1. Живая упрощенная схема

Ланцетник — хрестоматийный пример «живого ископаемого», то есть мало изменившегося потомка очень древнего предка. Ланцетника называют «живой упрощенной схемой типичного хордового животного». Это маленькое червеобразное существо большую часть времени проводит, зарывшись в грунт и отфильтровывая пищевые частицы из морской воды, которая входит в ротовое отверстие, а выходит через жаберные щели, соединяющие полость глотки с окружающей средой. По своему строению ланцетник удивительно похож на ранние стадии эмбрионального развития позвоночных, как было показано еще в середине XIX века эмбриологом А. О. Ковалевским. Как и у зародышей позвоночных, у ланцетника есть спинная струна — хорда, спинная нервная трубка, жаберные дуги, сердце на брюшной стороне тела и другие характерные признаки, доказывающие его родство с позвоночными.

Пескоройка — личинка миноги — представляет собой, как и ланцетник, «живую упрощенную схему типичного хордового». Она не сосет кровь у рыб, как многие взрослые миноги, а фильтрует воду через жаберные щели, как ланцетник. Фото с сайта www.briancoad.com

Тип хордовых делится на три подтипа: головохордовые (единственным представителем которых является ланцетник), оболочники (асцидии, сальпы, аппендикулярии) и позвоночные. Родственные связи этих трех подтипов до сих пор оставались не совсем ясными. Одни эксперты считали, что ланцетник ближе к позвоночным, чем оболочники, другие отстаивали противоположную точку зрения, согласно которой ближайшими родственниками позвоночных являются оболочники. Впрочем, по поводу того, что примерно представлял из себя общий предок хордовых, особых разногласий нет уже со времен Ковалевского. Это было червеобразное животное с хордой, спинной нервной трубкой и жаберными щелями, сходное по своему строению с ланцетником, личинками оболочников и пескоройками — личинками миног. Выводы сравнительной анатомии и эмбриологии подкрепляются палеонтологическими данными: отпечатки существ, похожих на ланцетника, обнаружены в отложениях ранне- и среднекембрийского возраста. Как раз в это время и должны были жить примитивные хордовые, близкие к общему предку трех современных подтипов.

У большинства оболочников характерные признаки хордовых (хорда, спинная нервная трубка, жаберные щели и др.) имеются только на стадии личинки, однако у аппендикулярий они сохраняются всю жизнь. На снимке — аппендикулярия Oikopleura. Фото с сайта www.nature.com

В последние десятилетия для выяснения спорных вопросов происхождения и ранней эволюции хордовых активно привлекаются молекулярно-генетические данные. Сначала работали с отдельными генами, потом в распоряжении ученых оказались полные тексты геномов различных видов позвоночных, а затем и оболочников. Эволюционные деревья постепенно становились всё более точными, степень неопределенности неуклонно снижалась. Однако для того, чтобы окончательно решить ряд ключевых вопросов, не хватало генома ланцетника. И вот наконец он прочтен, о чём сообщила в последнем номере журнала Nature большая группа ученых из США, Великобритании, Японии, Испании и Швейцарии.

Отпечаток примитивного хордового Yunnanozoon из раннекембрийских отложений Китая (голова слева; видны жаберные щели). Изображение с сайта palaeo-electronica.org

2. Ланцетники разнообразны, люди одинаковы

ДНК для анализа взяли у одного-единственного ланцетника мужского пола, выловленного в 2003 году в заливе Тампа (Флорида). Размер генома ланцетника — 520 млн пар нуклеотидов (примерно в 6 раз меньше, чем у человека); в нём содержится приблизительно 21 900 белок-кодирующих генов (у человека — около 25 000); мобильные генетические элементы составляют 30% генома (у человека — свыше 50%).

Ланцетники, как выяснилось, характеризуются рекордно высоким уровнем генетического полиморфизма. Гомологичные (парные) хромосомы, которые изученный ланцетник получил от отца и матери, различаются по своим нуклеотидным последовательностям в среднем на 3,7% (если учитывать только точечные нуклеотидные замены; вставки и выпадения нуклеотидов добавляют еще 6,8% различий). Получается, что родители этого ланцетника генетически отличались друг от друга втрое сильнее, чем человек от шимпанзе, и в десятки раз сильнее, чем отличаются друг от друга представители разных человеческих рас и народов. Высокий полиморфизм, скорее всего, объясняется тем, что численность популяции, к которой принадлежал исследованный ланцетник, оставалась очень высокой (миллионы особей) в течение долгого времени. Ланцетники, действительно, являются массовыми животными — в Китае, например, их гребут лопатами (в буквальном смысле), промывают от песка и варят суп.

