Черновые последовательности генома двух видов желудевых червей, которые живут в U-образных норах на мелкой солоноватой воде, являются первыми геномами полухордовых, которые сохраняют сходство с первыми животными, у которых образовались глоточные или «жаберные» щели. Эти предки в конечном итоге дали начало хордовым: животным с позвоночником и полыми нервными связками, таким как люди и другие позвоночные.
С тех пор как желудевые черви и человеческое происхождение разошлись 570 миллионов лет назад, глоточные щели для фильтрации пищи превратились в жабры для извлечения кислорода, а позже в сегодняшнюю верхнюю и нижнюю челюсть и глотку человека, которые включают щитовидную железу, язык, гортань (голосовой ящик). и различные железы и мышцы между ртом и горлом. У людей и других наземных позвоночных на самом деле появляются рудиментарные жабры в зародыше, хотя они быстро исчезают и редко сохраняются у младенцев.
«Присутствие этих щелей у желудевых червей и позвоночных животных говорит нам о том, что они были у нашего последнего общего предка и, вероятно, он был фильтрующим питателем, подобным сегодняшним желудевым червям», — сказал Дэниел Рохсар, один из руководителей секвенирования и Калифорнийский университет в Беркли. профессор молекулярной и клеточной биологии и физики. «Желудевые черви — морские беспозвоночные, которые, несмотря на свою явно беспозвоночную форму, тем не менее, входят в число наших ближайших беспозвоночных родственников».«Это уродливый зверь», — признал Джон Герхарт, старший автор отчета и профессор аспирантуры Калифорнийского университета в Беркли. «Желудевые черви сильно отличаются от хордовых, что делает особенно удивительным то, что они и хордовые, как и люди, так похожи на геномном, онтогенетическом и клеточно-биологическом уровнях».Фактически, около 70 процентов генов человека имеют аналоги у желудевых червей, что позволяет предположить, что это древние гены, унаследованные от общего предка.
В исследовательскую группу вошли ученые из Калифорнийского университета в Беркли; Аспирантура Окинавского института науки и технологий в Онне, Окинава, Япония; Морская станция Хопкинса Стэнфордского университета; Медицинский колледж Бейлора в Техасе и Соединенном Королевстве. Они опубликовали свои выводы в выпуске журнала Nature от 19 ноября.
Рохсар, который возглавляет отдел молекулярной генетики OIST в качестве приглашенного профессора, и Нори Сато, руководитель отдела морской геномики OIST, возглавили проект.Джиллс — докембрийское нововведениеГерхарт изучает желудевых червей в течение 15 лет, в частности атлантический вид Saccoglossus kowalevskii, отслеживая гены, ответственные за развитие от яйца до взрослой особи. Десять лет назад он впервые предложил секвенировать его геном.
«Меня интересует происхождение хордовых, которые, конечно, произошли от нехордовых, а полухордовые, такие как желудевой червь, наиболее близки к этой линии», — сказал он. «Поэтому важно сравнить развитие и геномы нашей группы, хордовых, с полухордовыми, если вы хотите знать, какими характеристиками действительно обладал общий предок».Это небольшое поле.
Лишь несколько лабораторий по всему миру изучают желудевых червей, которых сложно выращивать в резервуарах. По словам Герхарта, они в значительной степени игнорировались с тех пор, как биологи впервые описали их в 1800-х годах. Такие лаборатории возглавляют несколько соавторов статьи: Крис Лоу из Морской станции Хопкинса, бывший научный сотрудник Герхарта, Марк Киршнер из Гарвардского университета и Нори Сато из Японии.
Одна из особенностей желудевого червя — это его десятки глоточных щелей, которые позволяют ему фильтровать прокачиваемую через них морскую воду, чтобы улавливать питательные вещества, водоросли и бактериальную добычу. Эти щели превратились в жаберные щели рыб и других морских позвоночных, которые стали специализироваться на извлечении кислорода из воды и в процессе этого утратили свою древнюю роль фильтрационного питания.Герхарт, который пришел к пониманию биологии червя, сказал, что уникальная пальцеобразная «голова» или хоботок желудевого червя используется для зондирования песка на наличие в основном одноклеточных водорослей и бактерий, которые затем повторно приостанавливаются. в воду, которую нужно всасывать и фильтровать через жаберные щели.
"Жаберные щели хороши тем, что через них можно пропускать большие объемы воды для сбора пищи; они обеспечивают высокую пропускную способность фильтрации и кормления, в то время как другие животные делают один глоток, обрабатывают пищу одним глотком, изгоняют вылейте воду изо рта и сделайте еще один глоток », — сказал он. «Зона глотки этих червей и всех дейтеростомов является их наиболее значительным общим нововведением».Дейтеростомы, возникшие в докембрийскую эпоху, включают хордовых, желудевых червей — самых древних дейтеростомов — и их близких родственников, иглокожих, в том числе морских звезд и морских ежей.
Deuterostomes и другая группа, протостомы — 25 типов, включающих насекомых, моллюсков и кольчатых червей, таких как дождевые черви, — включают всех двусторонне-симметричных животных.Генные кластеры глоткиВ то время как ученые из Бэйлора собирали первоначальный проект последовательности генома Saccoglossus, Рохсар объединился с группой Окинавы, чтобы улучшить последовательность генома, а также секвенировать весь геном тропического тихоокеанского вида Ptychodera flava. Эти двое — дальние родственники, разделенные 370 миллионами лет эволюции.
Сравнивая новые последовательности генома с последовательностями многих других животных, команда обнаружила, что кластеры генов на одной и той же хромосоме у людей часто встречаются вместе в геноме желудевого червя. Иногда даже локальная структура кластера одинакова, несмотря на то, что два генома разошлись более полумиллиарда лет назад, сказал Рохсар.Особенно интересный кластер представляет собой группу из шести упорядоченных генов, которые все участвуют в развитии глотки и жаберных щелей как у желудевых червей, так и у позвоночных. По его словам, глоточные жаберные щели, обнаруженные, по крайней мере, примитивно во всех дейтеростомах, являются эволюционным нововведением, которое определяет группу в целом.
«Мы думаем, что это древний специфический для дейтеростома кластер генов, который участвует в формировании паттерна глотки», — сказал Рохсар.Еще одним сюрпризом было то, что у дейтеростомов более 30 генов, которые не имеют аналогов в недейтеростомах, но похожи на гены, обнаруженные в морских водорослях и бактериях.
Некоторые из этих генов участвуют в модификации сахаров, покрывающих наши клетки. Либо это очень древние гены, которые потеряли все другие животные, либо они были приобретены путем «горизонтального переноса» от водорослей и бактерий на очень раннем этапе эволюции дейтеростома. По словам Рохсара, хотя хорошо известно, что бактерии обмениваются генами таким образом, передача от бактерий к животным является редкой и несколько спорной.
«Я надеюсь, что эти новые последовательности побудят больше людей изучать желудевых червей», — сказал Герхарт.