Нох-тены в развитии и эволюции билатеральных животных

УДК 597.55.2:501.12

Вестник СПбГУ. Сер. 3,20б4, вып. 4

Я И. Бакаленко, Е. Л Новикова, Е. В. Елисеева, Т. Ф. Андреева

НОХ-ТЕНЫ В РАЗВИТИИ И ЭВОЛЮЦИИ БИЛАТЕРАЛЬНЫХ ЖИВОТНЫХ

В современной биологии развития большое значение придается изучению молекулярных механизмов контроля морфогенезов. В настоящее время предполагается, что огромное разнообразие форм животных достигнуто в ходе эволюции благодаря изменениям в генетических программах развития. Элементы этих программ, взаимодействуя друг с другом, формируют сложную регуляторную сеть, предопределяющую индивидуальный план строения тела, детерминацию и дифференцировку отдельных тканей и органов. Архитектура этой сети закодирована в регуляторных и структурных последовательностях генов, которые определяют, где и когда экспрессируется каждый конкретный ген. В ходе развития зародыша группы генов последовательно включаются в соответствии с их положением в ре-гуляторном каскаде. Первым этапом в развитии является регионализация зародыша, т. е. подразделение одного мопфогенетического поля зиготы на отдельные клеточные домены и дальнейшая их спецификация. Этот процесс контролируется различными регуляторными генами, организованными в расширяющийся иерархический каскад. На последующем этапе происходит детерминация судеб клеток в уже сформированных доменах. Активирующиеся здесь транскрипционные факторы включают гены последнего этапа специализации - гены тканевой дифференцировки.

Яох-гены являются ключевыми регуляторами различных морфогенетических программ. Открытие класса Нох-генов произошло в результате изучения гомеозисных мутаций. Мутации такого рода приводят к эктопическому появлению различных структур. Примером может служить развитие ноги вместо антенны у насекомого, появление ребер на шейных позвонках у позвоночных. Основные работы по изучению Яох-генов были выполнены на плодовой мушке и мыши, в настоящее время они исследуются у широкого круга животных.

Клонирование Яох-генов позволило изучить их структурную организацию. Такие исследования были стимулированы предположением Э. Льюиса [12] о том, что Яах>гены возникали путем дупликации анцестрального Нох-гена, с последующим расхождением функций двух копий. Поэтому предполагалось, что Нох-гены должны быть похожи между собой. Были выявлены некоторые характерные особенности этих генов, которые в совокупности присущи только им.

1. Ноуr-гены кодируют белки — транскрипционные факторы, содержащие ДНК-свя-зывающий домен (гомеодомен), состоящий из 60 аминокислотных остатков. Нох-белки работают в виде гетеродимеров с другими транскрипционными факторами (кофакторами). Димеризация определяет специфичность узнавания.

2. Яох-гены у всех изученных на этот предмет Bilateria организованы в кластеры, в пределах каждого кластера гены располагаются в строго определенном порядке. На основе анализа 18S рРНК и структурных особенностей генов Яох-кластера все Bilateria были разделены на три ветви: Ecdysozoa, Lophotrochozoa и Deuterostomia (рис. 1).

Для первичноротых (Ecdysozoa и Lophotrochozoa) [7] характерно наличие одного кластера Яох-генов. Среди вторичноротых число кластеров варьирует от одного (морской еж [1], ланцетник [9]) до восьми (костистые рыбы [13]). У человека и мыши в геноме найдено 39 Яох-генов, организованных в 4 кластера. Число генов в кластере может быть от шести (Caenorhabditis elegans) до четырнадцати (ланцетник [9]).

Сохранение кластера Нох-генов на протяжении очень длительного времени предполагает наличие регуляторов, общих для всех этих генов [8].

© Н. И. Бакаленко, Е. Л. Новикова, Е. В. Елисеева, Т. Ф. Андреева, 2004

—I '

-с

Vertebrata

Cephaiochordata

Urocbordata

Hemtchordaia

Echlnodermata

Bryozoa

Piatyhelmimhes

Pogonoptiora

erachtqpoda

Phoranida

Nemertina Annefida

Echiurida MoHusca Sipuncuikla Gnathostomata RotJfera Gastmbicha Nematode

HI

Kjftorhyacha

Onyctophora

Tardigrada

Arthropodia

Ctenopbora

Cnidaria

Porifera

Fun$

Pfarrta

Рис. 1. Филогенетическое древо ВНа1епа, построенное на основе изучения структурных особенностей Нох-генов [7].

