Развитие сегментов у книдарий контролируется Hox-г

Hox-гены играют важную роль в передне-задней разметке тела и дифференцировке сегментов у «высших» (билатерально-симметричных) животных. У книдарий, представителей «низших» животных, тоже есть Hox-гены, однако их роль в онтогенезе до сих пор была не до конца понятна.
Американские биологи показали, что у модельного представителя книдарий, актинии нематостелы, Hox-гены регулируют формирование гастральных карманов (восьми расположенных радиально вокруг глотки энтодермальных «сегментов») по той же общей схеме, что и формирование мезодермальных сегментов у билатерий. По-видимому, это значит, что последний общий предок книдарий и билатерий уже имел какую-то сегментацию, формировавшуюся в онтогенезе под контролем Hox-генов. Открытие усиливает позицию тех ученых, которые считают энтодермальные гастральные карманы книдарий гомологами мезодермальных сегментов билатерий, а аборально-оральную и «директивную» оси коралловых полипов соотносят с дорзо-вентральной и передней-задней осями билатерий.

Книдарии привлекают самое пристальное внимание специалистов по эволюционной биологии развития (или, как ее называют неформально, эво-дево). Книдарии являются ближайшими родственниками (сестринской группой) «высших» животных — билатерий, и поэтому их изучение важно для понимания происхождения и эволюции билатерий примерно так же, как изучение обезьян важно для понимания эволюции человека.

Ключевое значение здесь имеет вопрос о симметрии и исходном плане строения книдарий. Долго считалось, что книдарии исходно были радиально-симметричными животными с единственной осью тела — орально-аборальной (у полипа на оральном полюсе находится рот, окруженный щупальцами, а аборальный полюс — это основание ножки). Однако в дальнейшем стало ясно, что самой архаичной группой среди книдарий являются не гидроидные, которые действительно имеют только одну ось тела, а коралловые полипы, в строении которых есть явные элементы билатеральной симметрии. Помимо орально-аборальной оси у коралловых полипов выделяется перпендикулярная ей «директивная» ось, маркируемая щелевидной формой рта и глотки, расположением сифоноглифов, асимметричными областями экспрессии некоторых генов — регуляторов развития и другими признаками.

Орально-аборальную ось книдарий обычно сопоставляют с передне-задней осью билатерий (оральный полюс книдарий при этом считается «головным»), а директивную — с дорзо-вентральной. Некоторые аргументы в пользу такой трактовки приведены в новости Обнаружено фундаментальное сходство между развитием актинии и развитием позвоночных. Но есть и другая точка зрения. Существует красивая и неплохо обоснованная гипотеза, точнее, целое семейство родственных гипотез, связывающих оральный полюс книдарий не с передним концом, а с брюшной стороной примитивных билатерий. Рот и анус билатерий при этом выводятся из замкнувшегося посередине щелевидного рта-бластопора, щупальца книдарий сопоставляются с парными конечностями, а радиально расположенные энтодермальные «сегменты» или гастральные карманы коралловых полипов — с мезодермальными сегментами билатерий.

В общем, как справедливо заметил Сергей Ястребов в вышеупомянутой новости про двустороннюю симметрию кораллов, до сих пор «непонятно, соответствуют ли „спинная“ и „брюшная“ стороны кораллового полипа спинной и брюшной сторонам билатерий. Между тем это очень важный вопрос. Ответить на него, скорее всего, сможет генетика развития — гены, регулирующие становление сторон тела у кораллов, предоставляют для этого вполне достаточно материала.»
Именно так, наверное, и рассуждали специалисты по эволюционной биологии развития из Института медицинских исследований Стауэрса в Канзас-сити (США), детально изучившие работу Hox-генов у личинки (планулы) модельного представителя коралловых полипов — актинии нематостеллы.
Hox-гены кодируют внутриклеточные регуляторные белки — факторы транскрипции, регулирующие активность многих других генов. У билатерий Hox-гены участвуют в передне-задней разметке различных эмбриональных структур, в том числе — в формировании сегментов и в определении их дальнейшей судьбы (см. ссылки в конце новости). Области экспрессии Hox-генов в эмбриональных тканях позвоночных, членистоногих и ряда других билатерий образуют характерный ступенчатый рисунок. Судьба частей тела, расположенных на разном удалении от переднего и заднего концов, определяется набором экспрессирующихся здесь Hox-генов. При этом ключевую роль играет положение передних границ «ступенек», то есть зон экспрессии отдельных Hox-генов. Принципы работы регуляторной генной сети с участием Hox-генов активно изучаются, и многое о них уже известно. В частности, выявлен ряд регуляторов «верхнего уровня», регулирующих экспрессию Hox-генов; показано, что некоторые Hox-гены способны к саморегуляции (белковый продукт гена регулирует его активность). В геноме Hox-гены нередко собраны в единый кластер, причем гены в этом кластере располагаются примерно в том же порядке, в каком зоны их экспрессии располагаются вдоль передне-задней оси эмбриона. Это называют «принципом пространственной коллинеарности». В том же порядке — от «передних» к «задним» — они обычно и включаются в ходе онтогенеза по мере того, как в задней зоне роста образуются новые мезодермальные сегменты. Это называют «принципом временной коллинеарности». Известно также, что задние Hox-гены нередко подавляют активность передних (этот принцип называется «posterior prevalence», что можно примерно перевести как «превосходство задних»).
У книдарий тоже есть Hox-гены, однако их функции в онтогенезе слабо изучены. Ранее было показано, что у личинки актинии рисунок экспрессии некоторых Hox-генов в гастральных карманах напоминает то, что наблюдается у билатерий в развивающихся сегментах. Однако картина была не очень четкой, а главное, не было экспериментальных подтверждений того, что Hox-гены действительно необходимы для нормального развития гастральных карманов.

