Про универсальный геном
Многие помнят, как четыре года назад, с легкой и, ИМХО, нечистоплотной руки Аси Казанцевой, по сетям прошло горячее обсуждение статьи Миши Шермана "Universal genome in the origin of metazoa: thoughts about evolution". А статья вышла 10 лет назад.
На днях Миша читал у нас популярную лекцию на эту тему, так что стоит обсудить. За десять лет много интересного произошло в этом направлении. Я на этой лекции играл роль ретрограда-эволюциониста.
О чем вообще речь? Во-первых, исходя из данных палеонтологии, все современные типы многоклеточных животных появились практически одновременно в Кембрийский период, 550 млн лет назад. Период, в течение которого заложились все типы (так называемый "кембрийский взрыв"), был совсем коротким - не больше 6 млн лет.
Это не значит, что палеонтологи не находят нечто, похожее на многоклеточных животных, в предшествующую Кембрию эпоху - так называемый Эдиакарский период. Но как правило, то, что там находят, невозможно связать ни с какими нынешними животными. Надо помнить, что таких ископаемых относительно мало: тогдашние животные скорее всего не имели никаких твердых частей, а мягкие окаменелости сохраняются только при случайном стечении обстоятельств- если они оказались погребены без кислорода. Такие места бывают, но их на свете относительно немного.
После 2000 года появились данные по геномам самых разных животных - и обнаружилось их удивительное сходство. Оказалось, что все семейства генов, нужные многоклеточному животному, - уже присутствуют у самых примитивных животных, которым, казалось бы, они совсем не нужны. Присутствуют все гены, за исключением тех, которые пропали по дороге: так, у всех первичноротых пропало около 40% первоначального генома.
Еще раз: у насекомых, с невероятно сложным устройством, анатомией и программами поведения - геном на 40% проще, чем у медузы! Так, семейство генов Wnt, которое отвечает за эмбриональное развитие разных органов тела, у позвоночных состоит из 12 подсемейств (около 16 генов). У всех первичнорорых - и насекомых и нематод - сохранилось только 6 подсемейств. А у морской анемоны - 11 подсемейств [1]. (В подсемейство могут входить несколько похожих генов, продуктов более позднего удвоения.)
И это только один из десятков примеров видимой избыточности генома примитивных многоклеточных. Десять лет назад такие примеры только начали появляться, и Миша был одним из первых, кто обратил на это серьезное внимание.
С тех пор примеры несказанно умножились, и понимание, что примитивные многоклеточные вовсе не так примитивны, стало повсеместным. Есть животные и более примитивные, чем кишечнополостные. И у них тоже находятся разные системы генов, которые по их сложности не должны бы там находиться.
Trichoplax adhaerens - единственный живущий представитель типа Пластинчатых (Placozoa). Это - бесформенное плоское существо размером 2-3 мм, живущее в морской воде или в аквариумах с морской водой. Оно состоит из двух слоев эпителиальных клеток с ресничками, между которыми находится мезенхима с некоторым количством гладкомышечных клеток. Trichoplax произвольно движется по дну или по стенке аквариума, если находит одноклеточную водоросль, окружает ее со всех сторон, нижний эпителий выделяет пищеварительные ферменты и всасывает продукты переваривания.
Размножается Trichoplax очень просто - делением: в какой-то момент его пластинка расходится как бы на две, они произвольно ползают, сначала соединенные перемычкой, а потом перемычка разрывается. Какие-то следы полового размножения у него находили, но именно что следы: дальше 16 клеток яйцеклетка не делилась.
Никакой нервной системы у Trichoplax нет. Отсутствует и какая либо лучевая иили билатеральная симметрия. Описаны 5 или 6 типов клеток - для сравнения, у человека - несколько сот. Но при этом, когда исследовали геном Trichoplax [2], нашли многие в нем системы, казалось бы, собершенно ненужные для такого примитивного животного: уже упомянутый Wnt, градиент которого у всех других животных определяет, где у животного перед и зад.
Или довольно большой набор ионных каналов и белков, отвечающих за секрецию нейротрансмиттеров в синапсах, при том, что нервная система у Trichoplax отсутствует (см. рисунок из [2]. Зеленым обозначены гены, наличествующие в геноме Trichoplax, а красным - отсутствующие).
