Миноги помогли проследить эволюцию мозга позвоночных животных

Исследователи из Института биоорганической химии (ИБХ) РАН и Института проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова обнаружили у миноги, самого древнего из ныне живущих позвоночных животных, гомеобоксный ген Anf/Hesx1. Результаты исследования, опубликованного в журнале Scientific Reports, подтверждают гипотезу о том, что появление этого гена у позвоночных создало условия для возникновения сложного головного мозга.

Одна из самых важных эволюционных «инноваций», возникших у позвоночных животных, — это их сложный головной мозг. В целом генетические механизмы, регулирующие ранее эмбриональное развитие головного мозга у позвоночных и беспозвоночных, очень сходны. Однако какие механизмы лежат в основе очевидных различий между сложным мозгом позвоночных и простым мозгом беспозвоночных, до сих пор оставалось непонятным.

Ранее та же исследовательская группа обнаружила у позвоночных животных Anf/Hesx1. Он относится к группе генов гомеобокса, которые играют ключевую роль в процессах роста и дифференцировки тканей и органов. Этот ген, позже найденный у представителей большинства классов позвоночных, регулирует ранние этапы развития конечного мозга — самого переднего отдела головного мозга, состоящего из полушарий большого мозга, мозолистого тела, полосатого тела и обонятельного мозга. На основе этих данных исследователи предложили гипотезу, согласно которой возникновение конечного мозга у позвоночных было связано с появлением у их предков уникального для этой группы животных гена Anf/Hesx1. Однако у гипотезы был один серьезный недостаток: этот ген не удавалось найти в геноме круглоротых — самой базальной группы позвоночных, включающей миксин и миног.

В новом исследовании ученые наконец обнаружили ген Anf/Hesx1 у трех видов миног: Petromyzon marinus, Lethenteron camtschaticum и Lethenteron fluviatilis. Проанализировав экспрессию этого гена у эмбрионов миног, авторы показали, что паттерны его экспрессии в целом очень сходны с паттернами экспрессии у других позвоночных. Как и у других позвоночных, он ингибирует экспрессию другого гомеобоксного гена, регулирующего развитие мозга — Otx2, и стимулирует экспрессию маркерного гена конечного мозга, FoxG1.

Однако временные паттерны экспрессии Anf/Hesx1 оказались немного другими по сравнению с остальными позвоночными животными. У всех остальных позвоночных экспрессия этого гена достигает максимума к концу гаструляции и падает на стадии фарингулы (следующей после стадии нейрулы). У миног, напротив, экспрессия Anf/Hesx1 достигает максимума на стадии фарингулы и падает только на стадии вылупления из яйцевых оболочек. Также позже, чем у остальных позвоночных, у миног экспрессируется и ген FoxG1. Все это говорит о том, что у миног программа специализации конечного мозга запускается гораздо позже, чем у остальных позвоночных.

Как заключают авторы, результаты хорошо согласуются с идеей Эрнста Геккеля о том, что чем позже в эмбриональном развитии появляются какие-либо эволюционные инновации, тем с большей вероятностью они будут приняты естественным отбором — потому что в таком случае они в меньшей степени нарушают программу развития эмбриона. Тот факт, что у миноги, самого древнего позвоночного, специализация конечного мозга происходит позже, чем у остальных позвоночных, говорит о том, что у предков позвоночных конечный мозг возник именно на относительно поздних стадиях эмбрионального развития. Позже, в ходе эволюции позвоночных, развитие конечного мозга, судя по всему, сдвинулось на более ранние стадии эмбриогенеза — что также согласуется с идеями Геккеля.

Софья Долотовская