Для начала авторы при помощи метода флуоресцентной гибридизации in situ изучили экспрессию трех Hox-генов (Anthox1a, Anthox8, Anthox6a) и близкого к ним по структуре (и, предположительно, функции) гена Gastrulation brain homeobox (Gbx) в формирующихся гастральных карманах у личинки актинии. В дальнейшем мы будем для краткости называть все четыре гена «Hox-генами», хоть это и не совсем точно.
Оказалось, что все четыре гена экспрессируются в строго определенных гастральных карманах (авторы называют их «энтодермальными сегментами»). Всего у планулы этих сегментов восемь. Выяснилось, что ген Anthox1a экспрессируется только в сегменте s5 (на рис. 2 он внизу; мы будем условно называть его «задним»); Anthox8 — в трех задних сегментах s4, s5 и s6; Anthox6a — в пяти задних сегментах (s3, s4, s5, s6, s7). Наконец, Gbx экспрессируется в шести «боковых» сегментах (s2, s3, s4, s6, s7, s8), но не экспрессируется в переднем и заднем (s1 и s5). Таким образом, налицо такой же ступенчатый рисунок экспрессии Hox-генов, как и у билатерий. Впрочем, это было в общих чертах известно и ранее.

Главный новый результат состоит в том, что исследователям удалось экспериментально доказать необходимость Hox-генов для нормального развития энтодермальных сегментов. Известно, что у билатерий сбои в работе Hox-генов могут приводить к радикальным изменениям плана строения организма. Например, если у дрозофилы забарахлит Hox-ген Ultrabitorax (Ubx), передняя граница области экспрессии которого маркирует переднюю границу третьего сегмента груди, то третий сегмент (в норме несущий жужжальца) может стать точной копией второго (с крыльями), и получится четырехкрылая муха. Произойдет ли что-то подобное с актинией, если отключить у нее один из Hox-генов?

Исследователи проверили это, отключая гены двумя разными способами: при помощи малых РНК, образующих шпильки и редактируя геном с использованием CRISPR-Cas9.
Оказалось, что отключение любого из четырех генов приводит к грубым нарушениям закладки сегментов и соответствующих щупалец (в норме у молодого полипа вырастает 4 щупальца, соответствующие сегментам с четными номерами: s2, s4, s6, s8). Нарушение всегда происходит в том месте, где в норме располагается передняя граница области экспрессии отключенного гена. Граница между сегментами в этом месте не формируется, и соответствующие сегменты сливаются в один большой сегмент. Щупальца, которые должны были вырасти из этих сегментов, либо сливаются с соседними (как в случае слияния трех задних сегментов при отключении Anthox1a или «переднебоковых» сегментов при отключении Anthox6a), либо вообще не развиваются (при слиянии трех передних сегментов в результате отключения Gbx или «заднебоковых» сегментов при отключении Anthox8). Таким образом, фенотипические эффекты получились вполне «гомеозисные», не уступающие по своей драматичности тому, что бывает при отключении Hox-генов у билатерий. Вряд ли теперь кто-то будет сомневаться в том, что правильная работа Hox-генов необходима для нормального развития энтодермальных сегментов у актинии.

Помимо прочего, эти эксперименты подтвердили тесную связь между сегментацией энтодермы у актинии и закладкой конечностей — щупалец. В этом отношении актиния, таким образом, не отличается от сегментированных билатерий, таких как кольчатые черви или членистоногие. Правда, с той разницей, что обычно у билатерий сегменты формируются исходно как мезодермальные структуры, а у книдарий мезодермы вроде бы нет, сегменты у них энтодермальные. Но это на самом деле не принципиальная разница, особенно если учесть, что по ряду важных признаков энтодерма актинии соответствует именно мезодерме билатерий, а не энтодерме, на которую больше похожа глоточная эктодерма актинии.

