо связано с размером генома, и точно определить его можно, только полностью этот геном прочитав. У панцирной щуки исследователи насчитали 21 443 белок-кодирующих гена (как понятно из термина, речь идет о генах, кодирующих белки; к этой категории относится подавляющее большинство генов, хотя и не все). Для сравнения, у человека число белок-кодирующих генов, посчитанное примерно таким же способом, составляет 20 296, а у костистой рыбы данио-рерио - 25 642. Эти числа могут не быть окончательными, но качественную картину они практически наверняка отражают верно. У панцирной щуки несколько больше генов, чем у человека, и несколько меньше, чем у типичной костистой рыбы, в роли которой как раз и выступает данио. Примерно 20% генома панцирной щуки состоит не из генов, а из повторяющихся элементов, не кодирующих ничего. Эта цифра - тоже достаточно рядовая, процент повторяющихся элементов в геномах животных бывает и больше.

Итак, что же нового «анатомия» генома панцирной щуки открыла биологам?

Прежде всего, любой прочитанный полный геном позволяет на новом уровне провести исследование, указывающее место обладателя этого генома на эволюционном древе (рис. 2). Теперь можно уверенно сказать, что место панцирных щук - рядом с ильной рыбой (амией), вместе с которой она образует эволюционную ветвь костных ганоидов (Holostei), и эта ветвь - сестринская по отношению к ветви костистых (Teleostei). Как ни странно, этот результат далеко не тривиален. Дело тут вот в чем. В зоологии еще с XIX века было широко распространено мнение, что Holostei - вовсе не эволюционная ветвь (клада), а эволюционный уровень (града). С этой точки зрения древний и мощный ствол лучеперых рыб (Actinopterygii) представал как бы последовательно проходящим сквозь три этажа: хрящевые ганоиды (Chondrostei) - костные ганоиды (Holostei) - костистые рыбы (Teleostei). Такая «градистическая» схема эволюции была по-своему красивой и четкой. Но увы, на данный момент похоже, что столкновения с фактами она не выдерживает. Представление о том, что Holostei - не ветвь, а уровень, подтвердилось бы, если бы амия оказалась генетически ближе к костистым рыбам, чем панцирная щука (или наоборот). Тогда современных Holostei никак нельзя было бы объединить в ветвь, и оставалось бы только считать их уровнем-градой. На самом деле, судя по новейшим данным, амия и панцирная щука как раз прекрасно объединяются в эволюционную веточку, отдельную от костистых, а значит, представление о «градах» тут пока что лишнее.

Правда, из тех же самых сравнений полных геномов следует, что эволюция ветви Holostei была гораздо более медленной, чем эволюция Teleostei. Но как раз это прекрасно согласуется с данными классической зоологии: ведь и панцирная щука, и амия почти не изменились по сравнению со своими предками, жившими 80 миллионов лет назад. А вот резкое ускорение эволюции у Teleostei вполне можно связать с уникальной для этой ветви дополнительной полногеномной дупликацией - той самой TGD.

Интересно, что не только последовательности большинства генов, но и способы их совместной «упаковки» в хромосомы у панцирной щуки оказались очень консервативными. Панцирная щука имеет 29 пар хромосом, то есть - иными словами - по 58 хромосом во всех клетках, кроме половых (2n = 58). Анализ полных геномов показал, что у таких далеких от панцирной щуки существ, как человек и курица, очень многие участки хромосом сохраняют те же гены, расположенные в том же порядке. Чтобы «превратить» хромосомный набор панцирной щуки в хромосомный набор курицы, требуется всего-навсего 17 крупных генетических событий (хромосомных разрывов, слияний или транслокаций). У костистых рыб структура хромосом гораздо менее устойчива, причем это связано не только с их дополнительной полногеномной дупликацией, но и с волной хромосомных перестроек, которая по какой-то причине охватила геном предка костистых рыб еще накануне этого события.

С точки зрения крупномасштабной эволюции геномов, особенно интересны такие гены, которые четко объединяются в семейства (группы генов, происходящих от одного гена-«предка»), а в идеале и в кластеры (группы генов, компактно расположенных друг за другом на хромосоме). Ярким примером таких генов служат Hox-гены, играющие важную роль в развитии многоклеточных животных и поэтому хорошо изученные. У подавляющего большинства животных Hox-гены образуют единственный кластер; генов в нем обычно примерно десяток, иногда чуть больше, иногда и меньше. Но у позвоночных, как мы знаем, в древности произошло удвоение всего генома, причем дважды. Поэтому, Hox-кластеров у них в самом типичном случае четыре, как, например, у человека (Hox-генов у него 39). А вот у костистых рыб геном удвоился в третий раз, поэтому Hox-кластеров у них семь или восемь, хотя Hox-генов обычно всего 45–49; последнее означает, что уже после нового удвоения генома часть Hox-генов за ненадобностью исчезла (B. Guo et al., 2011. Duplicated gene evolution following whole-genome duplication in teleost fish).