10 лет назад Миша высказал смелую диссидентскую теорию. По этой теории, в момент появления многоклеточных животных у них сразу был заложен универсальный многоклеточный геном, который уже содержал все программы развития, которые могут понадобиться всем типам многоклеточных животных. И дальше в разных типах по-разному реализовались уже готовые программы.
Понятно, что эта теория просится на оплевывание недоучками. Не будем им уподобляться и зададим себе вопрос: как выглядит мэйнстримовская альтернатива теории универсального генома?Почему в геноме примитивного животного могут быть гены, которым, казалось бы, там не место?
1. Эти гены могут играть другую роль. Причем не просто другую роль, а как бы расширение той роли, которую им традиционно приписывали.
2. Примитивность примитивного животного может быть вторична: его предки были сложнее, а потом деградировали.
Геномные исследования не только помогли открыть неожиданные богатства примитивных животных. Они и помогли построить родословное дерево не на основе морфологии, как раньше, а на основе более надежной молекулярной биологии, причем не по одному гену, а по всему геному.
Современное дерево, основанное на молекулярной биологии, представлено на картинке внизу [картинка из 4]. Обратим внимание на масштабы родства: кишечнополостные (на картинке представленные медузами) и Bilateria - все более высокие животные с билатеральной симметрией (на картинке представлены волком) оказываются ближайшими родственниками, все остальные - дальше.
Но самое потрясающее - это гребневики. Гребневики (Ctenophorа) - довольно сложно организованные гелеобразные существа, похожие на медуз. У них есть морфологическая особенность, отличающая из от медуз: вдоль из тела протянуты гребешки из крохотных ресничек, с помощью которых они передвигаются. Мерцание этих ресничек создает потрясающе красивые оптические эффекты. Хотя это не относится непосредственно к нашей теме, помещу ролик, показывающий это мерцание. Есть на что посмотреть.
Мерцающих ресничек говорок
У гребневиков есть развитая нервная система (хотя и нет мозга), есть гладкие мышцы, у рода Mnemiopsis (от вторжения которого в последнее время страдают экосистемы Черного и Каспийского моря), есть даже нечто вроде поперечно-полосатых мышц. Оказывается, кишечная система гребневиков не слепая: и них есть рот и анальное отверстие [7]. Вообразите, как мало мы о них знаем, если анальное отверстие открыли только в последние годы! Его там не вдруг заметишь, а до этого никому в голову не могло прийти, что такое может быть.
В эпоху до молекулярной биологии зоологи затруднялись расположить гребневиков, как правило, помещали их где-то недалеко от медуз. Молекулярная биология все перевернула. Оказалось, что гребневики разошлись со всеми остальными животными раньше, чем те разошлись между собой [6]. При том, что вообще-то эдиакарских животных не удается привязать к современным типам, животные, похожие на гребневиков, находятся в эдиакарской фауне [7].
Получается, что гребневики - это пришельцы из эпохи, предшествующей Кембрийскому взрыву. И эти пришельцы устроены очень сложно. Их нервная система очень сильно отличается от нервной системы привычных нам животных: все низкомолекулярные нейромедиаторы, к которым мы привыкли - глутамат, ГАБА, серотонин, - у них не задействованы. Вместо этого в синапсах действуют свои нейропептиды.
Авторы статьи, откуда я взял картинку с деревом [4] предполагают, что нервная система у них возникла независимо. Однако, учитывая следы нервной системы у Trichoplax, и у губок, проще предоложить, что нервная система появилась еще у общего предка, а у некоторых потом деградировала.
И не то чтобы полностью деградировала. У Trichoplax нет нервной системы, но его белки, характерные для синаптических контактов, находятся в специальных клетках, которые правильно назвать нейроэндокринными. В ответ на стимулы они секретируют нейромедиаторы (опять же, пептиды, как и у гребневиков) и используют это для коммуникации внутри организма или между организмами [3,9]. Таким образом, нельзя сказать, что у них нет функции нервной системы. У них нет сети клеток, осуществляющих коммуникацию посредством электрических сигналов. Они живут в другом темпе, и похожие клетки осуществляют конммуникацию посредством нейроэндокринных сигналов.
Локализация нейропептида эндоморфина-2 в нейросекреторных клетках Trichoplax [9].
Таким образом, оба наши предположения подтверждаются. Странные элементы, находящиеся в геноме примитивных животных, играют роль. Причем в случае нейроэндокринных клеток Trichoplax она даже не другая - это расширенная та же самая роль. Мы думали, что нервная система - это обязательно электрические сигналы и синапсы, а оказывается - это могут быть и нейроэндокринная коммуникация.