3. Эволюционное древо вторичноротых: окончательная версия

Прочтенный геном ланцетника сыграл роль последнего недостающего фрагмента в сложной головоломке родственных отношений вторичноротых животных (к вторичноротым относят хордовых, полухордовых и иглокожих). До его прочтения эволюционное древо вторичноротых еще сохраняло некоторую долю неопределенности. Но теперь, похоже, для сомнений больше не осталось места. Авторы использовали для построения древа 1090 генов, общих для всех групп животных, — больше просто некуда. И дерево получилось чрезвычайно устойчивым (каждая точка ветвления имеет очень высокую «статистическую поддержку»). Поэтому можно уверенно сказать, что дерево, показанное на рисунке, уже не будет в дальнейшем меняться. Это окончательное эволюционное древо вторичноротых, показывающее (даже страшно вымолвить!) истинный ход их эволюции.

По всей видимости, это окончательное (то есть правильное) эволюционное древо вторичноротых, основанное на аминокислотных последовательностях 1090 белков. Актиния и дрозофила использованы в качестве внешних групп. Относительная длина ветвей отражает количество аминокислотных замен, произошедших в данной эволюционной линии. Рис. из обсуждаемой статьи в Nature

Вторичноротые сначала разделились на амбулакралий (= иглокожие + полухордовые) и хордовых. От эволюционного ствола хордовых первыми отделились предки ланцетника, и только потом — предки оболочников. Длинные ветви, ведущие к представителям типа оболочников, говорят об ускоренных темпах молекулярной эволюции в этой группе. Таким образом, оболочники все-таки оказались более близкими родственниками позвоночных, чем ланцетник. Зато ланцетник подтвердил свое право на почетное звание самого примитивного хордового (точнее, как сейчас принято говорить, «раньше всех ответвившегося», «the earliest branching lineage»).

Это дерево читатели могут сравнить с деревом, полученным недавно другим коллективом исследователей на основе 150 генов (см.: Новые данные позволили уточнить родословную животного царства, «Элементы», 10.04.2008; ланцетник там фигурирует под своим латинским именем — Branchiostoma, а оболочники представлены асцидией Ciona). Это сравнение очень поучительно. Эволюционные деревья вторичноротых, построенные до и после прочтения генома ланцетника, абсолютно одинаковы. Что же дал геном ланцетника? Он изменил степень нашей уверенности в правильности этой эволюционной реконструкции. Раньше она была только одним из возможных вариантов, пусть и наиболее вероятным. Сейчас это уже, можно сказать, установленный факт.

В молекулярной биологии часто так бывает, что степень нашей уверенности в правоте той или иной гипотезы растет медленно и постепенно, причем между первым робким предположением и окончательным доказательством могут пройти годы и даже десятилетия. И само «окончательное доказательство» складывается из десятков отдельных исследований, выполненных разными людьми в разное время. Так что в итоге совершенно неясно, кому давать нобелевку.

4. Каждого гена — по две пары

Эволюционное древо вторичноротых, показанное на рисунке, — не единственная гипотеза, которая после прочтения генома ланцетника перестала быть гипотезой и превратилась в установленный факт. Еще в 1970 году Сусуму Оно (Susumu Ohno) предположил, что на ранних этапах эволюции хордовых их геном подвергся одной или двум дупликациям. В результате избыточность генома резко возросла, «лишние» гены получили возможность эволюционировать в новых направлениях, и это открыло позвоночным путь к созданию новых разнообразных и сложных адаптаций.

Гипотеза Оно сначала основывалась на весьма скудных фактах, но постепенно появлялись всё новые аргументы в ее пользу. К настоящему времени она стала практически общепризнанной, но не хватало окончательного, решающего доказательства. Ученые возлагали большие надежды на геномы оболочников, но тут их постигло разочарование. Оказалось, что молекулярная эволюция оболочников протекала исключительно бурно (это видно, в частности, по длине соответствующих веточек эволюционного древа на рисунке). В результате геномы оболочников оказались очень сильно перемешаны. Гены оболочников слишком часто переходили с места на место, с одной хромосомы на другую, так что от исходного порядка расположения генов в хромосомах мало что осталось. Между тем для решения вопроса о том, были ли в эволюции хордовых полногеномные дупликации, необходим анализ «групп сцепления» — длинных участков ДНК, содержащих сходные наборы генов у разных животных.

В геноме ланцетника, в отличие от оболочников, взаимное расположение генов оказалось отчасти сходным с таковым у позвоночных. Это проявляется в том, что многие гены, расположенные у ланцетника на одном и том же фрагменте ДНК, у человека и других позвоночных тоже находятся на одной хромосоме и обычно рядом друг с другом. Это значит, что расположение генов в геномах ланцетника и позвоночных сохранило следы того исходного порядка, в котором они располагались в геноме последнего общего предка хордовых.

