Новые данные указывают на независимое формирование центральной нервной системы в разных группах животных
Предполагалось, что центральная нервная система (ЦНС) билатерий возникла единожды и имелась уже у их последнего общего предка. В пользу этой гипотезы свидетельствует сходство спинно-брюшной генетической «разметки» ЦНС у позвоночных, кольчатого червя Platynereis и, отчасти, дрозофилы.
Новое исследование скандинавских биологов поставило под сомнение эту идею.
Рис. 1. Эволюция центральной нервной системы (ЦНС). a — упрощенное эволюционное дерево двусторонне-симметричных животных (билатерий).
У последнего общего предка билатерий и книдарий (Cnidarian — bilaterian ancestor) нервная система (показана синим) представляла собой диффузную сеть (Nerve net). Для билатерий характерна центральная нервная система (ЦНС), представленная одним или несколькими продольными нервными стволами и развившаяся из диффузной нервной системы путем «концентрации» (Nerve condensation).
Справа показаны туловища животных в поперечном разрезе (Trunk cross section), синие точки — нервные стволы. b — сходство генетической разметки ЦНС у позвоночных, дрозофилы и кольчатого червя Platynereis dumerilii. Это сходство — аргумент в пользу единого происхождения ЦНС билатерий, поставленный под сомнение в обсуждаемой статье.
Разноцветными полосками показаны зоны экспрессии пяти «дорзо-вентральных» транскрипционных факторов (nkx2.2, nkx6, pax6, pax3/7, msx). От работы этих регуляторных белков зависит развитие разных типов нейронов: 5-HT — серотониновые нейроны (красные точки), ACh motor — ацетилхолиновые моторные (желтые точки),
Trunk sensory — туловищные сенсорные (синие точки).
Изображение из обсуждаемой статьи в Nature
Авторы изучили развитие ЦНС у девяти видов животных, относящихся к пяти типам, в том числе у другого представителя кольчатых червей. Во всех девяти случаях генетическая разметка ЦНС оказалась не такой, как у позвоночных и Platynereis.
В свете новых данных более правдоподобной становится версия о независимом формировании ЦНС в разных группах билатерий, общий предок которых имел нецентрализованную (диффузную) нервную систему. Кроме того, исследование показало, что генетическая разметка ЦНС может радикально меняться в ходе эволюции, что ведет, с одной стороны, к глубоким различиям между родственными формами (как у двух видов кольчатых червей), с другой — к конвергентному сходству неродственных групп (как у позвоночных и Platynereis).
Эволюционно исходным состоянием нервной системы животных считается диффузная сеть (Nerve net на рис. 1, а).
Скорее всего, именно так была устроена нервная система у последнего общего предка книдарий и билатерий.
Почти у всех билатерий имеется центральная нервная система (ЦНС), основу которой составляют один или несколько продольных нервных стволов. Например, у членистоногих и кольчатых червей такой ствол один — это брюшная нервная цепочка.
У хордовых — тоже один, это спинная нервная трубка (напомним, что спинная сторона хордовых гомологична брюшной стороне других билатерий). Для многих других типов билатерий характерно два или более нервных стволов (рис.
1, а).
Считается, что ЦНС сформировалась путем концентрации диффузной сети в плотные продольные тяжи (см.: Общий предок вторичноротых мог быть похож на хордовое, «Элементы», 18.03.2015). Остается неясным, произошла ли эта эволюционная трансформация единожды (в таком случае ЦНС была уже у последнего общего предка билатерий), или она происходила несколько раз независимо (и тогда у общего предка билатерий, скорее всего, еще была диффузная нервная система).
Важным аргументом в пользу первой версии (о едином происхождении ЦНС) является сходный рисунок экспрессии транскрипционных факторов (ТФ) в развивающейся нервной системе у представителей трех основных ветвей билатерий (Deuterostomia, Ecdysozoa, Spiralia), а именно у позвоночных, дрозофилы и кольчатого червя Platynereis dumerilii (A. S. Denes et al., 2007.
