Череп рыб (vi)
Между челюстной и гиоидной дугами пролегает граница двух фундаментально различных отделов тела: «передней головы», где нет экспрессии генов семейства Hox, но есть экспрессия генов семейства Otx, и остального тела, где всё наоборот. В этом отношении гиоидная дуга подобна не челюстной дуге, а туловищу.
Генное семейство Hox у позвоночных очень многочисленно. В тех частях тела, где эти гены экспрессируются, они создают собственную довольно сложную систему регуляции развития. В нашем случае от числа активных Hox-генов зависит номер висцеральной дуги. В несколько упрощенном виде это выглядит так. В челюстной дуге экспрессии Hox-генов нет. В гиоидной дуге экспрессируется только ген Hox2. В первой жаберной дуге экспрессируются гены Hox2 и Hox3, во второй жаберной дуге - гены Hox2, Hox3 и Hox4, и наконец, во всех остальных жаберных дугах экспрессируются гены Hox2, Hox3, Hox4 и Hox5. Как видим, экспрессия Hox-генов ступенчато нарастает спереди назад (рис. 9).
Рис. 9. Экспрессия Hox-генов в висцеральном аппарате. 1-4 - последовательные стадии индивидуального развития (не эволюции!). На ранней эмбриональной стадии все висцеральные дуги почти одинаковы, дальше они дифференцируются. На всякий случай обратим внимание, что здесь изображены две висцеральные дуги впереди от челюстной. Гипотеза о том, что впереди от предчелюстной дуги когда-то была еще одна дуга (терминальная), действительно существует, но, судя по всему, она недостаточно обоснована. Остальные пояснения в тексте. Иллюстрация из статьи: Kuratani, 2005.
А что, если искусственно выключить экспрессию Hox-генов там, где ей положено быть? Проще всего сделать это, подавив экспрессию гена Hox2. Поскольку в гиоидной дуге никакие другие Hox-гены не экспрессируются, то она в этом случае останется без экспрессии Hox-генов вовсе. И вместо элементов гиоидной дуги у зародыша разовьется дополнительный набор элементов челюстной дуги. Выключение Hox-генов как бы расширяет зону «передней головы» - с соответствующими морфологическими последствиями.
Еще одно важное для нас семейство генов называется Dlx. Эти гены склонны экспрессироваться на дальних от туловища (дистальных, как говорят анатомы) концах всевозможных длинных выростов - например, конечностей. Однако в висцеральных дугах экспрессия Dlx-генов тоже есть. И она тоже играет в развитии черепа важную роль, хотя и иную, чем Hox-гены.
Рис. 10. Экспрессия Dlx-генов в висцеральном аппарате челюстноротых. фаринго- и эпи-элементах экспрессируются два гена (1 и 2), в церато-элементах четыре гена (1, 2, 5 и 6), а в гипо- и бази-элементах шесть генов (1, 2, 5, 6, 3 и 7). Нумерация генов, приведенная здесь, устарела, и вообще эта схема неточна, но для общего представления она нам сгодится. Иллюстрация из статьи: Schilling, 2003.
В ранних работах по генетике развития экспрессия Dlx-генов в висцеральных дугах описывалась так (рис. 10). У большинства позвоночных Dlx-генов шесть. В фаринго- и эпи-элементах каждой дуги экспрессируются только два из них. В церато-элементе начинают экспрессироваться еще два Dlx-гена, и в гипо-элементе - еще два. Таким образом, в фаринго- и эпи-элементах всех дуг экспрессируется по два Dlx-гена, в церато-элементах по четыре, а в гипо-элементах - все шесть. Перед нами ступенчатая экспрессия, очень напоминающая экспрессию Hox-генов, только развернутая по другой оси. Экспрессия Hox-генов ступенчато нарастает вдоль оси всего тела, а экспрессия Dlx-генов - вдоль собственной оси каждой жаберной дуги.
Примечательно, что в челюстной дуге экспрессия Dlx-генов устроена так же, как и в гиоидной. В этом отношении они ничем принципиально не отличаются.
Шесть Dlx-генов - это много. У большинства многоклеточных животных их один-два. Почему у позвоночных их число увеличено? Несомненно, это связано с полногеномной дупликацией, которая предшествовала возникновению всех современных эволюционных ветвей позвоночных, а в стволе челюстноротых произошла дважды. Вот они, те дополнительные возможности, которые полногеномная дупликация дала позвоночным. Чем больше Dlx-генов, тем больше появляется возможностей для дифференцировки какого-нибудь длинного органа - вроде конечности или жаберной дуги. Можно и обобщить: чем больше регуляторных генов, тем больше клавиш на музыкальном инструменте, с помощью которого можно сыграть симфонию развития многоклеточного организма.
