Сходу с появлением новых органов и тканей у старых двусторонне-симметричных животных (билатерий) появилось более 30 новых микроРНК — регуляторных молекул, управляющих работой генов. Германские ученые отыскали, что в процессе развития личинок обычных билатерий разные микроРНК вырабатываются в разных типах формирующихся тканей. Это подтверждает предположение о тесной связи меж появлением
Сходу с появлением новых органов и тканей у старых двусторонне-симметричных животных (билатерий) появилось более 30 новых микроРНК — регуляторных молекул, управляющих работой генов. Германские ученые отыскали, что в процессе развития личинок обычных билатерий разные микроРНК вырабатываются в разных типах формирующихся тканей. Это подтверждает предположение о тесной связи меж появлением новых микроРНК и новых тканей в ранней эволюции билатерий.
К билатериям относятся все животные, не считая самых обычных (таких как губки, трихоплакс и кишечнополостные), в том числе все черви, моллюски, членистоногие и хордовые. Спецы по сравнительной анатомии и эмбриологии в течение прошедшего века разработали несколько других теорий происхождения и ранней эволюции билатерий. Решить, какая из этих моделей ближе всего к реальности, помогли новые данные, в том числе молекулярно-генетические. (Об этом кропотливо поведано в статье В. В. Малахова «Новый взгляд на происхождение билатерий»).
Схема происхождения билатерий (из статьи В. В. Малахова «Новый взгляд на происхождение билатерий»)
По современным представлениям, последний общий предок всех современных билатерий был сегментированным животным, имел вторичную полость тела (целом) и, может быть, парные конечности (параподии). Другими словами, из всех современных животных он был больше всего похож на кольчатого червя. Соответственно, кольчатые черви — наименее изменившиеся из всех его потомков, или, что то же самое, самые примитивные из современных билатерий. Это звучит не по привычке для многих зоологов, которые привыкли считать самыми ординарными билатериями не кольчатых, а плоских червей. Но филогенетические реконструкции, основанные на молекулярных данных, свидетельствуют о том, что плоские и круглые черви, устроенные проще кольчатых, произошли от более высокоорганизованных предков, другими словами подверглись вторичному упрощению (подробнее см. в заметках: Конечности у членистоногих и кольчатых червей растут из общего корня, «Элементы», 20.11.2008; Новые данные позволили уточнить родословную животного царства, «Элементы», 10.04.2008).
Подобно тому как ланцетник может служить собственного рода «живой облегченной схемой» хордовых (см.: Геном ланцетника помог раскрыть секрет эволюционного успеха позвоночных, «Элементы», 23.06.2008), а исследование воротничковых жгутиконосцев помогает проникнуть в тайну происхождения первых многоклеточных животных (см.: Расшифрован геном хоанофлагеллят — ближайших одноклеточных родичей всех многоклеточных животных, «Элементы», 18.02.2008), кольчатые черви являются комфортабельной моделью для исследования старых шагов эволюции билатерий.
Ранняя эволюция билатерий представляет особый интерес в связи с тем, что непосредственно на этом шаге развития животного царства вышло радикальное усложнение и диверсификация планов строения и появилось много новых тканей и органов, в том числе центральная нервная система, разные органы чувств, сквозной кишечник, спец мускулатура и т. д.
Чтобы понять, откуда взялись все эти новшества, необходимо поначалу разобраться, как они возникают в процессе личного развития (онтогенеза) современных организмов. Дело тут не только в том, что личное развитие временами отчасти воспроизводит («рекапитулирует») эволюционную историю, ну и в том, что эволюция строения организма — это поначалу эволюция программы личного развития. Ведь в геноме нет ничего похожего на «чертеж» взрослого животного. Там есть только «программа поведения», работающая на уровне отдельных клеток развивающегося эмбриона. Морфология взрослой особи является результатом процессов самоорганизации, основанных на согласованном поведении делящихся эмбриональных клеток. Другими словами, вопрос о том, как появились новые органы и ткани, сводится к вопросу об конфигурациях в программе онтогенеза, которые произошли у старенькых билатерий.