Molecular architecture of annelid nerve cord supports common origin of nervous system centralization in bilateria). Особенно впечатляет почти одинаковое «ступенчатое» расположение перекрывающихся зон экспрессии ТФ у позвоночных и Platynereis (рис.
1, b).
У этих животных прослеживаются сходные корреляции между экспрессией «дорзо-вентральных» (то есть экспрессирующихся в определенном порядке вдоль спинно-брюшной, или дорзо-вентральной оси) ТФ и формированием различных типов нейронов ЦНС. А именно, серотониновые нейроны формируются там, где экспрессируются транскрипционные факторы nkx2.2 и nkx6, холинэргические моторные нейроны — там, где активны гены nkx6 и pax6, вставочные нейроны dbx+ формируются в области совместной экспрессии pax6 и pax3/7; наконец, там, где одновременно включены гены pax3/7 и msx, развиваются сенсорные нейроны.
Области экспрессии этих генов сходным образом распределены вдоль дорзо-вентральной оси, с поправкой на то, что спинная сторона позвоночных соответствует брюшной стороне кольчатого червя и дрозофилы.
Казалось бы, проще всего это сходство объяснить тем, что ЦНС в виде единого брюшного нервного ствола была уже у последнего общего предка позвоночных, червя и мухи (Nephrozoan ancestor на рис. 1, а; Nephrozoa — это все билатерии за вычетом ксенацеломорф, о которых пойдет речь ниже).
Правда, у некоторых животных с большим числом нервных стволов (в том числе у показанных на рис. 1, а полухордовых, нематод и плоских червей) не удалось обнаружить такой дорзо-вентральной генетической разметки ЦНС, как у позвоночных, Platynereis и дрозофилы.
Но это можно интерпретировать как вторичную модификацию — уклонение от исходного плана строения. Иными словами, можно предположить, что эти группы вторично утратили единый брюшной нервный ствол, заменив его несколькими параллельными, а заодно и отказались от унаследованной от предков системы дорзо-вентральной разметки ЦНС.
Альтернативная возможность состоит в том, что у предка не было ЦНС, в разных группах билатерий нервные стволы возникали независимо, а сходство между позвоночными, мухой и червем — результат конвергентной эволюции.
Внести ясность в этот запутанный вопрос попытались известные специалисты по сравнительной анатомии и филогении животных Хосе-Мария Мартин-Дюран (Jose Maria Martin-Duran) и Андреас Хейноль (Andreas Hejnol) совместно с коллегами из научных учреждений Норвегии, Дании и Швеции (о других работах этих ученых рассказано в новостях Эмбриональное развитие брахиопод проливает свет на природу первично- и вторичноротости, «Элементы», 26.12.2016; Вторичноротость может оказаться первичной для двусторонне-симметричных животных, «Элементы», 06.09.2015).
Авторы изучили экспрессию «дорзо-вентральных» ТФ и развитие нервной системы у представителей пяти типов билатерий: ксенацеломорф, представляющих собой сестринскую группу по отношению ко всем остальным билатериям — «нефрозоям» (см.: Ксенотурбеллиды оказались близки к предкам двусторонне-симметричных животных, «Элементы», 15.02.2016), и четырех типов Spiralia: коловраток, брахиопод, немертин и кольчатых червей (рис. 2).
Рис. 2. Изученные виды и их положение на эволюционном дереве
Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
У ксенацеломорф встречается как диффузная нервная система (сеть без стволов), так и комбинация нервной сети с различным числом по-разному расположенных продольных стволов (рис. 1, а).
В развитии всех четырех изученных авторами видов ксенацеломорф присутствует типичная для билатерий (и отчасти даже для книдарий, см.: Обнаружено фундаментальное сходство между развитием актинии и развитием позвоночных, «Элементы», 02.06.2016) древняя, эволюционно консервативная генетическая разметка эктодермы вдоль передне-задней и спинно-брюшной осей. В частности, сигнальные белки BMP производятся на брюшной стороне, а их антагонисты — на спинной (H.