А те, кого мы считали самыми примитивными животными, оказывается, деграданты. Универсальность генома объясняется тем, что общий предок всех многоклеточных животных находится гораздо дальше за горизонтом.
UPD: Уважаемые Eugene Koonin и riftsh написали мне в комментах, что преставление о том, что гребневики в родословном дереве находятся дальше, чем все остальные животные, вовсе не является общепринятым. Сослались на статью 2015 г. из PNAS [10]. В статье из PNAS пишут о каком-то неопределенном методическом bias, который они подозревают, но найти не смогли. В общем, царих июн гадоль, но невозможно не сослаться на мнение специалистов.
1. Kusserow A et al. (2005) Unexpected complexity of the Wnt gene family in a sea anemone. Nature 433:156-60
2. Srivastava M et al. (2008) The Trichoplax genome and the nature of placozoans. Nature. 454:955-60
3. Smith CL et al. (2017) Evolutionary insights into T-type Ca2+ channel structure, function, and ion selectivity from the Trichoplax adhaerens homologue. J Gen Physiol. 149:483-510.
4. Moroz LL, and Kohn AB (2016) Independent origins of neurons and synapses: insights from ctenophores. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 371:20150041
5. Fidler AL, et al (2017) Collagen IV and basement membrane at the evolutionary dawn of metazoan tissues. Elife 6: e24176
6. Whelan NV et al. (2017) Ctenophore relationships and their placement as the sister group to all other animals Nat Ecol Evol. doi: 10.1038/s41559-017-0331-3
7. Presnell JS, et al. (2016) The Presence of a Functionally Tripartite Through-Gut in Ctenophora Has Implications for Metazoan Character Trait Evolution. Curr Biol. 26:2814-2820
8. Tang F et al. (2011) Eoandromeda and the origin of Ctenophora Evol Dev. 13:408-14
9. Senatore A, et al. (2017) Neuropeptidergic integration of behavior in Trichoplax adhaerens, an animal without synapses. J Exp Biol. 220:3381-3390.
10. Pisani D et al. (2015) Genomic data do not support comb jellies as the sister group to all other animals. Proc Natl Acad Sci U S A.112:15402-7
На днях Миша читал у нас популярную лекцию на эту тему, так что стоит обсудить. За десять лет много интересного произошло в этом направлении. Я на этой лекции играл роль ретрограда-эволюциониста.
О чем вообще речь? Во-первых, исходя из данных палеонтологии, все современные типы многоклеточных животных появились практически одновременно в Кембрийский период, 550 млн лет назад. Период, в течение которого заложились все типы (так называемый "кембрийский взрыв"), был совсем коротким - не больше 6 млн лет.
Это не значит, что палеонтологи не находят нечто, похожее на многоклеточных животных, в предшествующую Кембрию эпоху - так называемый Эдиакарский период. Но как правило, то, что там находят, невозможно связать ни с какими нынешними животными. Надо помнить, что таких ископаемых относительно мало: тогдашние животные скорее всего не имели никаких твердых частей, а мягкие окаменелости сохраняются только при случайном стечении обстоятельств- если они оказались погребены без кислорода. Такие места бывают, но их на свете относительно немного.
После 2000 года появились данные по геномам самых разных животных - и обнаружилось их удивительное сходство. Оказалось, что все семейства генов, нужные многоклеточному животному, - уже присутствуют у самых примитивных животных, которым, казалось бы, они совсем не нужны. Присутствуют все гены, за исключением тех, которые пропали по дороге: так, у всех первичноротых пропало около 40% первоначального генома.
Еще раз: у насекомых, с невероятно сложным устройством, анатомией и программами поведения - геном на 40% проще, чем у медузы! Так, семейство генов Wnt, которое отвечает за эмбриональное развитие разных органов тела, у позвоночных состоит из 12 подсемейств (около 16 генов). У всех первичнорорых - и насекомых и нематод - сохранилось только 6 подсемейств. А у морской анемоны - 11 подсемейств [1]. (В подсемейство могут входить несколько похожих генов, продуктов более позднего удвоения.)
И это только один из десятков примеров видимой избыточности генома примитивных многоклеточных. Десять лет назад такие примеры только начали появляться, и Миша был одним из первых, кто обратил на это серьезное внимание.