Рис. 11. Жаберные декартовы координаты. MA - челюстная дуга, HA - гиоидная дуга, Ba1-Ba3 - жаберные дуги, ps1-ps5 - жаберные щели, m - рот. Фаринго-, эпи-, церато- и гипо-элементы висцеральных дуг читателю уже знакомы. Кстати, фаринго-элементов тут два (у акулы он, надо заметить, один). Иллюстрация из статьи: Shigetani et al., 2005.
Теперь совместим на одной и той же жаберной решетке схемы экспрессии Hox-генов и Dlx-генов (рис. 11). Мы получим двумерную модель, которую можно назвать моделью жаберных декартовых координат. Перечислив гены, которые экспрессируются в данном участке зародышевой недифференцированной жаберной решетки, мы сможем сразу сказать, какая часть висцерального аппарата из него получится. Например, один ген Hox и четыре гена Dlx - сочетание, которое дает нам церато-элемент гиоидной дуги. Два гена Hox и четыре гена Dlx - церато-элемент следующей дуги, первой жаберной. Два гена Hox и шесть генов Dlx - гипо-элемент первой жаберной дуги. И так далее.
Правда, дальнейшие исследования показали, что на самом деле не всё так уж просто: реальные границы зон экспрессии Dlx-генов, как правило, не совпадают с границами отделов дуг. Взаимно-однозначного соответствия между генетикой и морфологией, как обычно, не оказалось. Но общих принципов регуляции это не нарушает.
А вот у бесчелюстных ступенчатого нарастания экспрессии Dlx в висцеральных дугах просто нет. Принципы регуляции там другие, и жаберная решетка (во всяком случае, у миноги) получается зеркально-симметричной относительно горизонтальной плоскости. Проще говоря, ее верхняя половина отражает нижнюю. Ничего похожего на фаринго-, эпи-, церато- и гипо-элементы у бесчелюстных нет. Деление на них возникло только у челюстноротых - вместе с добавочными Dlx-генами, которые образовались в результате дополнительной полногеномной дупликации.
Здесь мы видим не что иное, как молекулярно-генетический механизм ароморфоза - качественного эволюционного новшества, раскрывающего небывалые ранее возможности. При возникновении челюстноротых вместе с новыми генами появилась новая морфологическая ось, определившая новый способ работы висцерального аппарата. Именно это сделало челюстноротых эффективными хищниками (которыми бесчелюстные никогда не были) и позволило им сначала стать доминирующей группой водных позвоночных, а потом и выйти на сушу.
Генное семейство Hox у позвоночных очень многочисленно. В тех частях тела, где эти гены экспрессируются, они создают собственную довольно сложную систему регуляции развития. В нашем случае от числа активных Hox-генов зависит номер висцеральной дуги. В несколько упрощенном виде это выглядит так. В челюстной дуге экспрессии Hox-генов нет. В гиоидной дуге экспрессируется только ген Hox2. В первой жаберной дуге экспрессируются гены Hox2 и Hox3, во второй жаберной дуге - гены Hox2, Hox3 и Hox4, и наконец, во всех остальных жаберных дугах экспрессируются гены Hox2, Hox3, Hox4 и Hox5. Как видим, экспрессия Hox-генов ступенчато нарастает спереди назад (рис. 9).
Рис. 9. Экспрессия Hox-генов в висцеральном аппарате. 1-4 - последовательные стадии индивидуального развития (не эволюции!). На ранней эмбриональной стадии все висцеральные дуги почти одинаковы, дальше они дифференцируются. На всякий случай обратим внимание, что здесь изображены две висцеральные дуги впереди от челюстной. Гипотеза о том, что впереди от предчелюстной дуги когда-то была еще одна дуга (терминальная), действительно существует, но, судя по всему, она недостаточно обоснована. Остальные пояснения в тексте. Иллюстрация из статьи: Kuratani, 2005.
А что, если искусственно выключить экспрессию Hox-генов там, где ей положено быть? Проще всего сделать это, подавив экспрессию гена Hox2. Поскольку в гиоидной дуге никакие другие Hox-гены не экспрессируются, то она в этом случае останется без экспрессии Hox-генов вовсе. И вместо элементов гиоидной дуги у зародыша разовьется дополнительный набор элементов челюстной дуги. Выключение Hox-генов как бы расширяет зону «передней головы» - с соответствующими морфологическими последствиями.
Еще одно важное для нас семейство генов называется Dlx. Эти гены склонны экспрессироваться на дальних от туловища (дистальных, как говорят анатомы) концах всевозможных длинных выростов - например, конечностей. Однако в висцеральных дугах экспрессия Dlx-генов тоже есть. И она тоже играет в развитии черепа важную роль, хотя и иную, чем Hox-гены.