Дело несколько осложняется тем, что геном ланцетника пока прочтен только «вчерне», и хромосомы ланцетника еще не собраны из фрагментов (поэтому я и говорю о «хромосомах» у позвоночных и «фрагментах ДНК» у ланцетника). Однако имеющейся информации вполне хватило исследователям, чтобы реконструировать 17 «исходных групп сцепления», которые должны были существовать у общего предка хордовых. Эти «группы сцепления», скорее всего, соответствуют его (предка) хромосомам.

Разумеется, всё то же самое пытались проделать и с геномами оболочников, но ничего не вышло, потому что у оболочников лишь очень малую часть «фрагментов ДНК» (12 из 134 у асцидии Ciona) удалось «привязать» к какой-нибудь человеческой хромосоме (у ланцетника — 96 из 129).

Составив представление о 17 хромосомах предка хордовых, авторы теперь могли проследить их дальнейшую эволюционную судьбу. Они выявили на хромосомах человека (и других позвоночных) участки, соответствующие каждой из 17 предковых хромосом. Хромосомы в процессе эволюции рвутся, склеиваются и обмениваются участками, однако отдельные кусочки, в том числе и довольно длинные, могут сохраняться в относительной целости сотни миллионов лет.

Как и следовало ожидать, каждая из 17 предковых хромосом превратилась в геноме человека в некий набор обрывков, рассеянных по разным хромосомам. Теперь мы наконец подошли к самому главному. Оказалось, что каждый из этих 17 наборов обрывков в свою очередь подразделяется на 4 части. Например, набор, соответствующий предковой хромосоме №8, включает девять обрывков. Эти девять обрывков подразделяются на четыре группы (в трех группах по два обрывка, в четвертой — три). Если сравнить между собой любые две из этих четырех групп обрывков, то выясняется, что многие гены представлены в обеих группах в виде пар так называемых генов-паралогов (или паралогичных генов), по одному паралогу в каждой из двух групп. Паралогичные гены — это родственные гены, когда-то произошедшие от общего гена-предка в результате дупликации, успевшие накопить какие-то различия, но при этом сохранившие явное сходство. Таким образом, каждая предковая хромосома превратилась в геноме человека в четыре сходные между собой группы обрывков. Сходство групп заключается в том, что если в одной из них есть какой-то ген, то в трех других с высокой вероятностью найдутся паралоги этого гена.

Остается добавить, что в человеческом геноме те области, которые авторам удалось «привязать» к одной из 17 предковых хромосом, составляют не менее 95% всего генома.

Эти результаты доказывают, что на ранних этапах эволюции позвоночных произошло учетверение генома. Скорее всего, это были две последовательные дупликации. Гипотезу Оно, высказанную около 40 лет назад, можно считать доказанной.

Дупликации произошли уже после того, как от общего эволюционного ствола хордовых отделились предки ланцетников и оболочников (их геномы не учетверены и не удвоены), и до того, как разошлись пути наших предков и предков хрящевых рыб. С несколько меньшей уверенностью авторы утверждают, что первое удвоение, скорее всего, произошло незадолго до, а второе сразу после разделения линий бесчелюстных (миноги, миксины) и челюстноротых (рыбы и наземные позвоночные). Упомянутые линии разделились, по имеющимся оценкам, в раннем кембрии, примерно 530 млн лет назад. Причина меньшей уверенности состоит в том, что геном миноги перенасыщен повторами, и из-за этого прочтенные участки ее генома пока не удается собрать в достаточно длинные непрерывные фрагменты.

5. Куда делись лишние гены?

Удвоение целого генома — не уникальный случай в истории жизни. Полногеномная дупликация произошла, например, 350 млн лет назад у предков костистых рыб; 40 млн лет назад то же самое случилось в одной из групп лягушек. Обычно после полногеномной дупликации большинство «лишних» генов быстро теряется, и лишь некоторым из них находится какое-нибудь новое применение. До тех пор, пока два гена-паралога не начнут выполнять в организме разные функции, естественный отбор не может воспрепятствовать мутационной поломке или полной утрате одного из них.

Авторам удалось составить список из 8437 генов, которые имелись у общего предка хордовых и сохранились хотя бы у некоторых современных позвоночных. Все эти гены в свое время «учетверились», но большая часть появившихся паралогов была быстро утрачена. Сохранились паралоги примерно у 20-25% генов. Среди этих генов, дубликаты которых «пригодились» ранним позвоночным, резко повышена доля генов, участвующих (1) в регуляции транскрипции (гены — регуляторы активности других генов), (2) в деятельности нервной системы, (3) в регуляции эмбрионального развития, (4) в передаче разнообразных сигналов. Это явно не случайный «выбор»; он хорошо согласуется с идеей о том, что геномные дупликации у предков позвоночных стали важной предпосылкой для последующей эволюции по пути усложнения.

Источник: Nicholas H. Putnam et al. The amphioxus genome and the evolution of the chordate karyotype // Nature. 2008. V. 453. P. 1064–1071.