Транскриптомные данные проливают свет на стадию филотипа позвоночных

Новый сравнительный транскриптомный анализ четырех видов позвоночных, проведенный Наоки Ири в Лаборатории эволюционной морфологии RIKEN, убедительно свидетельствует в пользу «модели песочных часов» как более точного описания проявления филотипа позвоночных.

Концепция стадии филотипа восходит к ранним сравнительным наблюдениям за эмбрионами разных таксонов позвоночных, у которых морфологии эмбрионов сходились к общему плану строения тела, прежде чем развиваться в специализированных направлениях. Это породило серьезные дебаты о ее эволюционной основе: лучше ли она объясняется «моделью воронки» (общность признаков максимальна на самых ранних стадиях эмбриогенеза и постепенно сужается) или «моделью песочных часов» (гомология максимальна на более поздней стадии, когда устанавливается план строения тела, и сильнее различается до и после нее).

Новый сравнительный транскриптомный анализ четырех видов позвоночных, проведенный Наоки Ири в Лаборатории эволюционной морфологии (группа Шигеру Куратани), показал, что генетическая экспрессия наиболее высоко консервативна у разных таксонов на стадии фарингулы. Опубликованные в Nature Communications результаты убедительно свидетельствуют, что «модель песочных часов» точнее описывает проявление филотипа позвоночных.

Ири решил изучить этот вопрос, используя подход на основе экспрессии генов, что стало отходом от долгой истории морфологических сравнений. Он взял образцы тканей эмбрионов мыши, курицы и лягушки на множестве стадий развития для сравнения изменений в экспрессии генов и дополнил этот набор данных информацией из ранее опубликованных транскриптомных исследований четвертого таксона — данио-рерио. Таким образом, в анализ вошли представители млекопитающих, птиц, амфибий и рыб. Для обработки этого огромного массива данных он использовал суперкомпьютерные мощности кластера RIKEN integrated Cluster of Clusters (RICC).

Поскольку развитие у разных видов протекает с разной скоростью, а органы формируются в разное время, прямое сравнение крайне затруднительно. Чтобы преодолеть эту проблему, Ири выбрал гомологичные гены у всех четырех видов и провел попарное сравнение профилей экспрессии генов с помощью микрочипов. Для каждой пары наибольшее сходство наблюдалось на промежуточных стадиях эмбриогенеза (от нейрулы до поздней фарингулы). Более сложный вычислительный анализ показал, что эмбрионы на стадии фарингулы обладают наивысшим транскриптомным сходством.

Чтобы выяснить детальные молекулярные характеристики этой стадии филотипа, группа идентифицировала гены, демонстрирующие консервативную экспрессию на стадии фарингулы, но не конститутивно экспрессирующиеся на протяжении всего эмбриогенеза. Было выявлено 109 наборов генов, включая Hox-гены, факторы транскрипции, гены межклеточной сигнализации и морфогены. Интересно, что в этих наборах гены развития были представлены в большей степени, чем в наборах с другими профилями экспрессии. Данные этого исследования депонированы в репозиториях ArrayExpress и Gene Expression Omnibus.

«Похоже, представление о том, что генетические программы, лежащие в основе раннего развития, устойчивы к изменениям, нуждается в пересмотре в свете этих данных, — говорит Ири. — Нам интересно выяснить, как достигается генетическая гибкость на ранних этапах при сохранении устойчивости экспрессии генов на стадии филотипа-фарингулы».