Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл

Когда в ходе эволюции позвоночных увеличилось число кластеров Hox-генов? Стало ли это событие толчком к эволюции позвоночных? Чтобы ответить на эти вопросы, пришлось изучить множество современных видов, относящихся к разным группам на разных ветвях филогенетического древа позвоночных. Все млекопитающие, птицы и некоторые рыбы, включая древнего глубоководного целаканта, имеют по четыре кластера Hox-генов. У нас есть все основания заключить, что у общего предка этих челюстных позвоночных также было четыре кластера Hox-генов.

Однако более примитивные современные позвоночные, такие как минога, имеют меньшее число Hox-кластеров. Детальное изучение Hox-кластеров миноги и их сравнение с Hox-кластерами костистых рыб и млекопитающих показало, что наши четыре кластера — результат двух раундов дупликации на ранних этапах эволюции позвоночных. Первое удвоение случилось после расхождения головохордовых и предков миног, а второе — за некоторое время до появления костистых рыб. Посмотрим еще раз на наше семейное древо (рис. 6.8). Поскольку образцы из Чэнцзяня являются бесчелюстными рыбами, мы можем предположить, что они имели всего один или два кластера Hox-генов.

Выясняется, что различие в числе кластеров Hox-генов у позвоночных отражает различие в общем количестве генов развития у этих животных. В ходе эволюции позвоночных произошло удвоение не только Hox-кластера, но и многих других генов развития. Это могло произойти, например, при дупликации всего генома или его крупного фрагмента. Увеличение числа генов развития у высших позвоночных говорит о том, что на ранних этапах эволюции позвоночных появление новых генов сыграло значительную роль в эволюции плана строения. Одним из показателей эволюции анатомии хордовых является количество клеток разных типов. Так вот, у человека и других высших позвоночных гораздо больше типов клеток, чем у головохордовых: у этих последних нет клеток, из которых у нас состоят хрящи, кости, голова и некоторые органы чувств. Это означает, что большее количество генов развития коррелирует с большим количеством клеточных типов и более сложной организацией тканей, поскольку большее количество генов позволяет генерировать большее количество инструкций в ходе эмбрионального развития.

Однако главной движущей силой последующей эволюции высших позвоночных было не увеличение количества генов. Важно помнить, что эволюция земноводных, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих происходила при наличии все тех же четырех кластеров Hox-генов. Лягушки и змеи, динозавры и страусы, жирафы и киты эволюционировали с одним и тем же набором Hox-генов. Таким образом, общее число Hox-генов ничего не говорит нам об эволюции форм животных. Разнообразное строение этих видов, как и в случае членистоногих, стало результатом изменения географии эмбрионов за счет сдвига зон экспрессии Hox-генов, а не результатом увеличения числа этих генов.

Например, у позвоночных переход от одного типа позвонков к другому — шейные/грудные, грудные/поясничные, поясничные/крестцовые, крестцовые/хвостовые — соответствует границам между зонами экспрессии определенных Hox-генов. Передняя граница экспрессии одного из генов, Hoxc6, совпадает с границей между шейным и грудным отделами у мыши, курицы и гуся, хотя у всех этих животных разное количество шейных позвонков. Таким образом, у этих животных произошло смещение зоны экспрессии гена Hoxc6 по отношению к номеру позвонка (рис. 6.9). У змей это смещение выражено еще сильнее. У них нет четкой границы между шейным и грудным отделами позвоночника, и экспрессия Hoxc6 продолжается до самой головы. Ко всем этим позвонкам присоединены ребра, а это означает, что все эти позвонки грудного типа, однако при этом у них есть еще и признаки шейных позвонков. Отсюда следует, что удлинение тела змеи произошло за счет потери шеи и удлинения грудного отдела в результате сдвига зон экспрессии Hox-генов.

Рис. 6.9. Сдвиг зон экспрессии Hox-генов также способствует эволюции позвоночных. Разные группы позвоночных животных отличаются друг от друга количеством шейных позвонков: у мыши шея короткая, у гуся длинная, а у питонов шеи практически нет, а есть просто длинное туловище. Граница между шейными и грудными позвонками у всех позвоночных совпадает с границей экспрессии гена Hoxc9, однако у разных животных это положение относительно всего тела различается. На этом уровне у всех четвероногих позвоночных возникают передние конечности, а у змей эта граница сдвинута вперед к основанию черепа и конечности не развиваются. Рисунок Лианн Олдс.

Одновременно удивительно и логично, что эволюция формы тела представителей двух наиболее успешных и разнообразных групп животных — членистоногих и позвоночных — происходила по одному и тому же сценарию, связанному со сдвигом зон экспрессии генов Hox вдоль основной оси эмбриона. Самое главное здесь — что мы ухватили суть крупномасштабных изменений в строении животных. Теперь мы можем рассматривать отдельные группы животных — насекомых, пауков и многоножек или птиц, млекопитающих и пресмыкающихся, а также их давно вымерших предков — не как нечто уникальное, а как вариации на общую тему. Лучше всего эту мысль сумел выразить блестящий писатель и философ второй половины восемнадцатого века Дени Дидро (см. цитату в начале главы), и ее же почти сто лет назад сформулировал в своем законе Сэмюель Уиллистон. Теперь мы знаем общий механизм и, следовательно, очень точное объяснение одной из важнейших тенденций в эволюции животных.

Давайте чуть подробнее исследуем эту эволюционную тенденцию и посмотрим, что же стоит за Hox-генами и географией эмбриона и почему происходит сдвиг зон экспрессии Hox-генов и изменение анатомии.

Все дело в переключателях. Именно генетические переключатели Hox-генов контролируют координаты экспрессии этих генов у эмбриона. Эволюционные сдвиги зон экспрессии Hox-генов происходят из-за изменений нуклеотидных последовательностей переключателей.

Например, позвоночник мыши состоит из семи шейных и тринадцати грудных позвонков, тогда как позвоночник курицы — из четырнадцати шейных и семи грудных позвонков. Передняя граница зоны экспрессии гена Hoxc8 в эмбрионе курицы расположена гораздо дальше от головы, чем в эмбрионе мыши. Положение границы зоны экспрессии гена Hoxc8 в ранних эмбрионах мыши и курицы контролируется специфическим переключателем. Различия в последовательности ДНК этого переключателя у мыши и курицы как раз и отвечают за разницу в относительном расположении зоны экспрессии гена Hoxc8 у этих животных.

Эволюция переключателя гена Hoxc8 в этих двух группах позвоночных иллюстрирует важнейшую роль переключателей в эволюции животных. Изменение нуклеотидной последовательности переключателя приводит к изменению географии эмбриона без нарушения функциональной целостности белкового продукта гена развития. В данном случае изменение переключателя гена Hoxc8 приводит к изменению числа позвонков определенного типа. Белок Hoxc8 играет ключевую роль и в других тканях, поэтому мутации кодирующей последовательности гена могли бы нарушить все его функции. Изменение специфического переключателя позволяет изменять специфические модули, не влияя на другие части тела.