Ученые собрали геном самой глубоководной рыбы
Ученые собрали геном морского слизня Pseudoliparis swirei, самого глубоководного вида рыб. Они обитают в Марианской впадине на глубине свыше восьми километров. Как сообщается в Nature Ecology&Evolution, мутации в геноме уменьшили минерализацию костей P.swirei и ухудшили зрение животных. В то же время, большое число копий или усиленная экспрессия генов, связанных с регуляцией работы клеточной мембраны, позволили рыбам без вреда для себя выдерживать высокое давление на глубине.
У рыб из семейства липаровых (морские слизни) удлиненное студенистое тело с большой головой и маленькими глазами. Чешуи у большинства видов нет, а кожа тонкая и дряблая, внешне они похожи на головастиков. Морские слизни обитают во всех океанах планеты как на мелководье, так и на большой глубине. Так, морские биологи обнаружили новый вид морских слизней Pseudoliparis amblystomopsis в Японском желобе на глубине около 7,7 километров, а несколькими годами позже увидели морского слизня в Марианской впадине на глубине 8178 метров, но не сумели точно определить вид.
Самый глубоководный описанный вид морских слизней, Pseudoliparis swirei, тоже был обнаружен в Марианской впадине, на глубине в 8078 метров. Особи этого вида в длину достигают 29 сантиметров и весят до 160 граммов. Кожа у них тонкая и прозрачная настолько, что видны мышцы и внутренние органы. По-видимому, это глубинные сверххищники, которые питаются мелкими ракообразными. Самки P. swirei производят меньше икры по сравнению с другими видами морских слизней, но она крупнее. Возможно, это говорит о наличии другой стратегии размножения — например, что они заботятся о потомстве, или из икры вылупляются не личинки, а уже подросшие особи.
Чтобы выяснить, как морские слизни сумели адаптироваться к жизни на глубине, китайские исследователи под руководством Вэня Вана (Wen Wang) из Северо-западного политического университета в Сиане собрали и проанализировали геном Pseudoliparis swirei. Они сравнили его с геномами девяти видов других костных рыб, в том числе морского слизня Танаки, обитающего в прибрежных водах, колюшки, тихоокеанского голубого тунца, камбалы и данио-рерио. Также ученые сделали рыбам микрокомпьютерную томографию и изучили особенности строения скелета марианских морских слизней.
В геноме P.swirei длиной 682 миллиона пар оснований оказалось 25262 генов. Ближайший общий предок глубоководных свиреи и мелководного морского слизня Танаки обитал около 20 миллиона лет назад, на 10-12 миллионов лет раньше, чем образовалась Марианская впадина. Как показала компьютерная томография, кости черепа у P.swirei срослись не до конца, тем самым позволяя выравнивать внутричерепное и внешнее давление. Несмотря на то, что липаровые относятся к костным рыбам, кости марианского морского слизня скорее состоят из хрящевой, чем из костной ткани. Авторы объяснили их состав структурой гена остеокальцина (bglap) — белка, регулирующего минерализацию костей и развитие скелета. У свиреи в последовательности гена bglap была мутация, из-за которой белок работал некорректно и минерализация костей преждевременно останавливалась. Генетики подтвердили это на рыбках данио-рерио, у эмбрионов которых отключили экспрессию гена bglap. В результате процент минерализованной ткани у них был меньше, чем у особей из контрольной группы.
Авторы исследования выяснили, что P.swirei потеряли гены белков-фоторецепторов, но полностью зрение не утратили. У них все еще экспрессируются гены родопсина, основного зрительного пигмента клеток-палочек, которые отвечают за ночное зрение. Также ученые объяснили механизм появления прозрачной бесцветной кожи морских слизней — у них нет гена рецептора мелокортина mc1r, который инициирует выработку пигмента эумеланина.
Исследователи обнаружили и генетические изменения, позволившие улучшить работу клеточных мембран P.swirei. Высокое давление ухудшает транспортные функции клеточных мембран и приводит к нарушению структур и функций, связанных с мембраной белков. Известно, что докозагексаеновая кислота (омега-3 кислота, которая входит в состав многих рыбных жиров) меняет свойства клеточных мембран и, среди прочего, улучшает их проницаемость, сжимаемость и работу связанных с ними белков. С биосинтезом этой кислоты связан ген acaa1. В геноме большинства костных рыб содержится пять копий этого гена, а в геноме P.swirei ученые обнаружили 15 копий. У марианских морских слизней обнаружили бóльшее число копий гена fasn, кодирующего еще один белок, связанный с выработкой докозагексаеновой кислоты. Кроме того, у P.swirei нашли больше копий генов tfa и slc29a3, связанных с транспортом ионов и веществ через клеточную мембрану. Одно из веществ, предотвращающих нарушение структуры белков при высоком давлении — триметиламин оксид. Он вырабатывается в организме с помощью фермента флавин монооксигеназы-3, который кодируется геном fmo3. У марианских морских слизней экспрессия этих генов выше, чем у других видов костных рыб.
