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 (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.

Сначала была установлена «генетическая уникальность» двух видов гидр, различающихся строением и синхронностью роста щупалец (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 AEP^A14 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» (рис. 2). Сначала «прорезывались» два отростка, навсегда остающихся самыми крупными, а потом — все остальные (само число щупалец оставалось примерно тем же).

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. Konstantin Khalturin, Friederike Anton-Erxleben, Sylvia Sassmann, Jörg Wittlieb, Georg Hemmrich, Thomas C. G Bosch. (2008). A Novel Gene Family Controls Species-Specific Morphological Traits in Hydra. PLoS Biol. 6, e278;
2. Откуда пошло зрение;
3. В полку генов убыло.