CC BY
32
А. Г. Десницкий
ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОНТОГЕНЕЗА У ПЕЩЕРНОЙ РЫБЫ ASTYANAX (ТЕЦЕ05ТЕ1, СНАКАСГОАЕ)
Модельная система для анализа эволюции индивидуального развития должна состоять из двух или более близко родственных таксонов, которые имеют четкие различия по протеканию процесса онтогенеза. Наиболее обстоятельно клеточные и молекулярные механизмы эволюции развития изучены с использованием модельной системы, включающей два вида морских ежей рода НеИосгйапБ [21, 22]. Другими интересными объектами для эволюционного анализа перестроек онтогенеза у недавно дивергировавших видов являются некоторые представители асцидий [11], бесхвостых амфибий [5], колониальных вольвоксовых [7].
В последние годы внимание специалистов в области эволюционной биологии индивидуального развития стала привлекать также и мексиканская тетра Аз1.уапах 1а8с1аЫ8 (синоним А. техмапия). Эта описанная в XIX в. рыба широко распространена в пресных водах Мексики и юго-запада США (штаты Техас и Нью-Мексико). В 1936-1947 гг. в пещерах центральной и северо-восточной Мексики были обнаружены близко родственные слепые рыбы. Первоначально их популяции были описаны как отдельные виды рода АпорИсМ/гуБ — А. 1<эгс(ат (из пещеры Чико), А. аМгоЫиз (из пещеры Эль-Пачон) и А. 1гиЬЬ81 (из пещеры Лос-Сабинос). Однако ^впоследствии оказалось, что эти пещерные виды (так называемые «аноптихты») легко скрещиваются друг с другом, а также с речной Astyanax 1азс1аЫ8 [1, 27, 32]. Поэтому теперь признается, что данные популяции «пещерных (подземных) рыб» являются разновидностями «поверхностной рыбы» А. имеющей нормально развитые глаза. В настоящее время известно уже около 30 изолированных популяций слепых А. {аэйаЫз из различных мексиканских пещер [12]. Однако в экспериментальных исследованиях используют главным образом рыб, происходящих из трех упомянутых выше пещер. Следует отметить, что в Мексике есть также и пещерные популяции А. которые имеют нормальные или лишь частично редуцированные
глаза. Рассмотрение онтогенеза этих животных не входит в задачу настоящего обзора.
Была высказана точка зрения [9], что различные популяции слепых пещерных рыб генетически более тесно связаны друг с другом, чем с популяциями поверхностных рыб; это говорит в пользу факта однократной эффектной колонизации пещер рыбами А. [азсгаЫэ. Однако более убедительными представляются альтернативные данные, согласно которым некоторые изолированные дискретные популяции А. fa.scia.tus независимо друг от друга перешли к подземному образу жизни в пещерных экосистемах в течение последнего миллиона лет [8, 23, 28].
Наличие в пределах вида А. 1й8аа1и8 поверхностной и подземной форм обеспечивает привлекательную систему для изучения эволюции механизмов развития. У нескольких различных популяций слепых пещерных рыб независимо эволюционировал целый комплекс регрессивных и конструктивных изменений, затрагивающих прежде всего развитие сенсорных органов. Таким образом, здесь имеют место адаптации, связанные с переходом к постоянной жизни в полной темноте. Регрессивные изменения включают дегенерацию глаз и утрату пигментации животного. Конструктивные изменения компенсируют отсутствие глаз и включают усиленное развитие механосенсорной системы крани-
© А. Г. Десницкий, 2005 •
альных невромастов, являющейся главным компонентом органов боковой линии [17, 26], а также усиленное развитие вкусовых сосочков, челюстей и зубов [29].
Яйцеклетки слепой пещерной рыбы вследствие повышенного содержания желтка по диаметру примерно на 15% превышают яйцеклетки поверхностной рыбы. Однако ранний . эмбриогенез у обеих форм А. fa.scia.tus протекает с одинаковой скоростью, и при температуре 25 °С зародыши вылупляются через 24 ч после оплодотворения [12].