Что же мы видим у панцирной щуки? У нее - как и следовало ожидать - всего четыре Hox-кластера, содержащих 43 Hox-гена. Это довольно большое число, означающее, что набор Hox-генов у панцирной щуки очень полный. Такая полнота сама по себе архаична; действительно, во многих ветвях, которые эволюционировали быстрее, чем Holostei, те или иные Hox-гены исчезли. Например, ген Hoxd14 был независимо бесследно потерян и у костистых рыб, и у млекопитающих. В функциональном виде он есть у осетровых рыб, которые относятся к еще более древней, чем Holostei, группе Chondrostei (хрящевые ганоиды). А у панцирной щуки этот ген сохранился, но только в виде нефункционирующего псевдогена. Наличие таких «молекулярных ископаемых» - свидетельство медленной эволюции и одновременно шанс узнать что-то новое о том, как эволюция, собственно, шла.

Еще один интересный фрагмент информации, извлеченный из генома панцирной щуки, относится к эволюции восприятия света. Известно, что у всех позвоночных промежуточный мозг образует светочувствительный вырост - так называемый «третий глаз», или теменной глаз, или эпифиз, или пинеальный орган (всё это одно и то же). У современных животных теменной глаз перекрыт кожей, так что снаружи его не видно, но некоторую чувствительность к свету он всё равно может сохранять. Это - вспомогательный орган зрения, служащий в основном для того, чтобы регистрировать суточные изменения освещенности, управляя соответствующими биоритмами. Для молекулярных биологов и генетиков особенно интересен тот факт, что пинеальный орган имеет собственные светочувствительные белки, отличающиеся от светочувствительных белков обычных парных глаз. У наземных позвоночных таким белком служит пинопсин, а у костистых рыб - неродственный ему экзородопсин (см., например: H. Mano, Y. Fucada, 2007. A median third eye: pineal gland retraces evolution of vertebrate photoreceptive organs). А вот у панцирной щуки, как выяснилось, есть одновременно гены и пинопсина, и экзородопсина - то есть специфических светочувствительных белков пинеального органа у нее сразу два. Получается, что это архаичное состояние. Раньше биологи думали, что у общего предка рыб и наземных позвоночных единственным «теменным» светочувствительным белком был пинопсин, в ветви костистых он был потерян, а взамен него появился экзородопсин. Теперь сценарий выглядит совсем иначе: у общего предка рыб и наземных позвоночных было одновременно два белка с этой функцией, но наземные позвоночные отказались от одного из них, а костистые рыбы - от другого. Это отличный примерно того, как сравнение двух хорошо известных групп животных с третьей, малоизученной, помогает прояснить эволюционный путь и тех и других (рис. 3).

Гены и ткани

Сравнительная геномика иногда помогает разбираться и в таких проблемах, которые всегда (по крайней мере, на протяжении пары сотен лет) безоговорочно принадлежали наукам об организме - например, той же сравнительной анатомии. Конечно, заменить собой науки об организме геномика не может. Но добавить новые данные, которые позволят увидеть давно знакомый сюжет с неожиданных сторон, - может вполне. Именно так обстоит дело с эволюцией твердых скелетных тканей позвоночных животных.

Определимся с понятиями. Твердые скелетные ткани - это кость, дентин, эмаль и всевозможные более редкие дентиноподобные либо эмалеподобные субстанции (например, ганоин, который входит в состав столь характерной для панцирной щуки ганоидной чешуи). Все эти ткани минерализованы, причем их минеральную основу образуют микроскопические кристаллики фосфата кальция (Ca₃(PO₄)₂). Фосфатные твердые ткани - одна из самых уникальных особенностей, выделяющих позвоночных среди всех современных животных. Неудивительно, что история этих тканей очень важна для понимания того, как эволюция позвоночных вообще шла. Например, были ли первые настоящие позвоночные панцирными, чешуйчатыми или вовсе мягкотелыми? И в любом случае, что появилось раньше - чешуя или панцирь? Полное представление о начале эволюции наших предков невозможно без ответов на эти, казалось бы, совсем простые вопросы.

