Трудиться пришлось два сезона, но в конце концов Джен и Бобу удалось собрать достаточно мелких коричневых зверушек, относящихся к виду Akanthokera kaputensis (рис. 6.6), чтобы выделить из них ДНК и эмбрионов для дальнейших исследований. Наша основная задача состояла в том, чтобы идентифицировать все Hox-гены онихофор и понять, как они используются при формировании этих животных. Нам было известно, что у дрозофилы десять таких генов — восемь стандартных и два не таких стандартных, играющих несколько иную роль в развитии. Главный вопрос для Джен, Боба и Теда заключался в том, сколько и каких Hox-генов имеет наш вид онихофор. Они выделили ДНК из собранных животных, а потом использовали специальный метод, позволивший избирательно выловить из огромного генома только те кусочки ДНК, которые содержат Hox-гены. Наша команда установила, что, хотя онихофоры имеют очень небольшой набор разных сегментов и конечностей и отличаются относительно примитивным строением, у них есть все те же Hox-гены, что и у дрозофил и других членистоногих.
Рис. 6.6. Akanthokera kaputensis — представитель онихофор. Фотография Джен Гриниер и Стивена Пэддока.
Это говорит о том, что последний общий предшественник членистоногих и онихофор обладал всеми Hox-генами, имеющимися у современных членистоногих. Кроме того, это означает, что все лопастеногие и членистоногие животные кембрийского периода — от Aysheaia до Anomalocaris, Microdictyon и Marrella — также имели весь набор из десяти Hox-генов. Более того, варианты строения тела всех более поздних членистоногих — пауков, многоножек, насекомых и всевозможных ракообразных — формировались при участии того же набора Hox-генов.
В тот момент, когда мы впервые опубликовали свои данные, многие палеонтологи считали, что кембрийский взрыв мог быть вызван увеличением числа Hox-генов. Хотя наши данные полностью противоречили этой идее, мы не были разочарованы. Возможность проверки идеи путем изучения генов таинственных существ продемонстрировала способность эво-дево пролить свет на события далекого прошлого. Для "кабинетных" молекулярных биологов, таких как я и мои студенты, было невероятно важно внести значимый вклад в изучение истории кембрийского периода.
Но это было лишь начало. Вопрос оставался открытым: если эволюция кембрийских и более поздних животных не связана с появлением новых Hox-генов, то каковы ее механизмы? Простой факт наличия в ДНК тех или иных генов не давал ответа. Ключом к разгадке оказались география эмбрионов и процесс развития различных видов членистоногих. Наши исследования привели нас к выводу о том, что не столь важно, какие гены у нас есть, важно то, как мы их используем!
Сдвиг зон экспрессии Hох-генов и закон Уиллистона
Эволюция членистоногих в кембрийском периоде главным образом состояла в увеличении числа и разнообразия сегментов и конечностей. Тело трилобита состоит из трех основных отделов — головы, туловища и пигидия (хвостового отдела), причем сегменты каждого из этих отделов и отходящие от них конечности очень похожи друг на друга и различаются только по размеру. У ныне существующих групп членистоногих, представители которых появились не позднее чем через 150 млн лет после окончания кембрийского периода, конечности гораздо разнообразнее — их насчитывается более десяти видов. Отростки на голове, туловище и хвосте являются специализированными структурами, которые служат для питания, восприятия сигналов, передвижения, дыхания, рытья нор, копуляции, заботы о потомстве и защиты. Успешное развитие членистоногих, безусловно, связано с их способностью к адаптации, которая, в свою очередь, объясняется возрастающей специализацией конечностей.
Но как возникли разные типы конечностей? По всей видимости, этот процесс должен был сопровождаться серьезными изменениями географии эмбрионов членистоногих. Чтобы понять, что конкретно произошло в ходе эволюции членистоногих, мы вновь обратимся к анализу современных животных. Лучше всего генетический контроль дифференцировки конечностей изучен у дрозофил. Нам известно, что образование каждого типа конечностей (разнообразных отростков на голове, каждой из трех пар ног, обычно отсутствующих конечностей на брюшке, а также гениталий, которые также представляют собой модифицированные конечности) контролируется Hox-белками. Разнообразие формы и функций конечностей достигается путем экспрессии разных Hox-генов в разных участках тела вдоль главных осей эмбриона. При формировании эмбриона образуется множество зон экспрессии Hox-генов по отдельности и в разных сочетаниях (на рис. 6.7 эти зоны обозначены цифрами от 1 до 10).
Рис. 6.7. Сдвиг зон экспрессии Hox-генов определяет основные различия в форме тела членистоногих. Hox-гены обозначены номерами. Обратите внимание на сдвиг границы зоны экспрессии генов 7, 8 и 9 у насекомых, многоножек и четырех ракообразных (артемий, мизид, омаров и креветок-чистильщиков) (затемненная область). Количество ногочелюстей, или максилл (мк), находится в обратной зависимости от количества сегментов, в которых экспрессируются гены 8/9, и сдвигается в сторону увеличения от варианта артемий, у которой нет ногочелюстей. У многоножки непосредственно перед ногами располагается ядовитый коготь (я. к). У трилобитов, по-видимому, было всего три отдела тела, различающихся тремя разными комбинациями зон экспрессии Hox-генов. Рисунок Лианн Олдс.
Каким было строение эмбрионов кембрийских животных? Как экспрессировались их Hox-гены 500 млн лет назад? Увидеть этого мы не можем, но можем сделать некоторые выводы, сравнивая географию эмбрионов и картину экспрессии Hox-генов у разных ныне живущих членистоногих. Например, некоторые членистоногие, такие как жаброногие рачки, имеют очень простое строение грудного отдела, все сегменты и конечности которого очень похожи. По-видимому, таким же строением обладал их примитивный предок. На рис. 6.7 показано, что у эмбрионов жаброногих ракообразных зоны экспрессии двух Hox-белков (номера 8 и 9) идентичны, тогда как у насекомых зоны их экспрессии различаются. У многоножек, еще одной представительной группы членистоногих, рисунок экспрессии Hox-генов в эмбрионе напоминает таковой у жаброногих. Длинное туловище состоит из идентичных сегментов, несущих одинаковые конечности. У эмбриона многоножки те же два Hox-белка (номера 8 и 9) экспрессируются в каждом из сегментов и в отходящих от них конечностях. У этих двух членистоногих зоны идентичных сегментов соответствуют зонам экспрессии одного и того же (или одних и тех же) Hox-белков. Таким образом, можно сделать вывод, что у членистоногих кембрийского периода, таких как трилобиты, блоки похожих сегментов и отростков соответствовали зонам экспрессии одних и тех же Hox-белков.
Нам также известно, что границы между Hox-зонами у членистоногих обычно соответствуют смене типов сегментов и конечностей. У жаброногих и многоножек в сегменте, расположенном непосредственно перед грудным отделом, экспрессируется уже другой Hox-белок или комбинация Hox-белков (номера 7 и 5/6/7 соответственно) и образуются конечности другого типа. У жаброногих это конечности ротового аппарата, а у многоножки эта конечность стала ядовитым когтем, необходимым для иммобилизации жертвы и для защиты. Такая связь между различными типами конечностей и различными Hox-зонами, расположенными вдоль оси эмбриона, распространена достаточно широко.
