Разгадан генетический код щетинкочелюстных червей: как они обрели уникальное строение тела

Микрофотографии окрашивания методом гибридизации in situ для выбранных маркеров на ювенильных стадиях. Автор: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09403-2

Щетинкочелюстные черви, или хетогнаты, — загадочные океанские хищники, которые озадачивали учёных более века. Они обладают прозрачными торпедообразными телами, острыми хватательными шипами возле рта и сенсорными структурами, непохожими ни на какие другие группы животных. Несмотря на их уникальный облик, их место на эволюционном древе долгое время оставалось загадкой.

Под руководством Ферди Марлетаза (UCL) и при участии Александра де Мендосы Солера, Хемы Мартина и Люка Сарра (ранее) из Школы биологических и поведенческих наук, а также других исследователей, новое исследование, опубликованное в журнале Nature, раскрыло их историю вплоть до уровня отдельных генов и клеток и показало, как сформировался их необычный план строения тела.

Уникальное место в эволюционном древе

Хетогнаты относятся к группе Gnathifera, наряду с микроскопическими животными, такими как коловратки. В отличие от своих крошечных родственников, хетогнаты — более крупные активные хищники, обитающие в открытых водах и питающиеся планктоном.

Ископаемые останки показывают, что их план строения тела почти не изменился со времён кембрийского периода, более 500 миллионов лет назад, что делает их живыми свидетельствами древней океанской жизни. Gnathifera являются сестринской группой для крупной группы животных, включающей дождевых червей и улиток.

Геномы, эволюционировавшие с высокой скоростью

Исследователи секвенировали полный геном вида Paraspadella gotoi и сравнили его с другими животными. Они обнаружили, что ДНК хетогнатов значительно перестраивалась со временем.

Хотя у них есть множество генов, общих для всех животных, они также содержат большое количество дублированных генов. Дупликация генов может возникать из-за удвоения всего генома, когда геном удваивается, и все гены имеют две копии, как это произошло в нашей собственной линии — у позвоночных. Однако у хетогнатов все гены дублировались независимо, без признаков полного удвоения генома.

Создание новых клеток из новых генов

Сопоставив почти 30 000 отдельных клеток щетинкочелюстных червей, команда выявила как древние типы клеток (например, мышцы, нейроны и клетки кишечника), так и совершенно новые (например, клетки, производящие хватательные шипы и сенсорные папиллы). Многие из этих уникальных клеток зависят от совершенно новых генов, которые эволюционировали только у хетогнатов, а также от дублированных генов, адаптированных для новых функций.

Это означает, что щетинкочелюстные черви не просто перепрофилировали старые гены — они изобрели новые, чтобы построить свои необычные органы.

Неожиданные методы регуляции генов

Хетогнаты также используют необычные способы контроля своих генов:

• Сдвиг метилирования ДНК: Большинство животных используют метилирование ДНК для регуляции активности генов. У хетогнатов метилирование в основном нацелено на «прыгающие гены» (транспозоны), чтобы держать их неактивными.
• Транс-сплайсинг: Почти половина их генов подвергается процессу транс-сплайсинга, который помогает производить зрелые РНК из нескольких сегментов генов. Это редко встречается среди животных и может помогать им управлять их упрощённым, перестроенным геномом.

Это исследование показывает, что уникальный план строения тела хетогнатов — результат масштабных генетических изменений: потери многих старых генов, приобретения новых и эволюции новых способов их регуляции. Оно предполагает, что после периода упрощения в далёком прошлом щетинкочелюстные черви заново изобрели свою сложность, создав уникальные органы и поведение, позволившие им процветать как хищникам более полумиллиарда лет.

Как отмечают исследователи, хетогнаты — яркий пример того, как эволюция может «переписать» генетический инструментарий животного, чтобы создать нечто совершенно новое.

Больше информации: Laura Piovani et al, The genomic origin of the unique chaetognath body plan, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09403-2

Источник: Queen Mary, University of London