Пресс-центр / новости / Наука /
Открытие четырех генов семейства Noggin у миног согласуется с гипотезой о двух раундах геномных дупликаций у предков позвоночных
Сотрудники Лаборатории молекулярных основ эмбриогенеза, совместно с коллегой из ИПЭЭ им. Северцова, впервые описали четыре гена семейства Noggin у древнейших представителей позвоночных - миног, и провели сравнение их структуры, экспрессии и некоторых особенностей функционирования с таковыми известных генов данного семейства у других позвоночных.
Kucheryavyy AV,
Согласно современной точке зрения, генетической основой возникновения позвоночных, в том числе, человека, были дупликации предкового генома беспозвоночных. Вследствие таких дупликаций возникли дополнительные копии многих регуляторных генов. Будучи выведенными из-под сдерживающего давления естественного отбора, эти новые гены получили возможность относительно свободно модифицировать свою структуру и функции, и, как следствие, изменять индивидуальное развитие и финальное строение организмов. В результате у позвоночных возникли многие важные анатомические и функциональные инновации, отсутствующие у всех остальных животных. В частности, одной из таких инноваций стало появление у позвоночных нового отдела мозга - т.н. конечного мозга. Развиваясь и совершенствуясь в процессе эволюции, именно этот новый отдел мозга, обеспечил возникновение таких форм высшей нервной деятельности, которые есть сегодня у человека.
Хотя идея о дупликациях предкового генома на ранних этапах эволюции позвоночных была впервые выдвинута еще в 1970 году, вопросы об их количестве, масштабе (полногеномные или локальные) и о том, на каком этапе эволюции они происходили, активно обсуждаются до сих пор. Одним из способов ответить на этот вопрос является сравнение геномов и особенностей индивидуального развития челюстноротых позвоночных (рыбы, амфибии, птицы и млекопитающие) с таковыми у представителей наиболее древней группы из современных позвоночных - бесчелюстными (миноги и миксины). Поскольку разделение ветвей бесчелюстных и челюстноротых произошло на самых ранних стадиях эволюции позвоночных, структура генома и механизмы индивидуального развития у современных бесчелюстных во многом представляют собой как бы "законсервированный" вариант генома и механизмов развития, характерных для самых первых позвоночных. Благодаря этому, сравнение геномов и эмбрионального развития бесчелюстных и челюстноротых может помочь реконструировать эволюционную историю и понять механизмы, обеспечившие появление анатомических и функциональных инноваций у позвоночных.
Удобными объектами для таких исследований являются "живые ископаемые" - миноги. В настоящей работе мы провели поиск, изучение геномной структуры и особенностей экспрессии у миног генов семейства Noggin. Ранее нами, а также другими авторами, были описаны три гена данного семейства у челюстноротых позвоночных, включая человека. Было показано, что секретируемые белки, кодируемые данными генами, регулируют BMP, Activin/Nodal и Wnt сигнализацию и, как следствие, многие аспекты индивидуального развития, в том числе, раннее развитие конечного мозга.
В настоящей работе мы впервые установили, что, в отличие от челюстноротых позвоночных, геном миног содержит четыре гена Noggin. Нами были изучены локальная геномная синтения и филогения данных генов, а также исследованы паттерны их экспрессии и консерватизм некоторых функциональных свойств. Было показано, что гены миноги, названные нами NogginA и NogginC, являются ортологами гена Noggin1 челюстноротых позвоночных, а ген, названный NogginB, - гена Noggin2. NogginB миноги так же, как и ген Noggin2 челюстноротых, активно экспрессируется в области конечного мозга, начиная с самых ранних стадий его развития, и в функциональных тестах проявляет повышенную способность индуцировать головные структуры. Четвертый ген миноги, NogginD, обнаружил много общего с геном Noggin4 челюстноротых, который, как мы показали ранее, специфично регулирует Wnt-сигнализацию.
На основании полученных данных и с учетом того, что в геномах ближайших беспозвоночных родственников позвоночных – ланцетников и асцидий - есть только один ген семейства Noggin, мы провели сравнение возможных сценариев эволюции генов данного семейства у позвоночных. В результате был сделан вывод, что наиболее вероятным сценарием является тот, который предполагает два раунда полногеномных дупликаций предкового генома, характерного для современных беспозвоночных, которые произошли в Протерозойскую эру, около 550-520 миллионов лет назад, на самых ранних этапах эволюции позвоночных, т.е. еще до их разделения на ветви бесчелюстных и челюстноротых.
Работа выполнена при поддержке РФФИ и РНФ и опубликована в новом журнале Nature Publishing Group - Communications Biology, IF 4.165, Q1
10 сентября 2020 года