С тех пор примеры несказанно умножились, и понимание, что примитивные многоклеточные вовсе не так примитивны, стало повсеместным. Есть животные и более примитивные, чем кишечнополостные. И у них тоже находятся разные системы генов, которые по их сложности не должны бы там находиться.
Trichoplax adhaerens - единственный живущий представитель типа Пластинчатых (Placozoa). Это - бесформенное плоское существо размером 2-3 мм, живущее в морской воде или в аквариумах с морской водой. Оно состоит из двух слоев эпителиальных клеток с ресничками, между которыми находится мезенхима с некоторым количством гладкомышечных клеток. Trichoplax произвольно движется по дну или по стенке аквариума, если находит одноклеточную водоросль, окружает ее со всех сторон, нижний эпителий выделяет пищеварительные ферменты и всасывает продукты переваривания.
Размножается Trichoplax очень просто - делением: в какой-то момент его пластинка расходится как бы на две, они произвольно ползают, сначала соединенные перемычкой, а потом перемычка разрывается. Какие-то следы полового размножения у него находили, но именно что следы: дальше 16 клеток яйцеклетка не делилась.
Никакой нервной системы у Trichoplax нет. Отсутствует и какая либо лучевая иили билатеральная симметрия. Описаны 5 или 6 типов клеток - для сравнения, у человека - несколько сот. Но при этом, когда исследовали геном Trichoplax [2], нашли многие в нем системы, казалось бы, собершенно ненужные для такого примитивного животного: уже упомянутый Wnt, градиент которого у всех других животных определяет, где у животного перед и зад.
Или довольно большой набор ионных каналов и белков, отвечающих за секрецию нейротрансмиттеров в синапсах, при том, что нервная система у Trichoplax отсутствует (см. рисунок из [2]. Зеленым обозначены гены, наличествующие в геноме Trichoplax, а красным - отсутствующие).
10 лет назад Миша высказал смелую диссидентскую теорию. По этой теории, в момент появления многоклеточных животных у них сразу был заложен универсальный многоклеточный геном, который уже содержал все программы развития, которые могут понадобиться всем типам многоклеточных животных. И дальше в разных типах по-разному реализовались уже готовые программы.
Понятно, что эта теория просится на оплевывание недоучками. Не будем им уподобляться и зададим себе вопрос: как выглядит мэйнстримовская альтернатива теории универсального генома?Почему в геноме примитивного животного могут быть гены, которым, казалось бы, там не место?
1. Эти гены могут играть другую роль. Причем не просто другую роль, а как бы расширение той роли, которую им традиционно приписывали.
2. Примитивность примитивного животного может быть вторична: его предки были сложнее, а потом деградировали.
Геномные исследования не только помогли открыть неожиданные богатства примитивных животных. Они и помогли построить родословное дерево не на основе морфологии, как раньше, а на основе более надежной молекулярной биологии, причем не по одному гену, а по всему геному.
Современное дерево, основанное на молекулярной биологии, представлено на картинке внизу [картинка из 4]. Обратим внимание на масштабы родства: кишечнополостные (на картинке представленные медузами) и Bilateria - все более высокие животные с билатеральной симметрией (на картинке представлены волком) оказываются ближайшими родственниками, все остальные - дальше.
Но самое потрясающее - это гребневики. Гребневики (Ctenophorа) - довольно сложно организованные гелеобразные существа, похожие на медуз. У них есть морфологическая особенность, отличающая из от медуз: вдоль из тела протянуты гребешки из крохотных ресничек, с помощью которых они передвигаются. Мерцание этих ресничек создает потрясающе красивые оптические эффекты. Хотя это не относится непосредственно к нашей теме, помещу ролик, показывающий это мерцание. Есть на что посмотреть.
Click to viewМерцающих ресничек говорок
У гребневиков есть развитая нервная система (хотя и нет мозга), есть гладкие мышцы, у рода Mnemiopsis (от вторжения которого в последнее время страдают экосистемы Черного и Каспийского моря), есть даже нечто вроде поперечно-полосатых мышц. Оказывается, кишечная система гребневиков не слепая: и них есть рот и анальное отверстие [7]. Вообразите, как мало мы о них знаем, если анальное отверстие открыли только в последние годы! Его там не вдруг заметишь, а до этого никому в голову не могло прийти, что такое может быть.
