«Молекулярная археология» прояснила филогенетические взаимоотношения позвоночных
Ученые из Констанцского университета уточнили дерево для челюстных позвоночных животных, используя транскриптомные данные ста разных видов. Они выяснили, в том числе, расположение на филогенетическом дереве ряда групп, уже долгое время вызывающих вопросы, в том числе, черепах, двоякодышащих рыб и саламандр. Статья с исследованием была опубликована в журнале Ecology&Evolution.
Изучение эволюционных взаимоотношений различных организмов всегда приковывало к себе внимание ученых. Филогенетические деревья помогают исследовать такие важные процессы как адаптивная радиация или конвергентная эволюция. Для построения деревьев родства используются различные данные, в том числе морфологические и генетические. Сейчас, помимо отдельных генов и геномов, в филогенетическом анализе используют и транскриптомы (совокупность РНК клеток). Эта наука называется филотранскриптомикой и, как утверждают авторы данной статьи, она помогает разрешить некоторые споры, которые не могла решить филогеномика.
Филогенетические взаимоотношения позвоночных животных – это в том числе и часть истории развития человека, как представителя позвоночных тетрапод. Тип позвоночных животных включает в себя больше 68 тысяч видов. В данном исследовании ученые занимались челюстноротыми позвоночными (Gnathostomata). К ним относится большая часть позвоночных (за исключением миксин, миног и ряда вымерших классов) – рыбы, амфибии, рептилии, млекопитающие и птицы. Появились позвоночные около 470 миллионов лет назад. Процесс видообразование шел у них с самого начала довольно интесивно, поэтому понять их родственные отношения бывает достаточно сложно. Некоторые виды, кроме того, обладают общими признаками, находясь при этом на разных ветвях филогенетического дерева. Например, и птицы, и летучие мыши обладают способностью летать, а летучие змеи и киты используют эхолокацию.
В новой работе учёные взяли транскриптомы для 100 видов челюстных позвоночных, включая 23 вида, для которых транскриптомы не были изучены ранее. Они выбрали 7189 генов, по которым построили филогенетическое дерево, откалиброванное по важным геологическим событиям. Метод построения деревьев по ДНК или РНК называют «молекулярной археологией», потому что он позволяет отслеживать эволюционные изменения во времени. Исследуя эти изменения, можно реконструировать события, произошедшие миллионы лет назад. Ученые воспользовались рядом биоинформатических инструментов, позволяющих оптимизировать метод: так, им удалось учитывать загрязнения образцов и роль генов-паралогов, игнорировать плохо отсеквенированные участки, а также, с помощью скрытых марковских моделей, минимизировать роль неправильно аннотированных генов. Ученые отмечают, что этот метод можно использовать для реконструкции эволюционных взаимоотношений не только между позвоночными, но и любыми другими живыми организмами.
Выяснилось, что размеры генома не влияли на скорость эволюции и видообразование. Кроме того, раньше считалось, что на размеры генома влияет количество небольших инсерций и делеций (indels), но в данном исследовании значимой корреляции не наблюдалось в этом отношении ни в кодирующей, ни в некодирующей областях.
Полученное дерево позволило предположить, что основные группы хрящевых и лучеперых рыб появились в ордовикском периоде раньше, чем показывали прежние филогенетические исследования, что соответствует недавним палеонтологическим работам. То же самое касается черепах и птиц из раннего мелового периода. Черепахи оказались сестринской группой по отношению к крокодилам и птицам, а их роль в качестве самостоятельной группы анапсид оказалась опровергнута. У исследователей получилось также разрешить спор о двоякодышащих рыбах, которых оказались близкими родственниками сухопутных позвоночных (при этом гипотеза о том, что лопастеперые рыбы к ним ближе, не подтвердилась). Амфибии оказались монофилетической группой, а не парафилетической, как считали некоторые исследователи. Древнейшими видами саламандр оказались представители группы Andrias, а не сирены.
Задачу понять и отследить происхождение видов и их родственные связи ставят перед собой многие ученые. Недавно мы рассказывали о представленном предварительном варианте «Древа жизни» в рамках масштабного филогенетического проекта, включающего данные более чем для 2,3 миллионов видов живых организмов.
