05.03.2015

Эволюция ионных каналов шла у животных параллельно

Американские биоинформатики предприняли исследование эволюции большой группы генов, связанных с ионными каналами — сложными белковыми молекулами, необходимыми для работы нервных клеток. Выяснилось, что появление новых генов ионных каналов шло независимо и параллельно как минимум в четырех разных эволюционных ветвях многоклеточных животных, причем это касалось одних и тех же генных семейств. С другой стороны, по набору этих семейств гребневики серьезно отличаются от всех других животных, что косвенно подтверждает гипотезу о независимом происхождении их нервной системы. Однако эволюция тех генных семейств, которые для животных универсальны, идет характерным для всех путем, и у гребневиков тоже. Авторы исследования даже говорят о конвергенции на молекулярном уровне, хотя, возможно, это скорее стоит назвать параллелизмом.

Известно, что в эволюции эукариот (обладателей клеток с ядрами) многоклеточность возникала несколько раз. Например, такие организмы, как зеленые растения, бурые водоросли и шляпочные грибы, совершенно точно произошли от разных одноклеточных предков. Можно сказать, что «изобретение» многоклеточности оказалось для эукариот относительно очевидным шагом. Но вот система специализированных клеток, передающих информацию с помощью электрических сигналов, — проще говоря, нервная система — за всю историю жизни появилась только в одной крупной эволюционной ветви: у многоклеточных животных (Metazoa). Очевидно, возникновение у многоклеточного организма нервной системы было гораздо более маловероятным эволюционным событием, чем формирование многоклеточности как таковой. Может быть, как раз поэтому ранняя история нервной системы так темна. Там много вопросов, на которые биологи до сих пор не знают точных ответов.

Из этих вопросов, пожалуй, на данный момент важнее всего следующий. Сколько раз возникала нервная система у животных: один раз или больше? К началу XXI века в зоологии утвердилось мнение, что нервная система появилась ровно один раз и все животные, ею обладающие, относятся к единой ветви (иногда эту ветвь называли «настоящие многоклеточные животные», Eumetazoa). В 2009 году нейробиолог Леонид Мороз (Leonid Moroz) выступил со смелым предположением, что нервная система могла возникнуть все-таки несколько раз, независимо в разных ветвях многоклеточных животных (L. Moroz, 2009. On the independent origins of complex brains and neurons). Поначалу эту идею восприняли с сомнением. Но вскоре она начала находить подтверждения, связанные прежде всего с относительно малоизученной группой животных — гребневиками.

У гребневиков нервная система есть. Проблема в том, что сами гребневики, судя по современным данным, находятся на эволюционном древе очень далеко от всех других обладателей нервной системы (к которым относятся стрекающие и двусторонне-симметричные). При этом нервная система гребневиков сильно отличается от нервных систем всех остальных животных. Например, у них иной набор нейромедиаторов, то есть сигнальных веществ, передающих возбуждение с одной нервной клетки на другую. Создается очень сильное впечатление, что нервная система гребневиков «сконструирована» независимо, с использованием другого набора элементов, чем у червей, рыб или медуз.

Тогда получается, что нервная система возникала в разных ветвях многоклеточных животных как минимум дважды, хотя и на общей (частично) наследственной основе. В эволюционной теории такое явление называется параллелизмом.

Американский биоинформатик Бенджамин Либескинд (Benjamin J. Liebeskind) с коллегами решили собрать дополнительную информацию о ранней эволюции нервной системы, используя существующие банки нуклеотидных последовательностей. В качестве предмета исследования они выбрали структуры, необходимые каждой нервной клетке, — ионные каналы.

Ионный канал — это, по сути, очень сложная молекула белка, встроенная в клеточную мембрану и способная пропускать через нее ионы натрия, калия, хлора или кальция (сама по себе мембрана для ионов почти непроницаема). Каждый канал, как правило, пропускает только один тип ионов. Некоторые каналы открыты постоянно, но большинство из них может открываться и закрываться (рис. 1). Разные каналы открываются под действием разных факторов: это могут быть молекулы сигнальных веществ, или электрическое напряжение, или механические силы, или даже свет. Уже из этого кратчайшего описания ясно, что разнообразие ионных каналов очень велико. Физиологические роли у них бывают разные. Особенно важно, что без участия ионных каналов физически невозможна передача электрических (точнее, электрохимических) сигналов, в которой, собственно, и состоит функция любой нервной клетки.

