26.12.2016

Эмбриональное развитие брахиопод проливает свет на природу первично- и вторичноротости

Двусторонне-симметричные животные (билатерии) вскоре после своего появления разделились на два эволюционных ствола — Protostomia (первичноротые) и Deuterostomia (вторичноротые). Их основным отличительным признаком считается способ формирования рта: у первичноротых рот развивается из бластопора (эмбрионального рта — отверстия первичной кишки на стадии гаструлы), а у вторичноротых рот не связан с бластопором. Дело осложняется тем, что в действительности вторичноротость характерна не только для Deuterostomia, но и для ряда представителей Protostomia. Изучение эмбрионального развития двух видов брахиопод с разными способами закладки рта позволило норвежским и американским зоологам частично расшифровать молекулярно-генетические основы первично- и вторичноротости. Оказалось, что судьба бластопора связана с работой эволюционно консервативных генов — регуляторов развития, участвующих в разметке эмбриональных тканей вдоль передне-задней оси. Авторы предполагают, что связь рта с бластопором или ее отсутствие — лишь побочный эффект рисунка экспрессии генов — регуляторов развития. Переходы от одного способа развития рта к другому могли происходить многократно, и в целом данный признак не так уж много говорит об эволюционной истории изучаемых организмов.

Соотношение между бластопором и ртом взрослого организма традиционно служит важнейшим критерием в классификации билатерий, а вопрос о том, какой из способов закладки рта является эволюционно первичным, всегда считался крайне важным для понимания происхождения и ранней эволюции билатерий. Вопрос этот оказался чрезвычайно сложным, и на сегодняшний день он продолжает оставаться запутанным до крайности. К счастью, у читателей «Элементов» есть возможность детально разобраться в проблеме благодаря двум подробным статьям Сергея Ястребова.

Характерно, что в этих статьях говорится о двух прямо противоположных идеях. Согласно первой из них, исходно для билатерий была характерна первичноротость, а вторичноротость — производное состояние, которое возникло независимо у Deuterostomia и в нескольких ветвях Protostomia. Один из аргументов в пользу этой версии состоит в том, что при вторичноротости эмбриональное развитие в целом выглядит проще и логичнее, поскольку и рот, и анус сразу закладываются там, где надо. Поэтому первичноротость, сопряженную с причудливыми трансформациями и перемещениями бластопора, легче трактовать как «тяжелое эволюционное наследие», а переход к вторичноротости — как избавление от ненужных сложностей и проявление общей тенденции к рационализации развития. На рис. 2 показаны два возможных сценария, которые рассматриваются в рамках идеи об исходной первичноротости билатерий.

Альтернативную идею о первичности вторичноротости в последние годы активно развивали норвежские зоологи Хосе-Мария Мартин-Дюран (Jose Maria Martin-Duran) и Андреас Хейноль (Andreas Hejnol). Они, в частности, детально изучили развитие приапулид (представителей Protostomia, для которых характерна ярко выраженная вторичноротость) и показали глубокое сходство развития приапулид и Deuterostomia.

Важным аргументом в пользу идеи о первичности вторичноротости является распределение двух способов закладки рта на эволюционном дереве билатерий (рис. 3). Впрочем, это распределение в любом случае предполагает несколько независимых переходов от вторично- к первичноротости или наоборот.

В новой статье, написанной Мартином-Дюраном и Хейнолем в соавторстве с американскими коллегами, анализируется развитие двух видов брахиопод (см. Brachiopod). Надо сказать, что выбранные виды прекрасно подходят для изучения природы первично- и вторичноротости. Брахиоподы — представители Protostomia, однако среди них есть виды с обоими способами закладки рта. Хотя два изученных вида относятся к разным классам брахиопод, разделившимся свыше 500 млн лет назад, они очень похожи друг на друга и в начале своего эмбрионального развития (на стадиях яйца, бластулы и ранней гаструлы), и в конце (на стадии личинки). Различия затрагивают промежуточные стадии. Радикально различается способ, посредством которого из одинакового начала (яйца, бластулы, гаструлы) онтогенез приходит к одинаковому завершению (личинке).

