Своим сердцем позвоночные обязаны полногеномной дупликации

В современной биологии распространена гипотеза, согласно которой в начале эволюции позвоночных животных у них произошло удвоение всего набора генов, в большинстве групп даже неоднократное. Дало ли это позвоночным какие-нибудь новые возможности? Исследования одной из важнейших групп генов, регулирующих индивидуальное развитие, — семейства Hox — показывают, что от числа этих генов зависит строение многих органов животного, и в особенности сердца. У мышиных зародышей, в геноме которых число Hox-генов искусственно уменьшено, развитие сердца может останавливаться на стадии прямой трубки, не разделенной на камеры. Так, вероятно, было устроено сердце у далеких эволюционных предков позвоночных. А возникновение многокамерного сердца, разделенного на желудочки и предсердия, было в нашей эволюции связано с удвоением генома.

Эволюционная биология развития (evolutionary developmental biology) — одно из самых бурно развивающихся направлений современной науки о жизни. В англоязычной литературе эту область принято называть сокращенно, по первым слогам: Evo Devo (в русский научный язык это сокращение тоже уже проникло: эво-дево). Одной из излюбленных тем эволюционной биологии развития животных является довольно многочисленная группа генов, которая называется семейством Hox. Эти гены могут иметь разные функции, но чаще всего они определяют дифференцировку частей тела вдоль продольной оси: например, отличия груди от брюшка у насекомых или хвостового отдела от поясничного у позвоночных (см. Эволюция ящериц и змей сопровождалась изменениями Hox-генов, «Элементы», 15.03.2010). Сейчас, пожалуй, трудно найти статью из области эво-дево, где бы Hox-гены хотя бы не упоминались.

Как правило, Hox-гены располагаются в геноме кластерами, то есть группами вплотную друг к другу. У мыши, например, таких кластеров четыре: в 6-й, 11-й, 15-й и 2-й хромосомах. Их обозначают буквами: кластеры Hoxa, Hoxb, Hoxc и Hoxd. В каждом кластере гены имеют свою нумерацию: например, в кластере Hoxa содержится 11 генов, пронумерованных с Hoxa1 по Hoxa13 (рис. 1). Их 11, а не 13, потому что два гена этого кластера — Hoxa8 и Hoxa12 — в процессе эволюции исчезли. Всего у мыши 39 Hox-генов (и у человека тоже).

В разных кластерах есть Hox-гены с одинаковыми номерами. Например, существуют гены Hoxa4, Hoxb4, Hoxc4 и Hoxd4. Сравнение нуклеотидных последовательностей показывает, что эти четыре гена имеют общее близкое эволюционное происхождение. Более того, их функции тоже близки: они проявляют активность в одних и тех же частях продолговатого мозга и скелета. Примерно так обстоит дело со всеми Hox-генами, имеющими одинаковые номера, например с генами Hoxa1 и Hoxb1, Hoxa2 и Hoxb2 и т. д.

Но самое интересное, что несколько Hox-кластеров есть только у позвоночных. У всех других животных, не исключая и низших хордовых, Hox-кластер только один. Например, у ланцетника в нем 15 генов.

Откуда у позвоночных несколько групп Hox-генов, функции которых в значительной мере дублируют друг друга? На рубеже XX и XXI веков этим вопросом задался английский генетик Питер Холланд (Peter Holland). Он обратил внимание, что эта проблема касается не только семейства Hox. Общее число самых разных генов у позвоночных почему-то значительно (раза в полтора-два) больше, чем у любых других животных. И Холланд предположил, что в начале эволюции позвоночных произошло удвоение всего генома, причем, возможно, неоднократное. Это гипотетическое событие называется полногеномной дупликацией (whole genome duplication, сокращенно WGD).

Строго говоря, Холланд не является первооткрывателем полногеномной дупликации. Первым предположение о ней высказал еще в 1970 году японский генетик Cусуму Оно (Susumu Ohno), но тогда это было очень трудно проверить: не хватало данных. Сейчас гипотеза Оно–Холланда надежно подтверждена сравнительной геномикой и стала общепринятой (см. Геном ланцетника помог раскрыть секрет эволюционного успеха позвоночных, «Элементы», 23.06.2008).

Полногеномная дупликация — такая же уникальная особенность позвоночных животных, как позвоночник, череп и другие широко известные анатомические признаки. Причем у бесчелюстных (миног и миксин) она произошла один раз, а у всех остальных современных позвоночных минимум дважды. Именно поэтому у нас четыре Hox-кластера вместо одного.

Современная генная инженерия позволяет достаточно легко получать мутантных млекопитающих, у которых отсутствуют те или иные гены (см. Технологии редактирования генома помогут моделировать наследственные заболевания, «Элементы», 10.04.2013). Это дает возможность изучать функции генов по известному принципу: «сломать и посмотреть, что будет». К Hox-генам такой подход тоже уже применялся, — правда, обычно именно к отдельным генам. Удалять целые кластеры мало кому приходило в голову. Но сейчас международная группа исследователей, собравшаяся на базе Отделения генетики и эволюции факультета естественных наук Женевского университета (Department of Genetics & Evolution, University of Geneva), решила заняться именно этим. Например, как будет развиваться зародыш мыши, у которого не четыре Hox-кластера, а два?

