У кого впервые появился позвоночник

С помощью удвоения генов появляется новая информация в геноме. Еще в 1970-е генетики предположили, что удвоение генов сыграло ключевую роль в развитии позвоночных на Земле. Но окончательное подтверждение было получено только в этом году, когда на примере ланцетника ученые убедились, что много миллионов лет назад у ранних позвоночных дважды произошло полное удвоение генома, которое послужило мощным толчком к их дальнейшему развитию.

Об этом рассказывает доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Палеонтологического института РАН Александр Марков.

– Удвоение генов могло играть ключевую роль в самых важных эволюционных преобразованиях, как, например, появление позвоночных животных. Позвоночные вообще уникальная группа по сложности своего строения, по сложности мозга и нервной системы.

Дупликация генов, похоже, сыграла роль спускового крючка в эволюции позвоночных, в их появлении и в их дальнейшей судьбе. Предположение, что у ранних позвоночных произошла полногеномная дупликаций, была высказана еще в 1970 году Сусумо Оно. Этот исследователь предложил эту гипотезу на основе анализа отдельных генов. Сначала эта идея подтверждалась немногими фактами, потом постепенно все больше и больше находилось подтверждений этой гипотезе, и в конце концов, она стала уже практически общепринятой, но все-таки не хватало последнего решающего доказательства. И вот в этом году в июне наконец было получено решающее доказательство того, что действительно на заре эволюции позвоночных произошло две полногеномные дупликации.

– Каким же было решающее доказательство, того что позвоночные возникли после полного удвоения генома?

– Это доказательство было получено в результате прочтения генома ланцетника. (Nature, «The amphioxus genome and the evolution of the chordate karyotype».

Ланцетник – это хрестоматийный объект, он во всех учебниках есть, его называют живой упрощенной схемой хордового животного. Его строение очень похоже на ранние эмбриональные стадии развития позвоночных животных. У него нет позвоночника, но у него есть хорда, такой упругий тяж.

У ланцетника есть классические признаки хордовых – жаберные щели, которые у всех позвоночных в эмбриогенезе закладываются. Жаберные дуги, через которые он фильтрует воду, хвост, продолжающий после анального отверстия, сердце на брюшной стороне, спина и нервная трубка, что очень характерно для ланцетника.

Ланцетник издавна привлекал большое внимание исследователей, во всяком случае, в микробиологии он рассматривался как хорошее приближение к тому, как выглядел предок позвоночных. Хотя сам ланцетник к позвоночным не относится, он относится к типу хордовых. Тип хордовых включает три подтипа – это ланцетники, позвоночные и еще такие оболочники, у них личинка имеет хорду.

Оказалось, что порядок расположения генов в хромосомах ланцетника сохранил некоторое сходство с порядком расположения генов в хромосомах позвоночных. И если у ланцетника какие-то гены находятся на одном и том же фрагменте ДНК, то с большой вероятностью эти же гены и у человека будут находиться на одной и той же хромосоме. Это говорит о том, что взаимное расположение генов в геноме и у ланцетника, и у позвоночных сохранило следы древнего исходного порядка генов, который был у общего предка всех хордовых и, соответственно, у общего предка позвоночных, который жил позже.

– Что же обнаружили генетики, когда прочли геном ланцетника?