Надежда Потапова и Анна Казнадзей
От редакции: изначально в заметке был допущен ряд неточностей, которые позже были исправлены. Приносим читателям свои извинения.
Это произошло после формирования нейронной связи между клетками циркадных часов и Dh44-нейронами
Биологи определили момент, в который циркадные часы начинают управлять циклами сна и бодрствования у личинок плодовых мушек. Оказалось, это происходит в начале третьего дня развития под влиянием новой связи между нейронами циркадных часов и клетками Dh44, которые контролируют бодрствование личинок. Кроме того, после формирования этой связи у личинок появилась долгосрочная память. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Циркадные ритмы у многих видов формируются еще на самых ранних этапах развития. Так, например, у млекопитающих клетки супрахиазматического ядра детеныша синхронизируют свою ритмическую активность еще во время беременности. Однако многие матери новорожденных могут подтвердить, что дети в этом возрасте редко спят ночью и бодрствуют днем — в основном их сон равномерно распределен по суткам. Исследования подтверждают, что циклы сна и бодрствования у младенцев чаще всего появляются от трех до двенадцати месяцев. До сих пор не было понятно, почему, несмотря на работу клеток циркадных часов, циклы сна и бодрствования формируются довольно поздно и как этот процесс влияет на другие функции мозга — например, долговременную память. Исследователи из университета Пенсильвании под руководством Эми По (Amy R. Poe) изучили аналогичный процесс на дрозофилах. Биологи отследили момент, в который у личинок мушек появляются циклы сна и бодрствования — это произошло в начале третьего дня развития. Чтобы понять, что именно происходит с циркадными ритмами в этот момент, исследователи изучили активность нейронов мозга у личинок. Прежде всего они проверили нейроны, которые производят нейропептид Dh44, поскольку они расположены в области циркадных часов у взрослых мушек.Для этого они создали трансгенных насекомых, у которых эти клетки синтезировали теплочувствительный ионный канал. Таким образом, когда личинок помещали в теплую среду, в Dh44-нейронах начинался ионный ток и те активировались. Оказалось, что эти клетки действительно участвуют в регуляции циклов сна: после их активации личинки на второй стадии меньше спали в течение суток (p < 0,0001). Тогда исследователи решили изучить, как активность этих клеток меняется при переходе со второй стадии личинок на третью — в момент появления ритмов сна. Оказалось, активность Dh44 не отличается на первой и второй стадии, но снижается в начале третьей. Это согласовывалось и с повышенным количеством сна у личинок в этот день: активность нейронов снизилась и они перестали оказывать свое бодрящее действие на личинок. Биологи предположили, что в этот момент Dh44-нейроны связываются с клетками, которые задают общий циркадный ритм организму мушек. Для этого они отследили нейронные связи этого мозгового центра. И действительно, при переходе со второй стадии на третью Dh44-нейроны сформировали связь с одной из клеток часов — DN1a. Ученые также подтвердили, что активация DN1a действительно «включает» Dh44 и увеличивает длительность бодрствования у личинок. Тогда исследователи решили проверить, как появление связи циркадных ритмов с циклами сна и бодрствования влияет на другие процессы в мозге насекомых. Зная, что переход памяти из кратковременной в долговременную происходят во время сна, биологи протестировали оба типа памяти у животных. Для этого они использовали стандартный для таких задач тест — проверяли, как личинки запоминают отвратительные запахи. И на второй, и на третьей стадии личинки одинаково хорошо проходили тесты на кратковременную память, а вот долговременная память появилась лишь при переходе между ними. При этом активация Dh44-нейронов, которые снижали количество сна у личинок, нарушала процессы долговременной памяти. Так, биологи не только в подробностях описали, как клетки циркадного ритма начинают контролировать циклы сна и бодрствования, но и показали, что этот процесс очень важен для развития таких сложных когнитивных функций как долговременная память. Сон и память действительно тесно связаны — депривация сна способна даже стирать воспоминания. Недавно мы писали об исследовании, в котором такие воспоминания удалось восстановить у мышей.