Принципные шаги к пониманию этих конфигураций были сделаны в процессе исследования Hox-генов и других генов — регуляторов личного развития животных (см.: Новое в науке о именитых Hox-генах, регуляторах развития, «Элементы», 10.10.2006). Стало ясно, что белки, кодируемые этими генами, играют важную роль в онтогенезе билатерий. Их более очевидная функция состоит в том, что они «размечают» эмбрион, определяя, где будет голова, а где хвост, где спина, а где брюхо, где расти ногам, а где быть границам меж секторами. Манипулируя работой белков-регуляторов, можно перевоплотить, например, 3-ий сектор груди дрозофилы в дубликат второго — и тогда у мухи вырастет лишняя пара крыльев, можно перевоплотить антенны в ноги или добиться появления зачатков конечностей на брюшных секторах, где им быть не положено.
Но до понимания всех тонкостей программы онтогенеза билатерий нам по-прежнему до обидного далеко. А конкретно, выяснилось, что онтогенезом управляют не только белки, ну и особые маленькие молекулы РНК — микроРНК (microRNA). Как и белки-регуляторы, микроРНК влияют на активность генов, при всем этом под их контролем находятся также и гены, кодирующие те же белки-регуляторы. Во многих случаях удалось установить, какие непосредственно гены регулируются теми или другими микроРНК, но как всё это связано с определенными планами строения билатерий и с их эволюцией, выяснить оказалось не так просто.
В новой статье германских ученых, размещенной на сайте журнала Nature, предпринята попытка внести хоть какую-то ясность в вопрос о роли микроРНК в ранней эволюции билатерий. Для этого создатели изучили пространственное распределение разных микроРНК в органах и тканях развивающейся личинки кольчатого червя Platynereis, который по собственному строению очень близок к общему предку билатерий, каким он видится на данный момент биологам. Для сравнения употреблялся очередной кольчатый червь (Capitella) и морской еж Strongylocentrotus — представитель вторичноротых. Билатерии, по современным представлениям, скоро после собственного появления подразделились на две группы — первичноротых и вторичноротых. К первым относятся кольчатые, плоские и круглые черви, моллюски, членистоногие и много всякой мелочи, ко вторым — иглокожие, полухордовые и хордовые. В качестве «внешней» по отношению к билатериям группы был использован представитель кишечнополостных — актиния Nematostella (см.: Геном актинии оказался фактически таким же сложным, как у человека, «Элементы», 11.07.2007).
Сравнивая геномы разных животных, ученые ранее установили, что у билатерий имеется выше 30 уникальных микроРНК, которых нет у других живых организмов. Эти результаты подтвердились в процессе целенаправленного поиска микроРНК у платинереиса. У этого червя обнаружилось 34 микроРНК, общих для первично- и вторичноротых. Эти микроРНК уже имелись у последнего общего предка всех билатерий, но их не было у радиально-симметричных предков билатерий (не считая одной-единственной микроРНК, которая называется miR-100 и которая есть у актинии).
Таким образом, выходит, что вместе с резким усложнением организма и появлением новых тканей древние билатерии заполучили три 10-ка новых микроРНК. Главный вопрос состоит в том, была ли меж этими новоприобретениями ровненькая связь. Если да, то следует ожидать, что в процессе онтогенеза у обычных билатерий микроРНК распределяются неким закономерным образом по формирующимся тканям. Ранее это пробовали изучить на «высших» животных, таких как членистоногие и хордовые, но картина выходила очень сложная и запутанная.
Оказалось, что в процессе развития платинереиса микроРНК взаправду очень правильно распределены по дифференцирующимся тканям. А конкретно, древнейшая микроРНК miR-100 и три другие микроРНК обнаруживаются исключительно в 2-ух малеханьких группах клеток по обе стороны от личиночной глотки (передней кишки). Клетки при ближнем рассмотрении оказались нейросекреторными. Это интересно, потому что у позвоночных одна из этих молекул (miR-375) маркирует нейросекреторные клетки гипофиза и поджелудочной железы, формирование которых в онтогенезе связано с передней кишкой.
У актинии экспрессия miR-100 нашлась в отдельных клетках вдоль края личиночного рта (бластопора), примерно в той области, которая, по сравнительно-анатомическим данным, соответствует передней кишке или глотке билатерий (предполагается, что у предков билатерий был щелевидный рот, как у некоторых кишечнополостных, который позднее склеился в центре, оставив два отверстия по краям, которые стали ртом и анусом).
У личинок червя Capitella и морского ежа эти микроРНК тоже локализуются вокруг глотки. По-видимому, такая их локализация первична для билатерий, но у продвинутых животных, таких как членистоногие и хордовые, эти микроРНК расширили сферу своей деятельности и стали работать не только в передней кишке и связанных с ней нейросекреторных клетках, ну и в других частях зародыша.