Как и все белки, ионные каналы кодируются генами. Существуют целые семейства генов ионных каналов (генное семейство — это группа генов, происходящих от одного гена-«предка»). Следует учитывать, что те или иные ионные каналы есть не только у организмов с нервной системой и даже не только у многоклеточных, а у всех эукариот. Так что поле для изучения тут огромное.

Работа американских биоинформатиков охватывает всю совокупность ионных каналов, которые есть у представителей заднежгутиковых (Opisthokonta) — огромной эволюционной ветви эукариот, к которой относятся животные, грибы и некоторые одноклеточные. Всего у опистоконтов присутствует 16 семейств генов ионных каналов. Все эти генные семейства очень древние: как минимум 14 из них, по-видимому, уже были у общего предка опистоконтов, а для многоклеточных животных уникально и вовсе только одно. Несколько преувеличив, можно сказать, что по набору ионных каналов клетка амебы не так уж и сильно отличается от клетки человека.

Однако общий предок заднежгутиковых жил, скорее всего, больше миллиарда лет назад. И, конечно, гены ионных каналов (как и сами ионные каналы) не оставались всё это время неизменными. Число генов в каком-нибудь семействе могло существенно увеличиться за счет дупликаций (процесс, очень часто ведущий к увеличению числа генов в ходе эволюции). А могло и уменьшиться в результате потери части генов. А могло случиться сначала одно, потом другое, причем даже в той же самой эволюционной ветви. А ветвей на эволюционном древе опистоконтов очень много, и в каждой из них любое генное семейство могло эволюционировать как-то по-своему. Так что общая картина обещает быть весьма сложной.

Вначале исследователи решили оценить суммарный темп приобретения или потери генов ионных каналов в каждой из ветвей заднежгутиковых (рис. 2). Сразу выяснилось, что есть ветви, где число генов ионных каналов в основном увеличивалось, а есть ветви, где оно в основном уменьшалось. Приобретение множества новых генов ионных каналов (иными словами, расширение соответствующих генных семейств) характерно в первую очередь для животных. Массовая потеря генов ионных каналов — в основном для грибов. Но из этих правил есть и исключения. В эволюции по меньшей мере двух групп животных тоже были эпизоды массовой потери генов ионных каналов. Эти группы — вторичноротые (к которым относятся хордовые и иглокожие) и линяющие животные (к которым относятся членистоногие и круглые черви). Однако в обеих этих ветвях за массовой потерей старых генов последовало еще более массовое приобретение новых. Так что в итоге никакого обеднения не произошло — наоборот.

Следующий уровень анализа уже потребовал серьезного учета различий как между разными семействами генов ионных каналов, так и между разными группами животных. Но главный вывод можно сформулировать кратко. Увеличение числа генов ионных каналов совершенно точно шло независимо в разных ветвях животных, у общего предка которых этих генов было гораздо меньше. Этот вывод остается в силе при любом разумном начертании эволюционного древа и при любой версии происхождения нервной системы, какую бы мы ни приняли (рис. 3).

Эволюционных ветвей животных, в которых произошло значительное увеличение количества генов ионных каналов, можно назвать как минимум четыре: (1) позвоночные, (2) линяющие животные, (3) стрекающие, (4) гребневики. Оговорка «как минимум» означает, что это наверняка не все, просто в четырех перечисленных ветвях картина самая яркая. Сравнительная геномика не оставляет сомнений, что у общего предка любых из них таких генов было намного меньше. Расширение семейств генов ионных каналов было параллельным процессом.

Если вникнуть в детали глубже, мы увидим, что это расширение коснулось главным образом трех семейств (для простоты назовем их по белкам, кодируемым соответствующими генами):

• GIC - ионотропные рецепторы глутамата;
• KV - потенциалзависимые калиевые каналы;
• LIC - семейство, включающее ионотропные рецепторы к ацетилхолину (Н-холинорецепторы), ГАМК, глицину и серотонину.