3. Пространственное расположение доменов экспрессии //ас-генов вдоль переднезадней оси тела коррелирует с очередностью генов в кластере. Чем ближе расположен ген к 3'-концу кластера, тем антериальнее лежит передняя граница его экспрессии. Это явление было названо пространственной коллинеарностью [10]. Молекулярные механизмы этого явления остаются до сих пор невыясненными, вероятно, их природа опосредована изменениями структуры хроматина Нох-генов. Существует также временная коллинеарность, означающая, что момент начала экспрессии Но:с-гена в эмбриогенезе соотносится с его положением в кластере. Чем ближе к 3'-концу лежит ген, тем раньше он экс-преСсируется.

Функциональный анализ Нох-генов различных билатеральных животных выявил основную функцию этих генов: они принимают участие в регуляции становления региональной специфичности тела вдоль переднезадней оси. Эволюционный консерватизм этой функции позволяет говорить о ее анцестральности.

Кластер Нох-генов функционирует в пределах сложной регуляторной сети, определяющей план строения тела. Механизмы, обеспечивающие морфологическое разнообразие форм внут-

т-------———- шиит any i

ри таксономических групп, лежат, главным образом, в изменениях регуляторных взаимоотношении у консервативного набора генов существующей регуляторной сети Подобные ре-гуляторные изменения могут происходить на трех уровнях иерархических взаимодействий-на уровне upstream-регуляции (потеря, приобретение или смена регуляторов Яох-генов) downstream-регуляции (потеря, приобретение или смена гена-мишени) и на уровне кросс-регуляции (изменения на уровне взаимодействия Яох-генов друг с другом). Модификации на >азных уровнях внутри регуляторной сети взаимосвязаны и влекут за собой формирование морфологически разнообразных форм.

Потеря, приобретение или смена регуляторов Нох-генов - изменения на уровне upstream регуляции,. Изменения регул'яции на уровне вышележащих в каскаде генов-регуляторов могут быть вызваны как изменениями в регуляторных зонах Яох-генов так и в характере экспрессии транскрипционных факторов, которым эти гены подконтрольны В результате происходит смещение доменов экспрессии отдельных Нох-генов относительно переднезадней оси. В этом случае отмечена корреляция между смещением области экспрессии того или иного Нох-гет и изменением морфологии плана тела. Так, например для

1

ЯН

Т2

щ - зона экспрессии гена иЬх

• Рис. 2. Экспрессия иЪх у некоторых представителей ракообразных [3].

представителя примитивных ракообразных АШт 'ш показано расположение передней границы экспрессии гена иЬх на границе между головными сегментами, формирующими ротовые придатки, и торакальными, несущими плавательные придатки. У других ракообразных передняя граница экспрессии иЬх сдвигается. У некоторых представителей Ма1асоз1:гасап и МахШороё несколько пар торакальных конечностей видоизменены и несут функции придатков для захватывания пищи. В этих случаях отмечено постериальное смещение границы экспрессии иЬх, что коррелируют с изменениями морфологии придатков (рис. 2) [3].

У мышиного и куриного зародышей передние границы экспрессии Нох-генов совпадают с границами между отделами позвоночника. Нох-гены паралогичной группы 8 маркируют параксиальную мезодерму на уровне грудных позвонков, а передняя граница экспрессии Яох9-генов расположена на уровне границы между грудными позвонками и поясничными у обоих животных [4]. У рыб нет разли1 ия между грудными и поясничными позвонками, и у Оато гепо зоны экспрессии Яох-генов па-ралогичных групп 8 и 9 имеют практически совпадающие передние границы [14].

Потеря, приобретение или смена гена-мишени - изменения на уровне йом>т1геат-регулящ1и. В ядре Нох-белки иногда в комплексе с другими белками взаимо. действуют со специфическими сайтами связывания многочисленных генов-мишеней. Изменения на уровне контроля гена-мишени могут происходить иногда в результате изменения структуры самого Яох-белка или кофактора, с ним взаимодействующего, либо, как правило, вслед-ствие мутации сайта связывания мишени с Яох-белком.

Смена набора генов-мишений Яох-гена иЬх при регуляции развития второй пары крыльев у насекомых привела к развитию гальтер вместо крыльев на третьем торакальном сегменте в отряде 01р1ега и к морфологическим различиям передних и задних крыльев у бабочек (отр. Ьер1с1ор1ега). Модификация крыльев в обоих случаях является результатом появления сайтов связывания для гена иЬх в цис-регуляторных последовательностях генов, ранее контролировавших формирование крыла [5, 6]

Изменения на уровне взаимодействия Нох-генов друг с другом - изменения на уровне кросс-регуляции. Примером взаимодействия Яох-генов друг с другом является феномен постериальной супрессии. Суть этого явления заключается в способности белка одного из Яох-генов подавлять функцию другого Но:с-гена с более антериальной границей экспрессии [15]. Мутация гена Амр приводит к его эктопической экспрессии в области го-ловь1, что влечет за собой трансформацию антенны в ногу [11].