Развитие глаза у пещерной и поверхностной форм рыб вначале протекает сходно. Образуется глазной пузырь, и утолщение поверхностной эктодермы формирует хрустали-ковую плакоду, которая развивается в глазную чашу. Первый этап дивергенции в онтогенезе этих двух форм А. fasciatus проявляется уже в самом начале вторых суток инкубации, в ходе формирования хрусталика. Фиброзные (волокнистые) хрусталиковые клетки, которые в норме (у поверхностной рыбы) удлиняются и начинают экспрессировать специфические белки кристаллины, у зародыша пещерной рыбы терминально не дифференцируются, причем ни кристаллиновые иРНК, ни кристаллины не синтезируются [3]. Вместо этого наблюдается обширный апоптоз, т. е. массовая гибель клеток данного зачатка [13, 30]. Вероятно, вследствие такой дегенерации хрусталика не развиваются радужина, роговица и зрачок. Только самые ранние этапы развития сетчатки у пещерной рыбы протекают нормально, однако фоторецепторные клетки не дифференцируются; вместо этого, начиная с четвертых суток инкубации, в зачатке сетчатки тоже происходит апоптоз [15]. Таким образом, маленький зачаток глаза постепенно дегенерирует, погружается в глазную впадину и покрывается складкой кожи. Тем не менее в ходе дегенерации глаза продолжается пролиферация ретинобластов в цилиарной маргинальной зоне [24].
Исследования последних лет [18, 31] показывают, что слепые рыбы А. fasciatus сохраняют интактные опсиновые гены, кодирующие белок опсин, являющийся важным компонентом мембранной системы фоторецепторных клеток сетчатки. На ранних этапах развития глаза пещерной рыбы в дегенерирующих клетках сетчатки в течение ограниченного периода времени наблюдается экспрессия опсинового гена [15, 18].
Чтобы более детально исследовать роль хрусталика в формировании глаза, были выполнены эксперименты по трансплантации [30]. Хрусталиковый пузырь подземной рыбы поместили в глазную чашу поверхностной рыбы, у которой был удален ее собственный хрусталиковый пузырь. Нормального развития у оперированного глаза не , происходило и в конце концов он дегенерировал. Попав в новое окружение, пересаженный хрусталик подземной рыбы все равно подвергался автономному апоптозу и дегенерации, а из глазных тканей реципиента (поверхностной рыбы) не формировались радужина и роговица, тогда к^к сетчатка дифференцировалась в целом нормально, хотя и была несколько меньшего размера, чем сетчатка неоперированного контрольного глаза поверхностной рыбы. В реципрокном эксперименте хрусталиковый пузырь поверхностной рыбы был помещен в глазную чашу пещерной рыбы, из которой был удален- ее собственный. В результате такой операции у пещерной рыбы в течение двухмесячного срока развивался глаз не только с нормальным хрусталиком, но и нормальными радужиной, роговицей, передней камерой и фоторецепторными клетками сеучатки; следовательно, глазные ткани пещерной рыбч-сохранили способность отвечать на сигналы, исходящие из хрусталика. Неоперированный контрольный глаз пещерной рыбы, разумеется, оставался дегенеративным. Таким образом, результаты данной работы [30] указывают, что хрусталиковый пузырь поверхностной рыбы способен индуцировать развитие глазной чаши и у поверхностной, и у пещерной рыбы, содействуя таким образом нормальному развитию глаза, тогда как хрусталиковый пузырь пещерной рыбы полностью утратил индуцирующую способность.
Интересно сопоставить эту работу [30] с данными литературы по эволюционным перестройкам онтогенеза у бесхвостых амфибий с прямым развитием [5]. Так, у неотро-пической лягушки Eleutherodactylus coqui отсутствует стадия головастика и у зародышей не развиваются личиночные структуры — цементная железа (присоска) и органы боковой линии. Эксперименты по межвидовой трансплантации материала на зародышах лягушек с разными типами развития показали, что отсутствие этих структур у Е. coqui обусловлено утратой компетенции: эмбриональная эктодерма не способна специфически реагировать на соответствующие индуцирующие стимулы, которые генерируются в зародыше Е. coqui. Напротив, у слепой формы A. fasciatus компетенция к развитию многих структур глаза имеется, но нет. необходимых индуцирующих стимулов [30].
Известны многочисленные молекулярно-генетические работы [6, 10, 16, 19, 20], согласно которым регуляторный ген Рах 6 или его гомологи играют важную роль в развитии глаз у беспозвоночных и позвоночных животных — от червей, насекомых и моллюсков^ до рыб, амфибий и млекопитающих. В исследованиях онтогенеза слепой формы A. fasciatus первоначально были получены данные в пользу того, что ген Рах 6 никак не вовлечен в процесс дегенерации глаза [2]. Однако впоследствии было показано, что
ПРГРНРПЯТТИШ ГЛЯЧЯ V ГПРППЙ .ГГРПТРПНПЙ пыбы nprvnnnvwvr MHnWPf'TRPHWKTP ГРНЫ ППИЧЙМ
---1---,-- ---- j :------------>-1--- I— г—j rj*w----------------*■".---—
одним из генов, контролирующих дегенерацию, по-видимому, как раз и является ген Рах 6 [12, 13, 25]. Анализ экспрессии Рах 6 иРНК в ходе развития глаза пещерной рыбы показывает уменьшение общего домена экспрессии этого гена по сравнению с глазом поверхностной рыбы. В. частности, имеется лакуна в экспрессии Рах 6 на переднем крае нервной пластинки, а затем наблюдается подавление экспрессии в зачатке сетчатки.. Экспрессия белка Рах 6 также подавлена^и в ходе развития хрусталика пещерной рыбы по сравнению с поверхностной рыбой [25].