Для первого вида, Novocrania anomala, характерна вторичноротость (рис. 1, вверху). У N. anomala, как у всех билатерий, бластопор формируется на вегетативном полюсе (см. Polarity in embryogenesis) бластулы, который соответствует заднему концу личинки. В дальнейшем бластопор лишь немного смещается с заднего конца на вентральную (брюшную) сторону, после чего он закрывается, а рот прорывается независимо от бластопора в передней части тела. Затем около заднего конца тела (но всё же не точно там, где был бластопор) прорывается анус. Проследив за судьбой клеток, прилегающих к бластопору, авторы убедились, что эти клетки не принимают участия в формировании рта или иных структур передней части тела личинки.

Для второго вида, Terebratalia transversa, характерна первичноротость (рис. 1, внизу). Ранние стадии развития мало отличаются от первого вида — вплоть до того момента, когда бластопор немного смещается на брюшную сторону. С этого момента развитие идет по-разному. В отличие от N. anomala, у T. transversa движение бластопора на этом не заканчивается: бластопор продолжает смещаться вперед, сильно вытягиваясь в передне-заднем направлении и приобретая щелевидную форму. Авторы обнаружили, что клетки переднего края движущегося бластопора активно делятся и быстро погружаются внутрь, что, по-видимому, вносит вклад в процесс смещения бластопора. В конце концов передняя часть щелевидного бластопора приближается к переднему концу зародыша и становится ртом, а задняя часть щели закрывается. Анус у T. transversa отсутствует, как и у других замковых брахиопод.

У эмбрионов обоих видов авторы изучили характер экспрессии нескольких эволюционно консервативных генов — регуляторов развития, включение которых соответствует выбору клетками своей дальнейшей «судьбы»: какие из них дадут начало передним, какие — задним эктодермальным структурам, а какие станут энто- и мезодермой. Результаты в упрощенном виде показаны на рис. 4.

Оказалось, что рисунок экспрессии «передних» и «задних» генов сильно различается у двух видов брахиопод, причем различия появляются на стадии гаструляции. У обоих видов уже на стадии бластулы на вегетативном полюсе, на месте будущего бластопора, формируется гастральная пластинка — участок, в котором начинают работать энтодермальные гены (показаны желтым цветом на рис. 4). Это значит, что клетки гастральной пластинки уже выбрали свою судьбу: они будут впячиваться внутрь и станут энтодермой. Вокруг гастральной пластинки экспрессируются «задние» гены (показаны зеленым цветом). Это справедливо для обоих видов на стадии бластулы. Расхождения начинаются на следующем этапе — во время гаструляции.

У вторичноротой N. anomala область экспрессии задних генов окружает бластопор со всех сторон на всех стадиях, вплоть до закрытия бластопора. В соответствии с этим клетки края бластопора не участвуют в формировании передних структур, в том числе рта. У первичноротой T. transversa уже на стадии гаструлы область экспрессии задних генов соприкасается с бластопором только с одной стороны — той, которая станет потом задней. В клетках противоположного (будущего переднего) края бластопора экспрессируются передние гены (показаны синим на рис. 4). В этом состоит ключевое различие между видами: у первичноротого вида область экспрессии передних генов «дотягивается» до переднего края бластопора, а у вторичноротого бластопор до конца остается со всех сторон окруженным областью экспрессии задних генов. Это отлично согласуется с тем, что у первичноротого вида клетки переднего края бластопора участвуют в формировании рта (поскольку рот относится к «передним» структурам, он должен образовываться клетками, в которых в ходе развития включаются «передние» гены).

Различия обнаружились также в закладке мезодермы (показана красным цветом на рис. 4). У вторичноротого вида мезодерма начинает дифференцироваться только на стадии гаструлы и разрастается в основном в переднем направлении (вперед от бластопора). У первичноротого вида мезодермальные клетки выбирают свою судьбу еще на стадии бластулы, и мезодерма растет по большей части назад от бластопора.