Meinhardt, 2015. Dorsoventral patterning by the Chordin-BMP pathway: a unified model from a pattern-formation perspective for drosophila, vertebrates, sea urchins and nematostella).
Однако ничего похожего на «ступенчатую» спинно-брюшную разметку ЦНС, характерную для позвоночных и Platynereis, у ксенотурбеллид не обнаружилось. В частности, авторам удалось показать, что экспрессия nkx6 и pax6 у ксенацеломорф не связана с формированием моторных нейронов, а сигнальный путь BMP, блокирующий закладку ЦНС у позвоночных и дрозофилы (и поэтому ЦНС у них закладывается на стороне тела, противоположной той, где экспрессируется BMP), не обладает такой функцией у ксенацеломорф.
Авторы заключают, что «анти-нервная» (anti-neural) функция BMP развилась уже после отделения предков ксенацеломорф от других билатерий, хотя для формирования дорзо-вентральной оси тела (или ее аналога — «директивной» оси коралловых полипов) этот сигнальный каскад служил еще у общего предка книдарий и билатерий.
У двух видов брахиопод (Terebratalia transversa и Novocrania anomala; ранее на этих же видах авторы изучали природу первично- и вторичноротости, см.: Эмбриональное развитие брахиопод проливает свет на природу первично- и вторичноротости, «Элементы», 26.12.2016) распределение областей экспрессии «дорзо-вентральных» ТФ nkx2.2, nkx6, pax6, pax3/7 и msx в эктодерме личинки отдаленно напоминает то, что наблюдается у позвоночных и Platynereis. Однако у брахиопод работа этих генов слабо связана с развитием ЦНС.
Они явно участвуют в разметке эктодермы, но их роль в закладке нервной системы, по-видимому, минимальна. Так, у Terebratalia transversa одна из областей формирования серотониновых нейронов на брюшной стороне личинки совпадает с областью совместной экспрессии nkx2.2 и nkx6, но на этом сходство с позвоночными и Platynereis заканчивается.
У другой брахиоподы, Novocrania anomala, тоже есть область совместной экспрессии этих двух генов на брюшной стороне, однако никаких серотониновых нейронов там не образуется.
Аналогичная картина, свидетельствующая об отсутствии четких связей между ЦНС и дорзо-вентральными ТФ, выявилась и при изучении коловратки Epiphanes senta.
У немертины Lineus ruber обнаружилось больше сходства с позвоночными, дрозофилой и Platynereis, чем у ксенацеломорф, брахиопод и коловраток, но сходство всё равно неполное. У немертины наблюдается «ступенчатый» рисунок экспрессии дорзо-вентральных ТФ в эктодерме, примерно как у позвоночных и Platynereis.
Кроме того, прослеживается связь между областями их экспрессии и расположением двух брюшных нервных стволов. Клетки, экспрессирующие nkx2.2, экспрессируют также tph — маркер серотониновых нейронов, а экспрессия nkx6 совпадает с экспрессией одного из маркеров моторных нейронов (Hb9).
Наконец, у кольчатого червя Owenia fusiformis как рисунок экспрессии дорзо-вентральных ТФ, так и характер их связи с развитием нейронов ЦНС оказались, во-первых, разными на разных стадиях развития (личинки и молодого червя), во-вторых, мало похожими на то, что наблюдается у Platynereis dumerilii. Это значит, что даже в пределах одного и того же типа животных способы генетической регуляции развития ЦНС могут быть разными.
Нужно иметь в виду, что кольчатые черви — единственный тип Spiralia, у которого ЦНС представлена непарным брюшным нервным стволом. Этот нервный ствол, безусловно, гомологичен у Owenia и Platynereis.
Таким образом, нервная система у двух червей одна и та же, а регуляторные генные сети, управляющие ее развитием — разные.
Главные результаты исследования суммированы на рис. 3.
Рис. 3. Основные результаты обсуждаемой работы.
Слева (а) суммированы данные по экспрессии дорзо-вентральных ТФ (nkx2.2, nkx6, pax6, pax3/7, msx). Показаны схемы животных в поперечном разрезе.