В эпоху до молекулярной биологии зоологи затруднялись расположить гребневиков, как правило, помещали их где-то недалеко от медуз. Молекулярная биология все перевернула. Оказалось, что гребневики разошлись со всеми остальными животными раньше, чем те разошлись между собой [6]. При том, что вообще-то эдиакарских животных не удается привязать к современным типам, животные, похожие на гребневиков, находятся в эдиакарской фауне [7].
Получается, что гребневики - это пришельцы из эпохи, предшествующей Кембрийскому взрыву. И эти пришельцы устроены очень сложно. Их нервная система очень сильно отличается от нервной системы привычных нам животных: все низкомолекулярные нейромедиаторы, к которым мы привыкли - глутамат, ГАБА, серотонин, - у них не задействованы. Вместо этого в синапсах действуют свои нейропептиды.
Авторы статьи, откуда я взял картинку с деревом [4] предполагают, что нервная система у них возникла независимо. Однако, учитывая следы нервной системы у Trichoplax, и у губок, проще предоложить, что нервная система появилась еще у общего предка, а у некоторых потом деградировала.
И не то чтобы полностью деградировала. У Trichoplax нет нервной системы, но его белки, характерные для синаптических контактов, находятся в специальных клетках, которые правильно назвать нейроэндокринными. В ответ на стимулы они секретируют нейромедиаторы (опять же, пептиды, как и у гребневиков) и используют это для коммуникации внутри организма или между организмами [3,9]. Таким образом, нельзя сказать, что у них нет функции нервной системы. У них нет сети клеток, осуществляющих коммуникацию посредством электрических сигналов. Они живут в другом темпе, и похожие клетки осуществляют конммуникацию посредством нейроэндокринных сигналов.
Локализация нейропептида эндоморфина-2 в нейросекреторных клетках Trichoplax [9].
Таким образом, оба наши предположения подтверждаются. Странные элементы, находящиеся в геноме примитивных животных, играют роль. Причем в случае нейроэндокринных клеток Trichoplax она даже не другая - это расширенная та же самая роль. Мы думали, что нервная система - это обязательно электрические сигналы и синапсы, а оказывается - это могут быть и нейроэндокринная коммуникация.
А те, кого мы считали самыми примитивными животными, оказывается, деграданты. Универсальность генома объясняется тем, что общий предок всех многоклеточных животных находится гораздо дальше за горизонтом.
UPD: Уважаемые Eugene Koonin и riftsh написали мне в комментах, что преставление о том, что гребневики в родословном дереве находятся дальше, чем все остальные животные, вовсе не является общепринятым. Сослались на статью 2015 г. из PNAS [10]. В статье из PNAS пишут о каком-то неопределенном методическом bias, который они подозревают, но найти не смогли. В общем, царих июн гадоль, но невозможно не сослаться на мнение специалистов.
1. Kusserow A et al. (2005) Unexpected complexity of the Wnt gene family in a sea anemone. Nature 433:156-60
2. Srivastava M et al. (2008) The Trichoplax genome and the nature of placozoans. Nature. 454:955-60
3. Smith CL et al. (2017) Evolutionary insights into T-type Ca2+ channel structure, function, and ion selectivity from the Trichoplax adhaerens homologue. J Gen Physiol. 149:483-510.
4. Moroz LL, and Kohn AB (2016) Independent origins of neurons and synapses: insights from ctenophores. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 371:20150041
5. Fidler AL, et al (2017) Collagen IV and basement membrane at the evolutionary dawn of metazoan tissues. Elife 6: e24176
6. Whelan NV et al. (2017) Ctenophore relationships and their placement as the sister group to all other animals Nat Ecol Evol. doi: 10.1038/s41559-017-0331-3
7. Presnell JS, et al. (2016) The Presence of a Functionally Tripartite Through-Gut in Ctenophora Has Implications for Metazoan Character Trait Evolution. Curr Biol. 26:2814-2820
8. Tang F et al. (2011) Eoandromeda and the origin of Ctenophora Evol Dev. 13:408-14
9. Senatore A, et al. (2017) Neuropeptidergic integration of behavior in Trichoplax adhaerens, an animal without synapses. J Exp Biol. 220:3381-3390.
10. Pisani D et al. (2015) Genomic data do not support comb jellies as the sister group to all other animals. Proc Natl Acad Sci U S A.112:15402-7