В эволюционной биологии развития концепция глубокой гомологии используется для описания случаев, когда процессы роста и дифференциации управляются генетическими механизмами, которые гомологичны и глубоко консервативны у широкого круга видов .
В 1822 году французский зоолог Этьен Жоффруа Сен-Илер препарировал рака и обнаружил, что его тело устроено как у позвоночных, но перевернуто брюшком назад (дорсовентрально) : [1]
Я только что нашел, что все мягкие органы, т. е. основные органы жизни, находятся у ракообразных, а значит, и у насекомых, в том же порядке, в тех же отношениях и с тем же расположением, что и их аналоги у высших позвоночных. животные... Каково было мое удивление и, могу добавить, восхищение, увидев [такое] правило... [1]
Теория гомологии Жоффруа была осуждена ведущим французским зоологом того времени Жоржем Кювье , но в 1994 году было доказано, что Жоффруа прав. [1] В 1915 году Сантьяго Рамон-и-Кахаль нанес на карту нейронные связи зрительных долей мухи и обнаружил, что они напоминают таковые у позвоночных. [1] В 1978 году Эдвард Б. Льюис помог основать эволюционную биологию развития , открыв, что гомеозисные гены регулируют эмбриональное развитие плодовых мух. [1]
В 1997 году термин «глубокая гомология» впервые появился в статье Нила Шубина , Клиффа Тейбина и Шона Б. Кэрролла , описывающей очевидное родство в генетических регуляторных аппаратах, что указывает на эволюционное сходство в несопоставимых особенностях животных. [2]
В то время как обычная гомология наблюдается в структуре таких структур, как кости конечностей млекопитающих, которые очевидно родственны, глубокая гомология может применяться к группам животных, которые имеют совершенно разную анатомию: позвоночные (с эндоскелетом , состоящим из костей и хрящей ) и членистоногие (с экзоскелетами ). сделанные из хитина ), тем не менее, имеют конечности, построенные по схожим рецептам или «алгоритмам». [2] [3] [4] [5]
У многоклеточных животных гомеозисные гены контролируют дифференцировку вдоль основных осей тела , а гены pax (особенно PAX6 ) помогают контролировать развитие глаз и других органов чувств . Глубокая гомология применима к широко разделенным группам, например, к глазам млекопитающих и совершенно различным по структуре сложным глазам насекомых . [3]
Точно так же гены hox помогают сформировать структуру сегментации животного. HoxA и HoxD, которые регулируют формирование пальцев рук и ног у мышей, контролируют развитие лучевых плавников у рыбок данио ; эти структуры до сих пор считались негомологичными. [6]
Существует возможная глубокая гомология среди животных, использующих акустическую коммуникацию, таких как певчие птицы и люди, которые могут иметь немутированные версии гена FOXP2 . [7]
В современной биологии глубина понимания глубокой гомологии превратилась в сосредоточение внимания на молекулярных и генетических механизмах и функциях, а не на простой морфологии . Раковые стволовые клетки (РСК) представляют собой популяцию клеток внутри опухоли, которые обладают способностью самообновляться и дифференцироваться в различные типы клеток, подобно нормальным стволовым клеткам . Теория рака стволовых клеток предполагает, что существует субпопуляция клеток, называемая раковыми стволовыми клетками, которые обладают определенными характеристиками, которые делают их уникальными среди других типов клеток рака. Признаки, включенные в РСК, заключаются в том, что они неограниченно размножаются, устойчивы к химиотерапии и, как предполагается, несут ответственность за рецидив после терапии. [8]
Одноклеточный жизненный цикл рака и Entamoeba однозначно схож и, таким образом, противоречит молекулярной филостратиграфической теории происхождения рака. Эта глубокая связь между двумя клеточными системами поддерживается «моделью амебы», которая обеспечивает лучшее понимание биологии рака с эволюционной точки зрения. [9] Жизненный цикл G + S Entamoeba является ближайшим общим предком по сравнению с любым другим жизненным циклом одноклеточных организмов. Точно так же обе клеточные системы, амеба и рак , используют глубоко гомологичный генный модуль G + S, который эволюционировал от общего предка. Некоторые параллели, которые они разделяют, слишком близки для совпадения:
(i) репродуктивная бесполая зародышевая линия, способная образовывать стволовые клетки зародышевой линии (GSC, называемые при раке CSC), и линия соматических клеток без репродуктивной функции GSC; (ii) Зародышевые и соматические клетки , которые пролиферируют посредством асимметричных и симметричных клеточных циклов и могут взаимопревращаться путем перехода от зародыша к соме (GST) и от сомы к зародышу (SGT); оба процесса при раке называются МЕТ и ЕМТ; (iii) чувствительные к кислороду зародышевые линии, которые необратимо теряют свою репродуктивную функцию из-за непоправимого повреждения ДНК, вызванного избытком кислорода; (iv) механизмы репарации повреждений ДНК (DDR) для восстановления дефектов репликации и полиплоидизации ДНК и поддержания геномной целостности возникающих GSC/CSC; (v) Механизмы репарации DSB ДНК посредством структур MGRS и PGCC со слиянием гомологичных клеток или без него . [9]
MGRS также известны в медицинских терминах как «ранее существовавшие полипоидные гигантские раковые клетки (PGCC)» и часто наблюдаются при нелеченых раковых заболеваниях. [ нужна цитация ] При раке репродуктивный цикл зародышевой линии начинается с клетки-предшественника. Затем эта клетка будет полиплоидизироваться внутри клеточной оболочки. Эта зародышевая линия рака подвергается процессу развития, аналогичному зародышевой линии Entamoeba. Значительные следы глубокой гомологии можно обнаружить в стволовых клетках зародышевой линии млекопитающих. Согласно предыдущей гипотезе, зародышевая линия является общим предком линий соматических стволовых клеток. Дочерние ГСК — единственные стволовые клетки, способные передавать генетическую информацию из поколения в поколение. [9]
В целом, применение глубокой гомологии к изучению РСК может улучшить понимание молекулярных и генетических механизмов, которые способствуют прогрессированию рака, и может привести к разработке новых методов лечения, нацеленных конкретно на РСК. Это также может привести к лучшему внедрению существующих противораковых методов лечения.
В 2010 году группа под руководством Эдварда Маркотта разработала алгоритм , который идентифицирует глубоко гомологичные генетические модули у одноклеточных организмов, растений и животных на основе фенотипов (таких как признаки и дефекты развития). Этот метод выравнивает фенотипы организмов на основе ортологии (типа гомологии) генов, участвующих в фенотипах. [10] [11]