Исследование показало, что 8600 семейств генов являются общими для deuterostomes, большой группы животных, которая включает в себя множество организмов, от желудевых червей до звездчатых рыб, от лягушек до собак и людей. Это означает, что примерно 70% наших генов ведут свою родословную от первоначального дейтеростома.
Сравнивая геномы желудевых червей с другими животными, ученые OIST сделали вывод о наличии этих генов у общего предка всех дейтеростомов, вымершего животного, жившего полмиллиарда лет назад. Это исследование показывает, что глоточный кластер генов уникален для дейтеростомов и может быть связан с развитием глотки, области, которая соединяет рот и нос с пищеводом у людей. Эти результаты были опубликованы в журнале Nature и обобщают результаты международного сотрудничества исследователей OIST и команд из США, Великобритании, Японии, Тайваня и Канады.
Около 550 миллионов лет назад огромное количество животных ворвалось на мир в результате события, известного как кембрийский взрыв. Это эволюционное излучение выявило несколько новых строений тела животных и навсегда изменило жизнь на Земле, поскольку появились сложные животные со специализированным кишечником и особенностями поведения. Благодаря секвенированию генома нескольких современных животных из группы дейтеростомов мы можем вернуться во времени, чтобы раскрыть аспекты давно потерянного предка этой разнообразной группы животных.Желудевые черви — морские существа, которые живут на дне океана и питаются, фильтруя постоянный поток морской воды через щели в области кишечника между ртом и пищеводом.
Эти щели отдаленно связаны с жабрами рыб и представляют собой важнейшее новшество в эволюции, не присущее животным, таким как мухи или дождевые черви. Поскольку желудевые черви занимают столь важное эволюционное положение по сравнению с людьми, исследователи секвенировали два отдаленно родственных вида желудевых червей, Ptychodera flava, собранные на Гавайях, и Saccoglossus kowalevskii, обитающие в Атлантическом океане. «Их геномы необходимы, чтобы заполнить пробел в нашем понимании генов, общих предков всех дейтеростомов», — объясняет доктор Олег Симаков, ведущий автор этого исследования.Действительно, помимо секвенирования этих двух организмов, команда также была заинтересована в выявлении семейств древних генов, которые уже присутствовали в предке, состоящем из дейтеростома. Команда сравнила геномы двух желудевых червей с геномами 32 различных животных и обнаружила, что около 8600 семейств генов гомологичны, то есть эволюционно связаны между собой во всех дейтеростомах, и поэтому можно с уверенностью предположить, что они присутствовали также в геном их дейтеростомного предка.
Человеческие руки, крылья птиц, лапы кошек и ласты китов — классические примеры гомологии, потому что все они произошли от конечностей общего предка. Как и в случае с анатомическими структурами, гомология генов определяется с точки зрения общего происхождения. Из-за более поздних дупликаций генов и других процессов эти 8600 гомологичных генов соответствуют по крайней мере 14000 генам, или примерно 70% текущего генома человека.
Исследование также выявило близкие друг к другу кластеры генов в геномах желудевых червей и в геномах человека и других позвоночных. Древняя близость этих кластеров генов, сохранившаяся более полумиллиарда лет, предполагает, что гены могут функционировать как единое целое. Особый интерес представляет один кластер генов, связанный с развитием глотки у позвоночных и желудевых червей. Он характерен для всех deuterostomes, но не присутствует у животных без deuterostome, таких как насекомые, осьминоги, дождевые черви и плоские черви.
Глотка желудевых червей и других животных фильтрует пищу и направляет ее в пищеварительную систему. У человека этот кластер активен в формировании щитовидной железы и глотки. Ученые предполагают, что существует связь между функцией современной щитовидной железы и фильтрующим механизмом питания желудевых червей.
Этот кластер глоточных генов содержит шесть генов, упорядоченных по общему образцу во всех дейтеростомах, и включает гены четырех белков, которые являются критическими регуляторами транскрипции, контролирующими активацию множества других генов. Гены, упорядоченные таким же образом и расположенные рядом друг с другом в хромосомной ДНК, связаны и передаются вместе от одного поколения к другому. Интересно, что не только ДНК, которая кодирует эти гены факторов транскрипции, является общей для дейтеростомов, но также некоторые части ДНК, которые используются в качестве сайтов связывания для факторов транскрипции, сохраняются у этих животных.
«Наш анализ геномов желудевых червей дает представление о сложности наших кембрийских предков и подтверждает древнюю связь между развитием глотки и образом жизни с фильтрующим питанием, которая в конечном итоге внесла свой вклад в нашу эволюцию», — объясняет д-р Симаков.Недавно команда OIST также секвенировала геномы осьминога и коралла Porites australiensis.