– Когда прочли геном ланцетника, исследователям удалось реконструировать 17 гипотетических хромосом этого гипотетического общего предка всех хордовых. Во-первых, оказалось, что у него было 17 хромосом, уже интересно. У последнего общего предка ланцетника и позвоночных, вот о чем речь идет. Были реконструированы эти 17 предковых хромосом, после этого исследователи нанесли на генные карты человека и других позвоночных, отметили там фрагменты, соответствующие каждой из этих 17 предковых хромосом. Вообще хромосомы в процессе эволюции рвутся, объединяются, меняются кусочками, происходят хромосомные перестройки, но они происходят достаточно редко, и длинные фрагменты хромосом могут сохраняться более-менее целыми в течение сотен миллионов лет. Отдельные гены могут, конечно, перепрыгивать, но все-таки по порядку генов можно найти гомологичные участки участки. Исследователям удалось найти фрагменты в человеческих хромосомах, соответствующие каждой из этих предковых хромосом. Как и следовало ожидать, каждая из 17 хромосом превратилась в геноме человека в некий набор обрывков, но эти наборы обрывков, когда их стали анализировать, обнаружилась очень красивая и показательная вещь, что каждый набор обрывков, в который превратилась одна из предковых хромосом, он подразделяется на четыре части, на четыре группы обрывков с похожими наборами генов. Это гены, которые находятся в одном и том же геноме, но происходят от одного гена, когда-то произошла дупликация, ген разделился надвое и теперь два гена, произошедшие от одного предкового гена, такие гены называются паралогичными. Вот я говорил о том, что каждая хромосома предковая превратилась в четыре группы обрывков. Вот оказалось, что если мы возьмем одну из этих групп обрывков, то с большой вероятностью в трех других группах обрывков найдутся паралоги генов, которые есть тут. Паралоги, соответственно, это родственные гены, похожие друг на друга, но накопившие какие-то различия. Это гены, которые происходят от одного предкового гена в результате дупликации.

Поскольку для каждой хромосомы обнаружилось четыре группы обрывков, в которые она превратилась, это значит, что у предков хордовых в какой-то момент весь геном учетверился. Вот эти участки гомологичные предковым хромосомам в геноме человека они соответствуют 95% всего генома человека, по крайней мере, то, где удалось найти соответствие. Это строгое и совершенно неопровержимое доказательство того, что геном учетверился у позвоночных. У ланцетника он не учетверился, а у всех позвоночных он оказался учетверенным.

– Почему произошло такое радикальное изменение – буквально «учетверение» генома?

– Такие вещи происходят обычно случайно. Так может произойти удвоение генома в результате нерасхождения хромосом при мейозе. У растений сплошь и рядом так бывает. Но в результате позвоночные получили то, что каждый ген у них стал присутствовать в четырех экземплярах, и это открыло свободу для эволюционных преобразований. Дело в том, что если ген у вас в одном экземпляре, то он находится под действием так называемого очищающего отбора. Почти все мутации, которые будут возникать в этом гене, будут вредны, ген за миллионы лет предшествующей эволюции настроен для выполнения какой-то функции. Если исходная функция данного гена будет ослаблена, если он хуже начнет с ней справляться, то это вредно, и такая мутация будет отсеиваться отбором. А когда у вас появляется вместо одной копии гена две или тем более четыре, то появляется гораздо больше свободы для изменений. Если в одной из копий возникает мутация, которая ухудшает функцию гена, то она не отсеивается отбором, потому что остается вторая копия. И получается, что одна копия сохраняется в своем прежнем состоянии, выполняет свою старую функцию, а вторая копия на некоторое время получает полную свободу меняться, куда ей вздумается. Конечно, в большинстве случаев случайные мутации, накапливающиеся в этой второй копии, ничего хорошего не дадут, они испортят этот ген, и он, в конце концов, выйдет из строя и может быть полностью утрачен. Именно такая судьба во многих случаях ожидает лишние копии генов, которые получаются в результате дупликации. Но однако есть шанс, что эти случайные мутации, которые свободно накапливаются в лишней копии гена, случайно придадут этому гену какое-то полезное новое свойство, пусть даже очень слабо выраженное поначалу. Немножко изменится функция белка, немножко изменится локализация, то есть он будет работать в немножко другой части клетки или в другой ткани. Или если это фермент-катализатор, он начнет катализировать превращение немножко других химических веществ. Если это окажется полезным, а вероятность этого вполне реальная, то естественный отбор сразу зацепится за это и начнет оптимизировать эту копию гена уже в новом направлении и таким образом возникает новая функция.