Геном кишечнодышащих червей раскрывает происхождение глотки человека из жабр
Расшифрованные геномы двух видов морских червей проливают свет на 570-миллионолетнюю эволюцию жабр в глотку, которая сегодня дает людям способность кусать, жевать, глотать и говорить.
Черви-кишечнодышащие (acorn worms), живущие в U-образных норах на мелководье, — первые представители полухордовых, чьи геномы секвенированы. Они сохранили сходство с первыми животными, у которых появились глоточные (жаберные) щели. От этих предков в итоге произошли хордовые: животные с позвоночником и полым нервным тяжем, такие как человек и другие позвоночные.
За 570 миллионов лет, прошедших с момента расхождения линий кишечнодышащих червей и человека, глоточные щели для фильтрации пищи эволюционировали в жабры для извлечения кислорода, а позже — в современные верхнюю и нижнюю челюсти человека и глотку, включающую щитовидную железу, язык, гортань и различные железы и мышцы между ртом и горлом. Люди и другие наземные позвоночные на эмбриональной стадии действительно формируют рудиментарные жабры, которые быстро исчезают и редко сохраняются у младенцев.
«Наличие этих щелей у кишечнодышащих червей и позвоночных говорит нам, что наш последний общий предок также имел их и, вероятно, был фильтратором, как современные черви», — сказал Дэниел Роксар, один из руководителей проекта секвенирования.
Около 70% человеческих генов имеют аналоги у кишечнодышащих червей, что указывает на их древнее происхождение от общего предка.
Международная группа ученых опубликовала результаты в журнале Nature 19 ноября.
Жабры — инновация докембрия
Исследователей интересует происхождение хордовых. Полухордовые, такие как кишечнодышащие черви, — их ближайшие ныне живущие родственники среди нехордовых.
Одна из особенностей червя — десятки глоточных щелей, которые позволяют фильтровать морскую воду для сбора питательных веществ, водорослей и бактерий. Эти щели эволюционировали в жаберные щели рыб и других морских позвоночных, специализировавшись для извлечения кислорода из воды и утратив древнюю фильтрующую функцию.
«Глоточная область этих червей и всех вторичноротых — их наиболее значительная общая инновация», — отметил Джон Герхарт, старший автор исследования.
Вторичноротые, возникшие в докембрии, включают хордовых, кишечнодышащих червей (древнейших вторичноротых) и их близких родственников — иглокожих (морские звезды, морские ежи).
Генные кластеры для глотки
Ученые сравнили геномы двух видов червей (Saccoglossus kowalevskii и Ptychodera flava), разделенных 370 миллионами лет эволюции, с геномами других животных.
Оказалось, что кластеры генов, расположенные на одной хромосоме у человека, часто находятся вместе и в геноме кишечнодышащего червя. Иногда сохраняется даже локальная структура кластера, несмотря на полмиллиарда лет независимой эволюции.
Особый интерес представляет кластер из шести упорядоченных генов, которые участвуют в развитии глотки и жаберных щелей как у червей, так и у позвоночных.
«Мы считаем, что это древний кластер генов, специфичный для вторичноротых и участвующий в формировании паттерна глотки», — сказал Роксар.
Еще одним сюрпризом стало обнаружение у вторичноротых более 30 генов, не имеющих аналогов у других животных, но сходных с генами морских водорослей и бактерий. Несколько из этих генов участвуют в модификации сахаров, покрывающих наши клетки. Это либо очень древние гены, утраченные всеми другими животными, либо они были приобретены путем «горизонтального переноса» от водорослей и бактерий на ранних этапах эволюции вторичноротых.