С другой стороны, гомеобоксный ген Proxl, который у слепой пещерной рыбы усиленно экспрессируется в’увеличенных вкусовых сосочках и краниальных невромастах, по-видимому, является одним из генов1, вовлеченных в. конструктивные изменения развития сенсорных органов [12, 14]. Однако в зачатках глаз'поверхностной и ггещерной форм экспрессия гена Proxl протекает одинаково.
Таким образом, рыба A. fasciatus, которая изучается в нескольких лабораториях, в последние годы, вошла в число перспективных модельных объектов эволюционной биологии индивидуального развития. Отметим, что недавно была начата работа по картированию генома пещерной рыбы [4]. Дальнейшие исследования A. fasciatus будут способствовать нашему пониманию закономерностей эволюционных преобразований онтогенеза у низших позвоночных. ’
Статья рекомендована проф. А. П. Перевозчиковым.
j %
Summary
A. G. Desniiskiy. The evolutionary reorganizations of ontogenesis in the cavefish Astyanax (Teleostei, Characidae).
A review of evolutionary reorganizations of Astyanax fasciatus ontogenesis, which are connected with the transition to life in darkness, is presented on the basis of literary data (including latest publications).
Литература
1. Avise J. C., Selander R. K. Evolutionary genetics of cave-dweiling fishes of the genus Astyanax / / Evolution. 1972. Vol. 26, N 1. P. 1-19. 2. Behrens М., Langecker T. G., Wilkens H., Schmale H. Comparative analysis of Pax-6 sequence and expression in the eye development of the blind cave fish Astyanax fasciatus and its epigean conspecific / / Molec. Biol. Evol. 1997. Vol. 14, N 3. P. 299-308. 3. Behrens М., Wilkens H„ Schmale H. Cloning of the alphaA-crystallin genes of a blind cave form and the epigean form of
Astyanax fasciatus: a comparative analysis of structure, expression and evolutionary conservation // Gene. 1998. Vol. 216, N 2. P. 319-326.4. Borowsky R., Wilkens H. Mapping a cave fish genome: polygenic systems and regressive evolution // J. Hered. 2002. Vol. 93, N 1. P. 19-21. 5. Callery E. М., Fang H., Elinson R. P. Frogs without polliwogs: evolution of anuran direct development / / BioEssays. 2001. Vol. 23, N 3. P. 233-241. 6. Chow R. L., Altmann C. R., Lang R. A., Hemmati-Brivanldu A. Pax 6 induces ectopic eyes in a vertebfate / / Development. 1999. Vol. 126, N 19. P. 4213-4222.7. DesnitskiyA. G. A review on the evolution of development in Volvox — morphological and physiological aspects / / Europ. J. Protistol. 1995. Vol. 31, N 3. P. 241-247.
8. Dowling Т. E., Martasian D. P., Jeffery W. R. Evidence for multiple genetic forms with similar eyeless phenotypes in the blind cavefish, Astyanax mexicanus J / Molec. Biol. Evol. 2002. Vol. 19, N 4. P. 446-455.
9. Espinasa L., Borowsky R. B. Origins and relationship of cave populations of the blind Mexican tetra, Astyanax fasciatus in the Sierra de El Abra / / Envir. Biol. Fishes. 2001. Vol. 62, N 1 -3. P. 233-237.10. Gehring W., Ikeo K. Pax 6: mastering eye morphogenesis and eye evolution // Trends Genet. 1999. Vol. 15, N 9. P. 371-377.