Результаты оказались яркими. Одновременная потеря Hox-кластеров A и B вызывает нарушение развития сердца, при котором отсутствует так называемый сердечный изгиб (рис. 2). Как и большинство мутаций по Hox-генам, это нарушение летально — зародыш погибает на довольно ранней стадии. Но он всё же успевает развиться настолько, чтобы эффект можно было ясно увидеть. Самое же интересное, что ни потеря кластера A, ни потеря кластера B по отдельности к этому эффекту не приводит.

Сердце позвоночных — как минимум двухкамерное, то есть разделенное на желудочек и предсердие. У взрослого млекопитающего камер больше, но в сердце раннего зародыша их всего две. Зато там есть дополнительные отделы: луковица аорты и венозная пазуха (у других позвоночных они могут сохраняться и во взрослом состоянии). Ни у каких современных позвоночных все эти части сердца не располагаются на одной прямой линии. Зачаток сердца обязательно изгибается, обычно так, что желудочек оказывается под предсердием (рис. 3). А у зародыша мыши, лишенного Hox-кластеров A и B, изгиба нет и сердце представляет собой прямую расширенную трубку. Более того, разделения на желудочек и предсердие там тоже нет — сердце становится однокамерным.

Однокамерное сердце в виде прямой трубки, вероятно, имели предки позвоночных. Примерно к этому эволюционному уровню относится современный ланцетник. В сердце мыши после потери двух Hox-кластеров произошла, по выражению женевских исследователей, фенотипическая реверсия — возвращение набора признаков к состоянию, имевшемуся у эволюционного предка. Надо заметить, что в данном случае это очень далекий предок, живший никак не меньше полумиллиарда лет назад.

У мутантов, лишенных Hox-кластеров B и D, сердце нормальное, зато меняется развитие осевого скелета. Первые два шейных позвонка — атлант (Atlas) и эпистрофей (Axis) — сливаются и превращаются в подобие затылка (основная и боковые затылочные кости). Затылок как бы продлевается назад, поглощая часть позвоночника. Потеря кластеров B и D по отдельности дает похожие результаты, но менее ярко выраженные. Подобный «длинный затылок», в состав которого явно вошли некоторые позвонки, известен у ряда древних групп рыбообразных и рыб (рис. 4), а вот у млекопитающих такое не встречается. Здесь мутация тоже «воскресила» эволюционно древнюю черту.

Наконец, у мутантов, лишенных Hox-кластеров A и C, помимо аномалий кровеносной системы обнаружилось полное отсутствие тазовых почек. У взрослых современных позвоночных бывает два типа почек: у бесчелюстных, рыб и амфибий — туловищные (мезонефрические), у рептилий, птиц и млекопитающих — тазовые (метанефрические). Ценители литературы помнят, как в повести М. А. Булгакова «Роковые яйца» профессор Персиков поучал студента: «Как, вы не знаете, чем отличаются голые гады от пресмыкающихся? Это просто смешно, молодой человек. Тазовых почек нет у голых гадов. Они отсутствуют. Так-то-с». Действительно, у амфибий, которых раньше называли голыми гадами, почки туловищные. У млекопитающих туловищные почки тоже есть — у зародышей. В ходе развития им на смену приходят тазовые почки, которые и действуют после рождения. Но у мутантов по кластерам A и C тазовые почки не развиваются, а клетки, которые должны их образовать, уходят в апоптоз, то есть массово погибают. Это тоже можно рассматривать как эволюционную реверсию.

Еще в первой половине XX века французский биолог Эмиль Гийено (Émile Guyénot) высказывал очевидную, но в то же время глубокую идею: любой признак, нормальный для какой-либо группы организмов, является уродством для какой-нибудь другой группы. И наоборот: признак, который у данного организма является редким уродством, может быть нормой у кого-то другого. Гийено даже утверждал, что при желании строение любого животного можно было бы полностью описать в терминах уродств. Опыты с выключением Hox-кластеров прекрасно иллюстрируют эти мысли. Однокамерное сердце в виде прямой трубки, длинный затылок, туловищная почка — всё это признаки, которые когда-то были нормальными, но у современных млекопитающих они проявляются лишь как уродства. И теперь мы знаем кое-что о генах, которые их контролируют.

Интересно, что Эмиль Гийено много лет работал в том же самом Женевском университете, где ведутся обсуждаемые нами опыты (о нем подробно говорится на сетевой странице, посвященной истории Отделения генетики и эволюции). Здесь продолжается традиция.

Итак, дополнительные Hox-кластеры явно дали позвоночным новые эволюционные возможности. Нагляднее всего это видно на примере сердца. Очень похоже, что множественность Hox-кластеров и многокамерное сердце — жестко связанные признаки. Правда, механизм связи между ними пока нельзя назвать понятным. Тут надо детально изучать взаимодействие отдельных Hox-генов — эта работа еще впереди.