В приведенных выше примерах кластер Нох-генов функционирует внутри одной и той же регуляторной сети и участвует в модификации этой сети. Предпосылки для появления эволюционно новых морфологических структур возникают в результате появления новых регуляторных сетей, в которых используются уже существующие гены; они выстраивают новые взаимоотношения с выше- и нижележащими генами формирующегося каскада. Такое вовлечение группы генов, в частности генов Яодг-кластера, в новые регулятор-ные цепи получило название кооптация. Однако этот термин часто используется в науке

более широко. Так, Э. Дэвидсон [6] считает, что кооптация - это приобретение геном (или группой генов) новой функции, которую он не имел в предковой форме. Это может произойти как через модификацию уже существующей регуляторной сети, внутри которой функционирует данный ген, так и путем встраивания гена (или группы генов) в новую ре-гуляторную сеть [6]. В первом случае произойдут изменения уже существовавшей ранее морфоструктуры, во втором - возникает принципиально новая структура.

В процессе формообразования конечности позвоночных Нох-гены специфицируют развивающуюся почку конечности вдоль переднезадней оси. Последовательная инициация экспрессии генов Нох<19-12 в период формирования стилоподии и зигоподии в задней маргинальной части формирующейся конечности - в зоне прогресса - приводит к формированию «вложенных» паттернов экспрессии генов НохО вдоль переднезадней оси. Нохй9 экс-прессируется по всей области экспрессии генов НохД а последующие гены занимают все более и более постериорные отделы так, что в самой постериальной части экспрессируются все гены с Нох<19 по НохсН2 [6] (рис. 3, А). В эволюции ТеНароёа произошло второе кооптирование постериорных генов #ас£-кластера (НохсНО-НохсНЗ) и вовлечение НохА-кластера (.Ноха13) для формирования аутоподии. В этой фазе наблюдается обратный порядок экспрессии Яох-генов: НохаВ и НохсНЗ экспрессируются антериальнее, чем НохйЮ и Нохс111 (рис. 3, Б).

8Й Ьохй9 0 Ьохб9, ЬохсНО

Ф Ыух<&, ЬохсИО, НахсШ

\

Ф Ьох08, ЬохёЩ ЬохсШ, 1юхсИ2

'"Шр йоха13

ф Ьоха13, (юх<НЗ

Ф /юхаГЗ, Ьох(НЗ, Ьохс112т ЬохйН, НохЫО

Рис. 3. Экспрессия Яох-генов в зачатке конечности куриного эмбриона при формировании стцлоподии и зигоподии (А) и при формировании аутоподии (Б).

Вовлечение Яох-кластера в программу развития конечности обусловлено появлением двух новых регуляторных элементов, которые «включают» работу Нох-генов в новых мор-фогенетических полях. Один из них контролирует экспрессию постериальных Яох-генов в области закладки стилоподии и зигоподии у всех позвоночных [8], а другой специфицирует развитие аутоподии только у четвероногих [16].

У морского ежа Strongylocentrotus purpuratus была обнаружена экспрессия пяти Яох-генов, лежащих в 5'-области кластера (SpHox-7, SpHox-8, SpHox-9/10, SpHox-11/1 За, SpHoxl 1/13b) (рис. 4) [2]. Экспрессия наблюдается в клетках стенок соматоце-лей личинки, парных постериальных целомах, лежащих по бокам от личиночной кишки. Нох-гены экспрессируются коллинеарно в соответствии с расположением в кластере. Ось экспрессии совпадает с линией кривизны пищеварительного тракта личинки. Изгиб пищеварительного тракта имеет большое значение в эволюции Echinoder-mata, так как без этого невозможно было бы складывание в стопку целомов при формировании радиальносимметричного тела взрослого животного. По-видимо-му, кол-линеарная экспрессия этих пяти Нох-генов в метаморфизирующей личинке морского ежа способствует формированию животного, имеющего пятилучевую симметрию.