Недавно генетики впервые собрали геном белых акул. В нем они нашли гены белков, связанных с быстрым заживлением ран, и отвечающих за поддержание стабильности генома, которая связана с процессом старения.
Для этого растению понадобилось 15 минут
Японские ученые отследили механизм работы белков семейства LAZY, занимающих ключевое место в восприятии силы тяжести растениями. В покое белки экспонированы на поверхности статолитов — органелл, имеющих высокую плотность и лежащих из-за этого в нижних частях клетки. Но наклон ростков резуховидки Таля приводил к тому, что статолиты перемещались в новые нижние участки клетки, оставляя отпечаток из белков LAZY. Белки, перенесенные с мембраны статолитов на цитоплазматическую мембрану, маркируют новое направление роста и изгиба корня. Исследование опубликовано в журнале Science. У корней большинства высших растений выражен гравитропизм, то есть движение в сторону источника силы тяжести. За гравитропизм корней отвечают клетки-статоциты, входящие в состав корневого чехлика. В них находятся органеллы статолиты — родственники хлоропластов, заполненные крахмалом и лежащие в нижней части клетки из-за более высокой, чем у цитоплазмы, плотности. Статолиты маркируют направление изгиба и роста корня, поскольку клетка экспортирует фитогормон ауксин в ту сторону, куда указывают органеллы, а ауксин вызывает растяжение клеток (по такому принципу поворачиваются растения подсолнечника в течение дня) и стимулирует их деление. Все эти детали были известны еще 50 лет назад, но механизмы, связывающие оседание статолитов и направление транспорта ауксина, за прошедшее время так и не были расшифрованы. Впрочем, было установлено, что белки семейств LAZY и RLD имеют отношение в гравитропизму, ведь корни растений, у которых выключены эти гены, перестают расти вниз. Молекулярные биологи и физиологи растений из нескольких университетов США и Японии при участии Миё Тэрао Морита (Miyo Terao Morita) из Национального института фундаментальной биологии в Окадзаки сосредоточились на изучении работы двух белков семейства LAZY — LZY3 и LZY4 — в корневом чехлике резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana). Анализ аминокислотной последовательности LZY3 и LZY4 показал, что у белков нет трансмембранного домена для заякоривания в мембране, зато есть гидрофобные и положительно заряженные участки для взаимодействия с фосфолипидами внутреннего слоя мембраны. Точечные мутации в этих участках белков нарушали гравитропизм у ростков резуховидки. Поскольку белок с таким строением неспособен прочно фиксироваться в мембране, но при этом критически важен для гравитропизма, то, предположили биологи, он может слабо прикрепляться попеременно к плазматической мембраной и к гликолипидам внешней мембраны статолитов. И действительно, LZY3 и LZY4 были обнаружены на поверхности обеих мембран. Далее ученые при помощи конфокальной микроскопии отследили, как меняется распределение LZY4 в живой клетке после наклона ростков на 90-135 градусов. Уже спустя три минуты статолиты оказывались в нижней части клетки. Через 15 минут обнаружились метки LZY4 на прилежащем участке плазмалеммы, а первые признаки изменения формы корня появились через полчаса с начала эксперимента. Помимо воздействия гравитацией, ученые подвигали амилопласты внутри живых клеток при помощи оптического пинцета, чтобы исключить, что полярность клетки управляется какими-либо другими органеллами, имеющими высокую плотность. Как и в эксперименте с наклоном ростка, через несколько минут флуоресцентная метка, пришитая к LZY4, переходила с пластид на плазматическую мембрану. После оседания LZY на мембране с ним связывались белки семейства RLD, которые, в свою очередь, привлекают на мембрану белки-экспортеры ауксина. Таким образом, японские ученые описали еще один механизм механорецепции живыми организмами. По словам авторов статьи, принцип работы LAZY-зависимых сенсоров, чувствующих направление силы притяжения, но не ее величину, похож на работу «аналогового» инклинометра. Человеческие же проприорецепторы, полукружные канальцы и отолитовые органы работают как акселерометры, детектирующие линейное или угловое ускорение при движении головы, внутренних органов или мышц. Подробнее о принципе их работы можно прочитать в нашем материале «Премия за самочувствие». Градиент ауксина в корне влияет на только на его рост в физиологических условиях, но и, к примеру, на заживление ран.