Дополнительные эксперименты показали, что различия в экспрессии передних и задних генов у двух видов брахиопод отчасти связаны с активностью сигнального каскада Wnt/в-catenin (см. Cигнальный путь Wnt), который играет у животных ключевую роль в формировании передне-задней оси тела. Искусственная гиперактивация сигнального пути Wnt при помощи вещества AZK (1-Azakenpaullone) ведет к подавлению активности передних генов и расширению области экспрессии задних. Это приводит к тому, что рисунок экспрессии этих генов у первичноротого вида T. transversa становится более похож на то, что наблюдается у вторичноротой N. anomala. Впрочем, полного сходства не получается: один из передних генов (otx) всё равно продолжает экспрессироваться на переднем краю бластопора, а задние гены evx и cdx — только на заднем. Можно ли превратить первичноротость во вторичноротость, усиливая активность сигнального пути Wnt, непонятно, потому что применение AZK ведет к грубым нарушениям дальнейшего развития: в зависимости от стадии, на которой применяется это вещество, либо блокируется гаструляция, либо у личинки не развиваются передние части тела.

Предположение о том, что в регуляции экспрессии передних и задних генов на вентральной стороне зародыша как-то задействован сигнальный путь BMP, который у многих животных играет ключевую роль в формировании дорзо-вентральной (спинно-брюшной) полярности, было проверено и не подтвердилось.

Авторы остановились на предположении, что существуют еще какие-то ранние сигналы, которые пока не удалось идентифицировать. Эти сигналы либо модулируют работу Wnt, либо действуют независимо. У первичноротого вида эти сигналы препятствуют тому, чтобы границы областей экспрессии передних и задних генов под действием сигнального пути Wnt слишком сильно смещались вперед на вентральной стороне.

Чтобы получить представление о том, насколько общий характер могут иметь выявленные у брахиопод закономерности, авторы изучили развитие кольчатого червя Owenia fusiformis, для которого характерна первичноротость. Оказалось, что у этого червя, как и у первичноротой брахиоподы T. transversa, передние гены six3/6, NK2.1, gsc, otx экспрессируются на переднем краю бластопора, а задние (evx, cdx) — только на заднем. Для близкого вида Owenia collaris, по литературным данным, характерна вторичноротость, но авторы не переизучили его развитие: наверное, сделают это в следующий раз.

На этом установленные факты заканчиваются и начинаются интерпретации и домыслы, которые в данном случае не могут не быть спорными.

По мнению авторов, полученные результаты не очень хорошо согласуются с двумя сценариями, показанными на рис. 2. «Сценарий амфистомии» предполагает некую симметричность в процессе замыкания бластопора: в случае первичноротости он должен быть щелевидным и замыкаться в своей задней части (и это действительно наблюдается у первичноротой брахиоподы Terebratalia transversa), а в случае вторичноротости он тоже должен быть щелевидным и замыкаться в своей передней части, но этого нет у вторичноротой брахиоподы Novocrania anomala: ее бластопор остается круглым и замыкается не путем схождения боковых краев, а просто зарастает. «Планулоидно-ацелоидный сценарий» предполагает очень ранее формирование дефинитивного (взрослого) рта при вторичноротости, чего тоже не наблюдается.

Казалось бы, если авторы отвергли эти два сценария, то последний оставшийся вариант — это их любимая идея о первичности вторичноротости (то есть о том, что последний общий предок билатерий был вторичноротым, а первичноротость — производное состояние, которое возникало несколько раз независимо). Как ни странно, авторы на этот раз не делают акцента на данной идее. Вместо этого они намекают, что зоологи, возможно, до сих пор придавали неоправданно большое значение способу закладки рта, который на самом деле не является таким уж важным признаком, на котором нужно основывать представления о происхождении билатерий и об анатомии их общего предка. Первично- или вторичноротость, возможно, является лишь побочным следствием более фундаментального признака, а именно паттерна экспрессии генов — регуляторов развития, в первую очередь передних и задних экто- и мезодермальных маркеров. Рот в любом случае развивается там, где экспрессируются передние гены. Если бластопор — эмбриональный рот — оказывается в нужное время в нужном месте, его можно «кооптировать», то есть использовать для построения настоящего (дефинитивного) рта. Это будет первичноротость. А если бластопора под рукой нет, то рот всё равно сформируется, где положено, но уже без участия бластопора. Это будет вторичноротость. Такая «коопция», как и отказ от нее, могли происходить многократно. Попадет ли бластопор в ту часть эмбриона, где должен сформироваться рот, зависит от того, где проходят границы областей экспрессии передних и задних генов на вентральной стороне эмбриона. Если они сдвинуты к заднему концу тела, бластопор оказывается между ними (первичноротость), если же они проходят ближе к переднему концу, то бластопор будет со всех сторон окружен областью экспрессии задних генов (вторичноротость).