Под каждой схемой горизонтальными линиями обозначены области экспрессии ТФ, для которых прослеживается связь с развитием ЦНС. Те ТФ, для которых такой связи не обнаружено, отмечены пустыми кружками (Unrelated expression).
Пунктирные линии означают, что ген экспрессируется не по всей длине туловища. Справа (b) показана реконструкция эволюционной истории ЦНС.
Зелеными звездочками показаны моменты появления единого нервного ствола (спинного или брюшного), сиреневыми звездочками — моменты появления генетической разметки нервного ствола с использованием «дорзо-вентральных» ТФ.
Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Таким образом, две яркие особенности, характерные для позвоночных, кольчатого червя Platynereis и, в меньшей степени, дрозофилы («ступенчатый» рисунок экспрессии дорзо-вентральных ТФ и его тесная связь с закладкой ЦНС), по-видимому, не так уж широко распространены в животном царстве. Их не удалось обнаружить (по крайней мере в чистом виде) ни у базальных билатерий (ксенацеломорф), ни у представителей четырех ветвей спиралий, включая даже другого кольчатого червя.
Из этого следует, что удивительное сходство данных признаков у позвоночных и Platynereis (рис. 1, b) вряд ли объясняется наследованием от общего предка.
Намного вероятнее, что оно возникло в результате конвергентной эволюции. Получается, что это сходство уже нельзя считать сильным аргументом в пользу того, что у общих предков Nephrozoa (или всех билатерий) была ЦНС в виде брюшного нервного ствола с дорзо-вентральной разметкой (этот эволюционный сценарий изображен слева на рис.
4). Скорее, у предков была диффузная нервная система, а затем в разных ветвях независимо формировались те или иные нервные стволы (рис.
4, справа).
Рис. 4. Два сценария эволюции ЦНС.
В первом случае (Scenario А) единые нервные стволы, расположенные по средней линии (спинная нервная трубка у хордовых, брюшная нервная цепочка у членистоногих и кольчатых червей) имеют общее происхождение, то есть являются гомологичными структурами. Во втором случае (Scenario B) они появились три раза независимо.
Первый сценарий предполагает очень много независимых утрат единого нервного ствола (красные кружочки) и дорзо-вентральной разметки ЦНС (красные крестики), что делает его менее правдоподобным.
Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature
Транскрипционные факторы, которые у позвоночных и Platynereis используются для дорзо-вентральной разметки ЦНС, изначально служили лишь для общей разметки эктодермы и не были непосредственно связаны с нервной системой. В дальнейшем они неоднократно «рекрутировались» для управления развитием нервных стволов и отдельных типов нейронов в них, иногда с очень похожими результатами.
Это довольно обычный сценарий для генетических регуляторов высоких уровней: ведь они, по сути дела, являются просто генетическими переключателями, которым всё равно, что переключать (Найден ген, отвечающий за эволюцию окраски у бабочек, «Элементы», 31.08.2011). Например, ген distal-less (dll) с одинаковым успехом командует не только закладкой конечностей и разных других выростов тела у многих животных, но и глазков на крыльях бабочек (S.
B. Carroll et al., 1994. Pattern formation and eyespot determination in butterfly wings).
Из-за этого возможности использования высокоуровневых регуляторов развития для решения вопросов о гомологии тех или иных органов оказываются, к сожалению, довольно ограниченными. С одной стороны, явно негомологичные структуры могут развиваться под контролем одних и тех же генов.
Никто ведь не станет утверждать, что глазки на крыльях бабочек гомологичны ногам, поскольку их закладкой управляет один и тот же ген dll. С другой стороны, явно гомологичные структуры, такие как брюшные нервные цепочки аннелид Platynereis и Owenia, могут развиваться под управлением разных наборов регуляторных генов.
С третьей стороны, некоторые функции регуляторных генных сетей все же отличаются высокой консервативностью, как, например, участие белков BMP в дорзо-вентральной разметке эмбрионов животных.
Статья опубликована в журнале Nature
Источник: Александр Марков elementy.ru