11. Jeffery W. R. Evolution of ascidian development / / BioScience. 1997. Vol. 47, N 7. P. 417-425.12. Jeffery W. R. Cavefish as a model system in evolutionary developmental biology / / Devel. Biol. 20Q1. Vol. 231, N 1. P. 1-12. 13. Jeffery W. R., Martasian D. P. Evolution of eye regression in the cavefish Astyanax: apoptosis and the Pax 6 gene // Amer. Zool. 1998. Vol. 38, N 4. P. 685-696.14. Jeffery W. R., Strickler A., Guiney S. et al. Proxl in eye degeneration and sensory organ compensation during development and evolution of the cavefish Astyanax / / Devel. Genes Evol. 2000. Vol. 210, N 5. P. 223-230.15. Langecker T. G., Schmale H„ Wilkens H. Transcription of the opsin gene in degenerate eyes of cave-dwelling Astyanax fasciatus (Teleostei, Characidae) and of its conspecific epigean ancestor during early ontogeny / / Cell Tissue Res. 1993. Vol. 273, N1. P. 183-192.16. Macdonald R., Barth K. A., Xu Q. et al. Midline signalling is required for Pax gene regulation and patterning of the eyes / / Development. 1995. Vol. 121,N 10. P.3267-3278.17. Montgomery J. C., Coombs S., Baker C.F. Themechanosevsory lateral line system of the hypogean form of Astyanax fasciatus / / Envir. Biol. Fishes. 2001. Vol. 62, N 1 -3. P. 87-96.18. Parry J. W., Peirson S. N., Wilkens H., Bowmaker J. K. Multiple photopigments from the Mexican blind cavefish, Astyanax fasciatus: a microspectrophotometric study / / Vision Res. 2003,-Vol. 43, N 1.31-41.19. Pichaud F., Desplan C. Pax genes and eye organogenesis / / Curr. Opin. Genet. Devel. 2002. Vol. 12, N 4. P. 430-434. 20. Puschel A. W., Gruss P., Westerfield M. Sequence and expression pattern of pax 6 are highly conserved between zebrafish and mice / / Development. 1992. Vol. 114, N 3. P. 643-651. 21. Raff R.A. Constraint, flexibility, and phylogenetic history in the evolution of direct development in sea urchins / / Devel. Biol. 1987. Vol. 119, N 1. P. 6-19. 22. Raff R. A. Larval homologies and radical evolutionary changes in early development // Novartis Found. Symp. 1999. Vol. 222. P. 110-124.23. Strecker U., Bernatchez L., Wilkens H. Genetic divergence between cave and surface populations of Astyanax in Mexico (Characidae, Teleostei) / / Molec. Ecol. 20Q3: Vol. 12, N 3. P. 699-710. 24. Strickler A. G., Famuditimi K., Jeffery W. R. Retinal homeobox. genes and the role of cell proliferation in cavefish eye degeneration // Internat. J. Devel. Biol. 2002. Vol. 46, N 3. P. 285-294. 25. Strickler A. G., Yamamoto. Y„ Jeffery W.R. Early and late changes in Pax6 expression accompany eye degeneration during cavefish development / / Devel. Genes Evol. 2001. Vol. 211, N 3. P. 138— 144. 26. Teyke T. Morphological differences in neuromasts of the blind cave fish Astyanax hubbsi and the sighted river fish Astyanax mexicanus / / Brain Behav. Evol. 1990. Vol. 35, N 1. P. 23-30. 27. Wilkens H. Genetic interpretation of'regressive evolutionary processes: studies on hybrid eyes of two Astyanax cave populations (Characidae, Pisces) // Evolution. 1971. Vol. 25, N 3. P. 530-544. 28. Wilkens H., Strecker U. Convergent evolution of the cavefish Astyanax (Characidae, Teleostei): genetic evidence from reduced eye-size and pigmentation / / Biol. J. Linn. Soc. 2003. Vol. 80, N 4. P. 545-554. 29. Yamamoto Y„ Espinasa I., Stock D. W., Jeffery W. R. Development and evolution of craniofacial patterning is mediated by eye-dependent and -independent processes in the cavefish Astyanax // Evol. Devel. 2СОЗ. Vol. 5, N 5. P. 435-446. 30. Yamamoto Y., Jeffery W. R. Central role for the lens in cave fish eye degeneration / / Science. 2000. Vol. 289, N 5479. P. 631-633.31. Yokoyama S., Meany A., Wilkens H.t Yokoyama R. Initial mutational steps toward loss of opsin gene function in cavefish / / Molec. Biol. Evol. 1995. Vol. 12, N 4. P. 527-532. 32. Zilles K., Tillmann B., Bennemann R. The development of the eye in Astyanax mexicanus (Characidae, Pisces), its blind cave derivative, Anoptichthys jordani (Characidae, Pisces), and their crossbreds. A scanning- and transmission-electron microscopic study / / Cell Tissue Res. 1983, Vol. 229, N 2. P. 423-432.
^Статья поступила в редакцию 17 октября 2004 г.