Авторы сравнивают первично- и вторичноротость со знаменитыми spandrels (парусами) — архитектурными элементами, которые с легкой руки Стивена Гулда и Ричарда Левонтина стали в биологии общепринятой метафорой для признаков, не имеющих собственного адаптивного значения и являющихся побочным результатом каких-то других, действительно важных признаков (S. J. Gould, R. C. Lewontin, 1979. The Spandrels of San Marco and the Panglossian Paradigm: A Critique of the Adaptationist Programme).

Впрочем, ничто не запрещает «парусам» быть хорошими таксономическими признаками, обладать эволюционной консервативностью и нести ценную информацию о происхождении той или иной группы организмов. Кроме того, адаптивная ценность упомянутых различий в паттернах экспрессии передних и задних генов тоже не слишком очевидна.

Почему Мартин-Дюран и Хейноль в своей новой статье обходят стороной идею о первичности вторичноротости, которую они отстаивали в прежних работах? Может быть, потому, что полученные ими результаты придают дополнительный вес аргументу О. М. Ивановой-Казас, на основании которого она отвергала гипотезу о первичности вторичноротости. Сергей Ястребов пересказал этот аргумент в новости Вторичноротость может оказаться первичной для двусторонне-симметричных животных.

По мнению Ивановой-Казас, способ развития, достигнутый вторичноротыми и приапулидами, — чисто технологически самый рациональный, предполагающий минимум смещений и трансформаций. Как уже сказано, при этом способе рот и анус сразу закладываются «где надо». Переход от такого состояния к «первичноротости» кажется неоправданным усложнением, так что трудно представить давление естественного отбора, под которым он мог бы произойти. А вот обратный переход, избавляющий зародыш от необходимости перемещать или вытягивать бластопор, выглядит как раз выгодным, и не исключено, что он произошел неоднократно.

Новые данные по развитию двух видов брахиопод ясно показывают, что первичноротость по сравнению с вторичноротостью, по крайней мере в данном конкретном случае, — это просто более сложный и муторный способ добраться от одной и той же исходной точки А (бластулы) до точки Б (личинки; вспомним, что план строения ранних личинок двух видов брахиопод практически одинаков). Новые данные показали, что сложность и муторность распространяются не только на наблюдаемые морфогенетические процессы (отчаянное вытягивание и далекое переползание бластопора), но и на их молекулярно-генетический базис. Для первичноротости требуются некие дополнительные регуляторы, работающие на вентральной стороне эмбриона и препятствующие сдвигу областей экспрессии передних и задних генов вперед под действием сигнального пути Wnt.

В свете этих данных эволюционный переход от первичноротости к вторичноротости действительно выглядит более простым и вероятным (рационализация развития, связанная с утратой каких-то элементов регуляции, а не с приобретением новых), тогда как переход в обратном направлении (от вторично- к первичноротости) представляется маловероятным и, по-видимому, не нужным усложнением. В таком случае логично предположить, что исходным для билатерий способом развития была все-таки первичноротость, которая потом неоднократно замещалась вторичноротостью в разных эволюционных линиях, в том числе у последнего общего предка Deuterostomia.

Источник: Jose M. Martin-Duran, Yale J. Passamaneck, Mark Q. Martindale and Andreas Hejnol. The developmental basis for the recurrent evolution of deuterostomy and protostomy // Nature Ecologe and Evolution. 2016. V. 1. № 0005. Doi:10.1038/s41559-016-0005.

Александр Марков

Источники:

1. elementy.ru