биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


«Бесхозные» гены отвечают за морфологию гидр

[20 ноября, 2008 г.]

Несмотря на стахановские темпы расшифровки геномов множества организмов, пока что совершенно непонятно, что же именно определяет индивидуальность, особенно если учесть, что у человека и, например, морского ежа чуть ли не 30% генов — общие. Очевидно, что ответ (по крайней мере, часть его) надо искать в различающихся генах, но тут возникает другая проблема — функция большей их части совершенно неизвестна, за что их иногда называют «бесхозными» (orphan). В исследовании, проведённом на гидрах, показано, что один из таких «бесхозных» генов отвечает за развитие видоспецифичного морфологического признака — формы и порядка роста щупалец.

Зоология и сравнительная эмбриология давно дали понять, что морфологическое разнообразие живых форм является следствием индивидуального плана эмбрионального развития животных, закодированного, по всей видимости, в генах. Анализ десятков геномов, расшифрованных в последние годы, показал, что практически у всех многоклеточных животных — от кишечнополостных до человека — существует множество «общих» (консервативных) генов (в частности — транскрипционных факторов), определяющих единые принципы онтогенеза живых организмов. Обычно считается, что морфологические различия проявляются из-за отличий в пространственном и временнóм режиме экспрессии консервативных генов: так, например, у певчих птиц видоспецифичная форма клюва связана с разными паттернами экспрессии кальмодулина и костного морфогенетического белка КМБ-4.

Однако кроме консервативных генов большую роль должны играть и гены, специфичные для конкретных таксономических групп, — всё же различия между животными слишком существенны, чтобы объясняться только разницей в генетической регуляции. И действительно: в каждом прочтённом геноме существенная часть оказывается уникальной (до 20–25%; впрочем, эта цифра зависит от того, сколько геномов родственных видов известно). В силу этой уникальности, функции бóльшей части таких «бесхозных» (или таксон-специфичных, ТСГ) генов неизвестны, поскольку не могут быть предсказаны по гомологии, а далеко не все животные изучены так же досконально, как, например, нематода или дрозофила. (У первых к разряду ТСГ принадлежат ≈20% генов, у вторых — ≈2.5%.) Отсутствие гомологии подсказывает, что большая часть ТСГ возникает в ходе эволюции конкретной таксономической группы (рода или вида), однако в большинстве случаев роль этих генов изучена пока ещё крайне слабо.

Учёные из Германии решили сконцентрироваться на изучении роли некоторых подобных генов (не консервативных на больших эволюционных масштабах) и в качестве объекта исследования выбрали пресноводных полипов — гидр, различные виды которых довольно существенно различаются морфологически (см. рис. 1). Им удалось идентифицировать гены, существующие, по-видимому, только у этих животных, и определяющие развитие таких видоспецифичных морфологических признаков, как форма, положение и порядок роста щупалец [1]. Основываясь на проделанной работе, исследователи делают вывод, что появление, дупликация и исчезновение таких генов могут быть исходным материалом для микроэволюции видов.

Рисунок 1. Морфологические особенности представителей рода Hydra. Различные виды гидр отличаются размерами, наличием или отсутствием симбионтов, строением стрекательных клеток, формой тела (у H. oligactis присутствует так называемый сталк [отмечен звёздочкой], у прочих — нет), размером генома (от 380 до 1450 миллионов пар оснований). Кроме того, они отличаются порядком роста и вариациями в размерах щупалец: H. oligactis имеет два особо крупных щупальца, появляющихся на почкующемся или регенерирующем полипе первыми, для остальных гидр — например, для H. vulgaris, — характерен синхронный рост и единый размер всех щупалец. Рисунок из [1].