Личинки кольчатых червей, иглокожих и многих других билатерий плавают при помощи ресничных шнуров — полосок эпителиальных клеток, покрытых согласованно бьющимися ресничками. Три микроРНК (miR-29, miR-34, miR-92) у обоих исследованных червей и морского ежа оказались приуроченными к этим ресничным шнурам. У позвоночных эти микроРНК экспрессируются в нейронах, выстилающих желудочки мозга, при всем этом некоторые из этих нейронов несут реснички.
Этот факт должен привести в экстаз сравнительных анатомов и эмбриологов, которые давно говорили о тесной связи меж ресничными шнурами и нервными стволами и о том, что центральная нервная система хордовых формируется из спинной нервной трубки, которая возникает способом впячивания особой полосы эпителия, которая, в свою очередь, гомологична невротроху — ресничному шнуру, образующемуся у личинок билатерий на месте замкнувшегося щелевидного бластопора. Короче говоря, клетки с ресничками, выстилающие желудочки мозга позвоночных, исторически восходят к невротроху. Поэтому то, что в их экспрессируются те же микроРНК, что и в невротрохе, показывает, что сравнительные анатомы XIX–XX веков не даром ели свой хлеб. На приведенном рисунке невротрох личинки платинереиса (правда, без ресничек в данном случае) заметен в виде вертикальной полосы из красных точек на фигуре d.
Экспрессия 3-х микроРНК, приуроченных к ресничным шнурам, у личинок червя Platynereis. Наименования микроРНК написаны в правом нижнем углу каждой фигуры. Клетки, в каких находится данная микроРНК, показаны красным цветом. Зеленым цветом покрашены ресничные шнуры. Верхний ряд — ранняя личинка (трохофора, 24 часа после осеменения), нижний — подросшая личинка (метатрохофора, 72 часа после осеменения, вид с брюшной стороны). На фигуре d белой стрелкой отмечена вертикальная полоса клеток, экспрессирующих miR-92. Эта полоса (невротрох) образовалась на месте замкнувшегося щелевидного бластопора, а позже из нее сформируется брюшная нервная цепочка червя. Невротрох гомологичен спинной нервной пластинке эмбрионов хордовых, из которой формируется спинная нервная трубка — зачаток центральной нервной системы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Два набора микроРНК оказались приуроченными к двум разным областям мозга. Один набор находится в нейросекреторной ткани дорсальной (спинной) части мозга. Те же самые микроРНК ранее были обнаружены в нейросекреторных клетках гипоталамуса у рыб. То, что гипоталамус находится в нижней («брюшной») части мозга, это правильно, потому что брюшная сторона хордовых гомологична спинной стороне других билатерий (В. В. Малахов. Происхождение хордовых животных, PDF, 236 Кб). 2-ой набор «мозговых» микроРНК у червей экспрессируется у оснований антенн — органов хим чувства. У мышей те же микроРНК приурочены к переднему мозгу, изначальной функцией которого у позвоночных была обработка обонятельной инфы. Таким образом, здесь тоже наблюдается нечто очень похожее на эволюционную преемственность.
Другие микроРНК тоже оказались распределены закономерным образом по разным типам формирующихся тканей, при всем этом были выявлены многочисленные параллели меж их распределением у разных билатерий. Например, miR-124 приурочена к центральной нервной системе у насекомых и плоских червей, а у позвоночных — к нервным клеткам вообще. У платинереиса эта микроРНК экспрессируется только в центральной нервной системе — мозге и брюшной нервной цепочке. Другие микроРНК, у позвоночных экспрессирующиеся в некоторых органах чувств, у платинереиса тоже оказались приуроченными к чувствительным органам (очам, антеннам, чувствительным придаткам параподий). МикроРНК miR-1 и miR-133 у кольчатых червей, как и у позвоночных, находятся только в развивающихся мышцах, и т.д..
Обретенные результаты показывают, что одновременное появление у ранних билатерий новых тканей и новых микроРНК не было случайным совпадением. По-видимому, микроРНК сначала играли важную роль в дифференцировке тканей у билатерий. Их функции, но, оказались более пластичными, чем у Hox-генов, и поэтому у высших билатерий «сфера влияния» многих микроРНК стала очень отличаться от исходной.
Похожие статьи:
