Hox-гены кодируют гомеодоменные транскрипционные факторы и управляют дифференцировкой клеток в широких пространственных доменах вдоль передне-задней оси тела у большинства животных. Эти гены возникли примерно 700 млн. лет назад у последнего общего предка многоклеточных, которые образовали кладу ParaHoxozoa. В эту кладу входят пластинчатые (Placozoa), кишечнополостные и билатеральные животные. Название клады указывает на эволюционную границу внутри Metazoa, которая обособляет таксоны с Hox/ParaHox-генами от гребневиков и губок, у которых эти генов нет.
Билатеральные животные доминируют по числу видов и морфологическому разнообразию. Именно в этой группе произошла стремительная структурная экспансия Hox-генов и формирование полноразмерных Hox-кластеров. Последний общий предок трёх ветвей Bilateria (Deuterostomia, Ecdysozoa и Spiralia) уже имел Hox-кластер по меньшей мере из семи генов.
Известно, что у современных животных Hox-гены колинеарно, то есть в прямом соответствии с позицией в кластере, экспрессируются вдоль основной оси эмбриона перед началом или во время гаструляции. Это приводит к появлению последовательных клеточных территорий с разными наборами Hox-белков («Hox-код»). Разница между участками тела с разным «Hox-кодом», возникает из-за разницы в транскрипции генов-мишеней, подконтрольных Hox-белкам. Экспрессия Hox-генов концептуально сходна у любых сегментированных Bilateria, несмотря на существенные различия в механизмах её реализации, не все из которых эволюционно консервативны и до конца понятны.
Координированная во времени и пространстве ранняя векторная экспрессия Hox-кластеров выглядит очень сложной. Если она первична, то последний общий предок большинства билатеральных животных – сложное животное, не уступающее уровнем организации ланцетнику, дрозофиле или платинереису, что уводит нас к старому парадоксу о неупрощаемой сложности, известному со времён Дарвина, но теперь в масштабе молекулярных программ развития. Чтобы разрешить этот новый парадокс нужно прибегнуть к старому методу – найти и изучить более простые системы, в которых заняты Hox-гены. Оказалось, что они могут регулировать общебиологические процессы, например, репарацию, клеточный цикл и аутофагию. Кроме того, у всех модельных билатеральных животных Hox-гены поддерживают терминальную специфичность нейронов, их транскрипты накапливаются в ооцитах, а белки могут секретироваться, как паракринные сигнальные факторы. Важно, что неканонические функций Hox-генов реализуются за счёт базовых свойств гомеодоменного белка, а не эволюционных новшеств в его структуре. Регуляторная сложность осевой экспрессии Hox-генов возникла в результате кооперации между более древними морфогенетическими программами или их отдельными элементами. В докладе представлены возможные сценарии этих ранних событий, которые послужили триггером для беспрецедентной эволюционной радиации билатеральных животных.
Исследование выполнено за счёт средств Российского научного фонда (проект № 23-24-00426). Авторы выражают благодарность ЦКП “Хромас” за помощь в визуализации данных.