Теперь представим, что мы смотрим на эволюционный процесс сквозь некий воображаемый универсальный прибор, отдаленно напоминающий телескоп или микроскоп. Мысленно переключим оптику этого прибора с морфо-физиологического уровня на молекулярный. Тогда мы будем видеть не целые организмы, а гены и белки. Например, для всех минерализованных тканей позвоночных очень важна группа специфических белков, которые кратко называются кальций-связывающими белками (их более длинное и точное название - secretory calcium-binding phosphoproteins, Scpp). Эти белки разнообразны и многочисленны: например, в геноме человека найдено целых 23 гена кальций-связывающих белков скелетных тканей. У современной кистеперой рыбы латимерии таких генов 14. У данио-рерио - 15. Обратившись к эволюционному древу, мы тут же увидим, что человек и латимерия относятся к единому эволюционному стволу мясистолопастных (Sarcopterygii), в который костистые рыбы, в том числе и данио, не входят. При этом из всех генов кальций-связывающих скелетных белков общими у мясистолопастных и костистых являются только два! Может быть, это значит, что у их общего предка твердые ткани были плохо развиты?

Совсем нет. Именно тут нам поможет панцирная щука - древняя и по многим признакам примитивная рыба, не относящаяся ни к мясистолопастным, ни к костистым. В геноме панцирной щуки генов кальций-связывающих скелетных белков найдено аж 35. Это почти в полтора раза больше, чем у млекопитающих, и более чем вдвое больше, чем у латимерии и данио. Те два гена, которые являются общими у костистых рыб и у мясистолопастных, здесь тоже присутствуют. Но, кроме того, среди генов кальций-связывающих белков панцирной щуки есть пять генов, которые раньше считались уникальными для костистых рыб, и шесть генов, которые раньше считались уникальными для мясистолопастных! Получается, что у «примитивных» рыб, представителем которых панцирную щуку в данном случае вполне можно считать, набор этих генов был богат и универсален. А вот дальше началась специализация, которая привела к потере части генов - причем в разных ветвях терялось разное. Примерно такой же сценарий мы только что видели в эволюции светочувствительных белков теменного глаза; но здесь он еще более выразителен.

Интересно, что еще 18 генов кальций-связывающих белков, обнаруженных у панцирной щуки, пока вообще не найдены ни у костистых рыб, ни у мясистолопастных. Эти гены (и соответствующие им белки) или исчезли в эволюции большинства рыб очень рано, или, наоборот, возникли только в ветви Holostei. Решение этого вопроса, надо думать, поможет понять, как чаще идет молекулярная эволюция: путем постепенного добавления новых генов или путем относительно быстрого образования большого генного «пула», из которого потом каждая ветвь выбирает гены, подходящие именно для нее. Данные по панцирной щуке пока скорее говорят в пользу второго механизма, но еще неизвестно, насколько широко он распространен.

Источник: Ingo Braasch, Andrew R. Gehrke, Jeramiah J. Smith, Kazuhiko Kawasaki, Tereza Manousaki, Jeremy Pasquier, Angel Amores, Thomas Desvignes, Peter Batzel, Julian Catchen, Aaron M. Berlin, Michael S. Campbell, Daniel Barrell, Kyle J. Martin, John F. Mulley, Vydianathan Ravi, Alison P. Lee, Tetsuya Nakamura, Domitille Chalopin, Shaohua Fan, Dustin Wcisel, Cristian Canestro, Jason Sydes, Felix E. G. Beaudry, Yi Sun, Jana Hertel, Michael J. Beam, Mario Fasold, Mikio Ishiyama, Jeremy Johnson, Steffi Kehr, Marcia Lara, John H. Letaw, Gary W. Litman, Ronda T. Litman, Masato Mikami, Tatsuya Ota, Nil Ratan Saha, Louise Williams, Peter F. Stadler, Han Wang, John S. Taylor, Quenton Fontenot, Allyse Ferrara, Stephen M. J. Searle, Bronwen Aken, Mark Yandell, Igor Schneider, Jeffrey A. Yoder, Jean-Nicolas Volff, Axel Meyer, Chris T. Amemiya, Byrappa Venkatesh, Peter W. H. Holland, Yann Guiguen, Julien Bobe, Neil H. Shubin, Federica Di Palma, Jessica Alfoldi, Kerstin Lindblad-Toh & John H. Postlethwait. The spotted gar genome illuminates vertebrate evolution and facilitates human-teleost comparisons // Nature genetics. 2016. V. 48. P. 427–437.

Сергей Ястребов

Источники:

1. elementy.ru