Открытие Яох-генов ознаменовало новый этап в изучении и понимании программ индивидуального развития билатеральных животных. Сравнение генетических, программ развития у представителей разных филогенетических групп послужило основой для понимания механизмов возникновения морфологического разнообразия живых существ. Несмотря на то, что наличие кластера Яох-генов (одного или нескольких) было показано для всех Bilateria, основные работы по изучению его функционирования проводились на представителях двух эволюционных ветвей - Ecdysozoa и Deuterostomia. Группа Lophotrochozoa до сих пор оставалась малоизученной в отношении функционирования Яох-генов, хотя именно эта группа демонстрирует огромное разнообразие способов формирования взрослого плана строения тела. Изучение принципов функционирования Яох-кластера у билатеральных животных, особенно у базальных представителей различных эволюционных ветвей, позволит понять, каким образом изменения генетически;: программ развития привели к разнообразию морфологических форм животных.

Статья рекомендована проф. А. К. Дондуа. Summary

Bakalenko N. /., Novikova Е. L., Eliseyeva E. V.. Andreyeva T. F. tfox-genes in development and evolution of bilaterian animals.

f SpHox? ф SpHoxS Ф SpHox9/10 Ф SpHox11/13a # SpHox11/13b

Рис. 4. Экспрессия Яодг-генов в соматоцелях личинки морского ежа [2]. • .

tfox-genes are the key regulators of different morphogenetical programms. Hox-genes of all Bilateria are organised in clusters. There is a definite order of genes in a cluster. The main function of Hox-genes is specification of body parts along the A/P axis. Regulatory changes in tfox-genes' interactions with upstream and downstream genes of the same regulatory gene net lie in the basis of morphological variety in taxonomic groups. Involving of Hox-genes in new regulatory nets - cooption - gives rise to creation of new morphological structures.

Литература

1. Arenas-Mena С., Martinez P., Cameron R. A., Davidson E. H. Expression of the Hox-genes complex in the inderect development of a sea urchin // Proc. Natl. Acad. Sci. 1998. Vol.95. P. 13062-13067. 2. Arenas-Mena C„ Cameron A. R, Davidson E. H. Spatial expression of tfox-cluster genes in the ontogeny of a sea urchin // Development. 2000. Vol. 127. P. 4631-4643. 3. Averof M.,-Patel N. H. Crustacean appendage evolution associated with changes in Hox-genes expression // Nature. 1997. Vol. 388. P. 682-686. 4. Burke A. C.. Nelson C, Morgan В., TabinC. Hox-genes and evolution of vertebrate axial morphology // Development. 1995. Vol. 121. P. 333-346. 5. Carroll S B., GrenierJ.K., Weatherbee S. D. From DNA to diversity. Maiden, 2001. 6. Davidson E. H. Genomic regulatory systems. Pasadena, 2001. 7. De Rosa R, GrenierJ.K., AndreevaT., CookC., Adoutte A., Akam M., Carroll S., BalavoineG. Hox- genes in brachiopods and priapulids and protostome evolution// Nature. 1999. Vol.399, N6738. P. 772-776. 8. Duboule D. Development and evolution of vertebrate limb'regulation: Why do we have five digits? // Joint spring meeting on evolution of developmental mechanisms, 2002. 9. Ferrier D.E., Minguillon C„ Holland P. W., Garsia-Fernandes J. The amphioxus tf ox-cluster: deuterostome posterior flexibility and Hox 14 II Evol. Dev. 2000. Vol. 2(5). P 284-293. 10. Gellon G., McGinnis "/. Shaping anima! body plans in development and evolution by modulation of tfar-expression patterns // BioEssays. 1998. Vol. 20.2. P. 116-124. 11. Gilbert F. S. Developmental biology. Sunderland, 2000. 12. Lewis E. В. A gene complex controlling segmentation in Drosophila// Nature. 1978. Vol.276. P. 565-570. 13. Mayer A., Malaga-Trillo E. Vertebrate genomics: More fishy tales about Hox-genes // Curr. Biol. 1999. Vol. 6. P. 210-213. 14. Prince V. £., JolyL., EkkerM., Но Я H. Zebrafish Aox-genes: genomic organization and modified colinear expression patterns in the trunk//Development. 1998. Vol. 125. P. 407-420.15.StruhlG., WhiteR. A. Regulation of the Ubx- genes of Drosophila by other Bithorax complex genes // Cell. 1985. Vol. 43. P. 507-519. 16. Van der Hoeven F., ZakanyJ., Duboule D. Gene transpositions in the HoxD complex reveal a hierarchy of regulatory controls // Cell. 1996. Vol, 85. P. 1025-1035.

Статья поступила в редакцию 17 июня 2004 г.