Песочные часы в биологии развития

В статье Льва Клейна в прошлом номере ТрВ-Наука упоминался биогенетический закон Геккеля, согласно которому онтогенез повторяет филогенез, т.е. зародыш «высшего» организма (например, человека) становится в процессе развития похож на организмы, более примитивные, — рыбу, амфибию, птицу и т.д. К сожалению, этот закон не просто
неверен, но и является одним из темных пятен в истории эволюционного учения; неспроста его так любят упоминать креационисты. Геккель, искусный рисовальщик, изображал в своих книгах не то, что он видел, а то, что он хотел увидеть, исходя из идеи прогресса органического мира. Впрочем,те же креационисты забывают сказать, что современная эволюционная биология давно от этого закона отказалась.

Зато в ней сохранился более ранний по времени закон Бэра, названный в честь немецкого (как считают, например, авторы Nature [1]) ученого, одного из основателей эмбриологии, Карла Максимовича фон Бэра, родившегося в Эстляндии и прожившего большую часть жизни в России. В 1828 году он обратил внимание на то, что на определенной стадии развития зародыши всех позвоночных очень похожи друг на друга, а в ходе развития у них появляются всё более специальные признаки. Эта стадия называется филотипической, поскольку в это время появляются признаки,характерные для типа «позвоночные», и она вовсе не самая ранняя. В эмбриологии это явление получило название «модели песочных часов» — широких по краям и узких в середине.

Но, как показывает история Геккеля, морфологическое сходство — вещь обманчивая, его трудно строго определить. Зато современные методы молекулярной биологии дают возможность оценить интенсивность работы генов и сравнить ее у разных организмов. Это сделала группа ученых из дрезденского Института молекулярной биологии и генетики Общества Макса Планка [2]. Они измерили интенсивность работы генов в шести видах плодовых мушек, эволюционно находящихся друг от друга на разных расстояниях — от совсем близких друг к другу Drosophila melanogaster и D. simulans до далекой от них D. virilis (эволюционное расстояние между ними примерно как меж-
ду человеком и мышью). Измерения производились на зародышах каждые два часа, после чего на каждом временном срезе сравнивались интенсивности, полученные для разных видов. Оказалось, что, как и предсказывает модель песочных часов, межвидовые различия на ранних и поздних стадиях значимо больше, чем в середине эмбрионального развития.

Но можно пойти и по другому пути. Сравнивая геномы современных организмов, можно определить время возникновения отдельных генов и, таким образом, приписать каждому гену его эволюционный возраст: от самых древних, имеющихся практически у всех современных организмов, вплоть до бактерий, до молодых, специфичных для узких таксономических групп. Затем можно измерить средний возраст генов, работающих на той или иной стадии развития. Это сделала группа из другого Макс-Планковского института — Института эволюционной биологии в Плёне [3]. Ученые экспериментально исследовали работу генов у аквариумной рыбки Danio rerio, одного из стандартных модельных организмов в биологии развития.Уровень работы генов измеряли в 60 точках, от оплодотворенной икринки до стареющих особей. Оказалось, что древние гены работают относительно равномерно в течение всего развития, в то время как более молодые — на ранних или поздних стадиях. Аналогичные результаты были получены при анализе доступных в литературе данных, полученных другими авторами в других целях: на тех же плодовых мушках, на комарах и нематодах.

Итак, что же оказывается: молодые, специализированные гены работают преимущественно на ранних и поздних стадиях развития, и, видимо, именно различия в работе этих генов вызывают межвидовые различия — этот естественный вывод, строго говоря, надо подтвердить анализом данных, поскольку ни в одной из работ он впрямую не проверялся, но он кажется очень правдоподобным. Для поздних стадий развития это совсем естественно, ведь по закону Бэра именно тогда устанавливаются специфичные признаки. Для ранних же стадий дело, видимо, в том, что в это время идет наработка клеточного массива и тонкие детали не очень существенны. В то же время — как уже давно увидели эмбриологи -именно на средних стадиях развития закладываются основы плана строения тела и у позвоночных, и у насекомых. Это требует тщательной координации работы всех функциональных систем. Соответственно, при этом задействованы самые древние гены, образующие устойчивые регуляторные сети.

Михаил Гельфанд

1. B.Prud’Homme, N.Gompel. Genomic hourglass. Nature 468: 768-769 (2010).
2. A.T.Kalinka ,…,P.Tomancak. Gene expression divergence recapitulates the developmental hourglass model. Nature 468: 811-814 (2010).
3. T.Domazet-LoSo, D.Tautz. A phyloge-netically based transcriptome age index mirrors ontogenetic divergence patterns. Nature468: 815-818 (2010).