Следует пояснить, что ионотропный рецептор — это просто другое название для ионного канала, открывающегося под действием какого-то сигнального вещества, как правило нейромедиатора. Ну а глутамат, ацетилхолин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), глицин и серотонин — это и есть нейромедиаторы (обычно каждый тип канала чувствителен только к одному из них). И наконец, потенциалзависимые ионные каналы — это каналы, которые открываются под действием перемены электрического напряжения. «Сухой остаток» тут следующий: все три перечисленных семейства включают в основном (если не исключительно) такие ионные каналы, функции которых больше всего подходят именно для специфической задачи передачи сигнала между нервными клетками. Этим все они отличаются, например, от гораздо более универсальных кальциевых каналов, которые преобладают у одноклеточных эукариот.

На самом деле, всё еще интереснее. У позвоночных, у линяющих и у стрекающих явно происходит сильное увеличение числа генов всех трех названных семейств: GIC, KV и LIC. У гребневиков оно тоже происходит, но касается только двух семейств: GIC и KV. Семейства LIC — самого разнообразного и многофункционального — у гребневиков просто нет, хотя у их предков оно наверняка было. Вот вам и отличие нервной системы гребневиков от нервных систем всех остальных животных. Точнее, одна из важных составляющих этого отличия.

Подчеркнем, что рост семейств GIC и KV у гребневиков при этом шел примерно так же, как у других животных. И неудивительно. Главный вывод из работы Либескинда с соавторами в том и состоит, что эффект параллелизма в эволюции нервной системы невероятно силен. Во всяком случае, на молекулярном уровне — хотя, скорее всего, это относится и к другим уровням тоже.

Всех многоклеточных животных можно грубо поделить на две эволюционные ступени: животные с нервной системой и животные, которые, по всей видимости, никогда ее не имели. К последним относятся только два современных типа: губки и пластинчатые (единственный представитель последних — трихоплакс). Проделав обработку данных, авторы заключают (вполне ожидаемо), что общий предок всех многоклеточных животных, скорее всего, имел примерно столько же ионных каналов, сколько современные животные без нервной системы. То же самое они говорят про общего предка эволюционной ветви, в которую входят двусторонне-симметричные и стрекающие. И, что самое интересное, — про общего предка хордовых тоже.

Последнее стоит пояснить. Выше говорилось, что значительное увеличение числа генов ионных каналов произошло у позвоночных. К другим хордовым это не относится. А другие хордовые — это, например, оболочники, представитель которых тоже был включен биоинформатиками в анализ. У оболочников в некоторый момент произошла потеря части генов ионных каналов — та самая, которая, видимо, коснулась всех вторичноротых в начале их эволюции. А вот почти никакого компенсирующего роста числа этих генов у оболочников, в отличие от позвоночных, не произошло. По количеству генов ионных каналов оболочники по сей день ближе к губкам и трихоплаксу, чем к позвоночным (см. рис. 2). Хотя нервная система у них всё же есть, и не такая уж примитивная. Так что связь между разнообразием ионных каналов и уровнем организации нервной системы нельзя назвать однозначной.

При всем этом не приходится сомневаться, что механизмы работы нервной системы животных в целом претерпевали постепенное усложнение, и шло оно — повторимся — в огромной степени параллельно. Американские авторы употребляют еще более сильный термин — конвергенция, что буквально означает «схождение». Слово «конвергенция» даже вынесено в заголовок статьи — со стороны авторов это серьезный шаг. Но думается всё же, что термин «параллелизм», означающий эволюционное движение нескольких ветвей в одном направлении на основе общих наследственных предпосылок, тут пока более уместен. Благо и направленность движения налицо, и предпосылки в виде большого набора общих генов — тоже.

Подготовлено по материалам: Benjamin J. Liebeskind, David M. Hillis, Harold H. Zakon. Convergence of ion channel genome content in early animal evolution // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2015. V. 112. № 8. DOI:10.1073/pnas.1501195112.

Сергей Ястребов

Источники:

1. elementy.ru