Рис. 10. Экспрессия Dlx-генов в висцеральном аппарате челюстноротых. фаринго- и эпи-элементах экспрессируются два гена (1 и 2), в церато-элементах четыре гена (1, 2, 5 и 6), а в гипо- и бази-элементах шесть генов (1, 2, 5, 6, 3 и 7). Нумерация генов, приведенная здесь, устарела, и вообще эта схема неточна, но для общего представления она нам сгодится. Иллюстрация из статьи: Schilling, 2003.
В ранних работах по генетике развития экспрессия Dlx-генов в висцеральных дугах описывалась так (рис. 10). У большинства позвоночных Dlx-генов шесть. В фаринго- и эпи-элементах каждой дуги экспрессируются только два из них. В церато-элементе начинают экспрессироваться еще два Dlx-гена, и в гипо-элементе - еще два. Таким образом, в фаринго- и эпи-элементах всех дуг экспрессируется по два Dlx-гена, в церато-элементах по четыре, а в гипо-элементах - все шесть. Перед нами ступенчатая экспрессия, очень напоминающая экспрессию Hox-генов, только развернутая по другой оси. Экспрессия Hox-генов ступенчато нарастает вдоль оси всего тела, а экспрессия Dlx-генов - вдоль собственной оси каждой жаберной дуги.
Примечательно, что в челюстной дуге экспрессия Dlx-генов устроена так же, как и в гиоидной. В этом отношении они ничем принципиально не отличаются.
Шесть Dlx-генов - это много. У большинства многоклеточных животных их один-два. Почему у позвоночных их число увеличено? Несомненно, это связано с полногеномной дупликацией, которая предшествовала возникновению всех современных эволюционных ветвей позвоночных, а в стволе челюстноротых произошла дважды. Вот они, те дополнительные возможности, которые полногеномная дупликация дала позвоночным. Чем больше Dlx-генов, тем больше появляется возможностей для дифференцировки какого-нибудь длинного органа - вроде конечности или жаберной дуги. Можно и обобщить: чем больше регуляторных генов, тем больше клавиш на музыкальном инструменте, с помощью которого можно сыграть симфонию развития многоклеточного организма.
Рис. 11. Жаберные декартовы координаты. MA - челюстная дуга, HA - гиоидная дуга, Ba1-Ba3 - жаберные дуги, ps1-ps5 - жаберные щели, m - рот. Фаринго-, эпи-, церато- и гипо-элементы висцеральных дуг читателю уже знакомы. Кстати, фаринго-элементов тут два (у акулы он, надо заметить, один). Иллюстрация из статьи: Shigetani et al., 2005.
Теперь совместим на одной и той же жаберной решетке схемы экспрессии Hox-генов и Dlx-генов (рис. 11). Мы получим двумерную модель, которую можно назвать моделью жаберных декартовых координат. Перечислив гены, которые экспрессируются в данном участке зародышевой недифференцированной жаберной решетки, мы сможем сразу сказать, какая часть висцерального аппарата из него получится. Например, один ген Hox и четыре гена Dlx - сочетание, которое дает нам церато-элемент гиоидной дуги. Два гена Hox и четыре гена Dlx - церато-элемент следующей дуги, первой жаберной. Два гена Hox и шесть генов Dlx - гипо-элемент первой жаберной дуги. И так далее.
Правда, дальнейшие исследования показали, что на самом деле не всё так уж просто: реальные границы зон экспрессии Dlx-генов, как правило, не совпадают с границами отделов дуг. Взаимно-однозначного соответствия между генетикой и морфологией, как обычно, не оказалось. Но общих принципов регуляции это не нарушает.
А вот у бесчелюстных ступенчатого нарастания экспрессии Dlx в висцеральных дугах просто нет. Принципы регуляции там другие, и жаберная решетка (во всяком случае, у миноги) получается зеркально-симметричной относительно горизонтальной плоскости. Проще говоря, ее верхняя половина отражает нижнюю. Ничего похожего на фаринго-, эпи-, церато- и гипо-элементы у бесчелюстных нет. Деление на них возникло только у челюстноротых - вместе с добавочными Dlx-генами, которые образовались в результате дополнительной полногеномной дупликации.
Здесь мы видим не что иное, как молекулярно-генетический механизм ароморфоза - качественного эволюционного новшества, раскрывающего небывалые ранее возможности. При возникновении челюстноротых вместе с новыми генами появилась новая морфологическая ось, определившая новый способ работы висцерального аппарата. Именно это сделало челюстноротых эффективными хищниками (которыми бесчелюстные никогда не были) и позволило им сначала стать доминирующей группой водных позвоночных, а потом и выйти на сушу.