Сначала была установлена «генетическая уникальность» двух видов гидр, различающихся строением и синхронностью роста щупалец (см. рис. 1), — H. oligactis и H. magnipapillata — с тем, чтобы выявить те самые «бесхозные» гены (не имеющие гомлогов в других таксонах), свои для каждого изучаемого вида. (У этих генов как раз и предполагалось открыть важные для эволюции видов функции.) Для этого (за неимением полных геномов обоих животных — опубликован только «черновик» ДНК одной из гидр) использовали технологию под названием вычитающая гибридизация (suppression substractive hybridization), позволяющую получать смеси, обогащённые кДНК транскриптов, присутствующих только в одном из смешиваемых образцов (по секвенированию которых можно уже найти уникальные для того или иного вида гены). Таким образом в каждом из видов гидр были идентифицированные небольшие группы слабо родственных друг другу генов, по результатам запросов к геномным базам не имеющие аналогов за пределами рода Hydra. Кодируемые этими генами белки родственны открытому ранее секретируемому белку гидр, предположительно обладающему морфогенетической функцией — Hym301, — и они имеют различную тканевую специфичность: у H. oligactis Hym301-подобные гены экспрессируются исключительно в щупальцах, в то время как у H. magnipapillata — наоборот, практически везде, кроме щупалец. Филогенетический анализ открытых ТСГ, да и само разное их количество — два у H. oligactis и четыре у H. magnipapillata — говорят в пользу того, что дупликация и эволюция этих генов происходила в обоих видах независимо.

Чтобы выяснить роль Hym301-подобных генов в росте щупалец, были получены трансгенные животные вида H. vulgaris, которым «подсадили» и искусственно увеличили экспрессию гена mHym301A. (В «диком типе» «вульгариса» присутствует только один Hym301-подобный ген, да и тот малоактивен.) В трансгенной линии H. vulgaris AEPA14 гидр морфоген присутствовал и в теле, и в щупальцах, подобно гидре H. oligactis. В результате проведённых опытов по декапитации (или, проще говоря, обезглавливанию) и последующей регенерации, а также из наблюдений за формированием щупалец в почкующейся особи, было обнаружено, что щупальца у «вульгариса» начали расти ассиметрично — точь-в-точь как и у «олигактиса» (см. рис. 2). Сначала «прорезывались» два отростка, навсегда остающихся самыми крупными, а потом — все остальные (само число щупалец оставалось примерно тем же).

Рисунок 2. Ген mHym301A изменяет морфологию и режим роста щупалец гидры (регенерация после декапитации). Гидра H. vulgaris линии AEP (ряд AEPwt) отличается от H. oligactis (ряд OLI) синхронным ростом щупалец, равных по размеру между собой. Однако при введении в геном ТС-гена mHym301A, кодирующего морфогенетический белок, щупальца начинают отрастать по асинхронному типу и с большей скоростью (ряд AEPA14). Рисунок из [1].

В результате сайленсинга (временного «выключения» с помощью механизма РНК-интерференции) соответствующего гена Hydra oligactis — oHym301A — роль Hym301-подобных генов была подтверждена ещё раз: у этих животных при регенерации головы или отпочковании «новорожденной» гидры щупальца росли по «синхронному» типу (как у «вульгариса»), и не отличались в размерах.

Кстати, это исследование — уже не первый пример того, как на гидрах показывают возможные пути возникновения новых эволюционных приспособлений — ранее речь шла не о щупальцах, а ни много ни мало, о светочувствительности [2].

Сравнение целых геномов животных позволяет довольно легко выделить родственные гены, но последовательности, похожих которым раньше не встречалось, может быть довольно сложно идентифицировать: недаром за счёт «бесхозных» генов, существование которых не подтверждено на уровне транскриптов или белковых продуктов (а это обычное дело), могут существенно меняться оценки общего числа генов [3]. Однако эта работа показывает, что именно такие гены могут быть чрезвычайно важны для микроэволюции видов, поставляя «исходный материал» в виде генетической неоднородности.

Возможно, что описанные и объяснённые различия в морфологии щупалец гидр — не самый яркий из возможных примеров (тем более что точно неизвестно, несёт ли особое строение щупалец H. oligactis какую-нибудь адаптационную нагрузку), но за малым кроется великое, и этот вклад не окажется бесполезным в более глубоком понимании механизмов эволюции.

Литература

  1. Khalturin K., Anton-Erxleben F., Sassmann S., Wittlieb J., Hemmrich G., et al. (2008). A Novel Gene Family Controls Species-Specific Morphological Traits in Hydra. PLoS Biol 6, e278 (в интернете);
  2. биомолекула: «Откуда пошло зрение»;
  3. биомолекула: «В полку генов убыло».

Автор: Чугунов Антон.

Число просмотров: 522.

Вернуться в раздел «Новости»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.