Дополнительные эксперименты позволили выявить другие черты сходства регуляторных генных сетей с участием Hox-генов у книдарий и билатерий. Например, в обоих случаях в регуляции экспрессии Hox-генов участвует белок Pbx; для некоторых Hox-генов актинии характерны элементы саморегуляции. Соблюдается также и принцип «превосходства задних»: у актинии самый «задний» ген, Anthox1a, подавляет экспрессию самого «переднего» гена, Gbx, в заднем сегменте s5. «Пространственной коллинеарности» у Hox-генов актинии нет, гены разбросаны по геному, но это и у билатерий случается. Возможно, исходно у книдарий была пространственная коллинеарность (данные сравнительной геномики позволяют предполагать наличие у последнего общего предка книдарий и билатерий кластера из трех Hox-генов). Зато во временной последовательности включения Hox-генов и формирования границ энтодермальных сегментов у актинии просматриваются элементы «временной коллинеарности»: передние границы формируются раньше задних, задние гены включаются позже передних (хотя это не совсем строгое правило).
Таким образом, исследование выявило удивительно глубокое сходство между развитием энтодермальных сегментов, формирующихся вдоль директивной оси актинии, и развитием мезодермальных сегментов, формирующихся вдоль передне-задней оси билатерий. Оба процесса контролируются регуляторной генной сетью с участием Hox-генов, причем общие принципы регуляции очень похожи. Про то, что энтодерма актинии соответствует скорее мезодерме билатерий, чем их энтодерме, уже говорилось выше.
Что из всего этого следует? Авторы крайне осторожны в своих выводах (в подобных случаях невольно закрадываются мысли о неравной борьбе с рецензентами и вынужденных уступках). В статье сказано лишь, что полученные результаты позволяют предположить существование у общего предка книдарий и билатерий консервативного генно-регуляторного модуля с участием Hox-генов, который «мог быть кооптирован первыми билатериями для организации передне-задней разметки» (“could have been co-opted to direct A-P patterning in the ancient urbilaterian”). То есть авторы как будто даже не осмеливаются предположить, что директивная ось книдарий гомологична передне-задней оси билатерий. Вместо этого они допускают, что передне-задняя ось билатерий — это чуть ли не новообразование, для создания которого первые билатерии «кооптировали» регуляторный модуль, использовавшийся ранее для чего-то другого. Книдарии, надо полагать, «кооптировали» тот же модуль для разметки своих сегментов вдоль директивной оси.
Более смелую (и, на мой взгляд, более адекватную) интерпретацию дал крупнейший специалист по эволюционной биологии развития Детлев Арендт (Detlev Arendt), чей комментарий опубликован в том же выпуске журнала Science. Рассуждая о нерешенной проблеме соотношения осей тела книдарий и билатерий и о противоречивых взглядах на природу «Hox-оси» (то есть директивной оси) книдарий, Арендт пишет, что данные, полученные авторами обсуждаемой статьи, по-видимому, ставят точку в этом вопросе (“firmly settle this issue”). Иными словами, можно считать доказанным, что директивная ось книдарий — это передне-задняя ось билатерий.

Данный вывод резко усиливает позицию ученых, полагающих, что общий предок книдарий и билатерий был сегментированным, билатерально-симметричным животным, возможно, даже с парными придатками по бокам (будь то ноги, параподии или щупальца) и щелевидным ртом-бластопором на брюшной стороне. Перевернув такое животное на спину и сделав прикрепленным, получим первых книдарий, которые в ходе последующей эволюции почти утратили следы билатеральной симметрии. Замкнув щелевидный рот посередине и оставив два отверстия на концах (рот спереди и анус сзади), получим первых билатерий. Сам Арендт, правда, про щелевидный рот и парные конечности не упоминает, но пишет, что у общих предков книдарий и билатерий, по-видимому, уже была сегментация в виде эпителиальных карманов или складок, и сформировался Hox-кластер для управления развитием сегментов. Книдарии унаследовали эту первичную сегментацию в виде гастральных карманов, а у билатерий на ее основе развились мезодермальные сомиты. Арендт также указывает на необходимость изучения онтогенеза цериантарий — возможно, самых архаичных представителей коралловых полипов, у которых есть нечто похожее на «заднюю зону роста», характерную для билатерий, но в явном виде отсутствующую у нематостеллы. Если приведенные рассуждения верны, то устройство «Hox-кода» у цериантарий, по идее, должно быть еще больше похоже на таковое у билатерий.
01. 10. 2018
https://elementy.ru/novosti_nauki/433339/Razvitie_segmentov_u_knidariy_kontroliruetsya_Hox_genami_kak_u_bilateriy

Другие статьи в литературном дневнике:

• 31.10.2018. Электропи... голодание
• 28.10.2018. А как это связано
• 27.10.2018. Новый метод MicroED определил структуру вещества
• 26.10.2018. Хочу жить при втором туре
• 25.10.2018. Становление этикосферы
• 23.10.2018. Везде хорошо, где нас нет
• 22.10.2018. О чем рассказали предшественники BepiColombo
• 21.10.2018. Вызов принят
• 19.10.2018. На необычный день
• 15.10.2018. Полемика о цели человека
• 14.10.2018. На фильм Тирезия
• 13.10.2018. Какая самая большая глубина в океане
• 11.10.2018. В честь Дня Рождения Владимира Путина в Грозном ус
• 10.10.2018. Из Похождения пажа
• 08.10.2018. Что нужно менять гомофобам
• 07.10.2018. Нобелевская премия по физиологии и медицине 2018
• 05.10.2018. Джованни Пико делла Мирандола 1463 1494
• 03.10.2018. Библейский инцест
• 02.10.2018. Развитие сегментов у книдарий контролируется Hox-г