Геном австралийского рогозуба рассказал о ранних этапах эволюции четвероногих
Биологи секвенировали геном рогозуба — двоякодышащей рыбы, которая обитает на северо-востоке Австралии. Исследование подтвердило, что двоякодышащие рыбы являются ближайшими родственниками наземных четвероногих позвоночных, а многие их генетические особенности свидетельствуют об адаптациях, облегчающих выход на сушу. Среди них рост числа генов, ответственных за работу легких и воздушное обоняние, а также появление генов, ответственных за формирование лап вместо плавников. Как отмечается в статье для журнала Nature, работа потребовала применения ряда новых технологий, ведь до сих пор ученые не секвенировали такие большие геномы, как у рогозуба.
Двоякодышащие рыбы (Dipnoi) были открыты в XIX веке и с тех пор остаются в центре внимания ученых. В анатомии этих существ сочетаются особенности, характерные как для рыб, так и для наземных четвероногих позвоночных (Tetrapoda): например, у них есть настоящие легкие, а их конечности скорее напоминают лапы, чем плавники. А исследования рекордно длинных геномов двоякодышащих рыб свидетельствуют, что они являются ближайшими ныне живущими родственниками четвероногих (линия кистеперых рыб, включающая знаменитых латимерий, отделилась чуть раньше).
Всего до наших дней дожило шесть видов двоякодышащих рыб: четыре вида африканских протоптеров (Protopterus), южноамериканский лепидосирен (Lepidosiren paradoxa) и австралийский рогозуб (Neoceratodus forsteri). Считается, что последний вид сохранил больше всего архаичных черт строения, например, крупную чешую и лопастевидные плавники, которые у других двоякодышащих приобрели нитевидную форму.
Команда биологов во главе с Акселем Мейером (Axel Meyer) из Констанцского университета решила исследовать геном рогозуба в поисках указаний на то, какими были ранние этапы эволюции наземных позвоночных. Кроме того, их интересовало, почему геномы этих рыб настолько велики. Для этого Мейер и его коллеги взяли образцы у молодого рогозуба и провели их секвенирование. Ученым пришлось использовать ряд новых технологий, ведь геном рогозуба самый крупный из когда-либо отсеквенированных геномов животных: он состоит более чем из 43 миллиардов пар оснований, что в 14 раз больше, чем у человека (до этого самым большим отсеквенированным геномом считался геном аксолотля (Ambystoma mexicanum), состоящий и 32 миллиардов пар оснований).
Проанализировав полученный материал, авторы подтвердили выводы предыдущих исследований об эволюционной близости двоякодышащих рыб и четвероногих. По их расчетам, две эти ветви разошлись около 420 миллионов лет назад.
Судя по всему, увеличение размеров генома двоякодышащих рыб происходило в период от 400 до 200 миллионов лет назад, после чего замедлилось (независимо от двоякодышащих рыб увеличивался геном хвостатых амфибий). В результате, например, у рогозуба геном разросся до 37 гигабаз, девяносто процентов из которых составляют повторяющиеся последовательности. Основной вклад в увеличение генома дали мобильные генетические элементы транспозоны, некоторые из которых все еще активны, а значит, продолжают распространяться по геному и увеличивать его объем. Интересно, что соотношение основных классов транспозонов у рогозуба напоминает таковое у четвероногих (включая аксолотлей), а не у рыб.
Дополнительный анализ выявил в геноме рогозуба 259 генов, которые подверглись воздействию положительного отбора. Многие из них связаны с производством гормона эстрогена и работой женской репродуктивной системы. Кроме того, в 107 семействах генов их количество увеличилось, а в 24 семействах — уменьшилось.
Например, число генов, отвечающих за производство белков-сурфактантов (они входят в смесь липопротеинов, покрывающих поверхность легких изнутри), по сравнению с рыбами выросло в два-три раза и достигло такого же количества, как у наземных позвоночных. Кроме того, было обнаружено, что ген shh, ответственный за развитие легких, в ходе эмбрионального развития рогозубов экспрессируется так же, как у амфибий. Все это свидетельствует об адаптациях, необходимых для дыхания воздухом.
Изменения в геноме двоякодышащих рыб коснулись не только генов, связанных с дыханием. Исследование показало, что в их эволюционной линии значительно выросло число генов рецепторов, ответственных за воздушное обоняние и работу вомероназального органа. При этом генов, связанных с обонянием в водной среде, стало меньше. Отдельное внимание авторы уделили генетическим основам развития конечностей. В частности, они обнаружили, что гены sall1 и hoxc13, которые участвуют в развитии конечностей четвероногих, активны и на эмбриональной стадии у рогозуба.
Таким образом, уже на ранних этапах эволюции двоякодышащие рыбы приобрели многие генетические особенности, облегчающие жизнь за пределами водоемов. Возможно, они возникли уже у их общих предков с наземными позвоночными и помогли последним колонизировать сушу.
Ранее биологи исследовали эмбриональное развитие плавников рогозуба и пришли к выводу, что за образование пальцев и остальных элементов скелета конечностей у четвероногих отвечают две разные программы развития.
Сергей Коленов
Но это ухудшило их сон
Биологи из США и Швейцарии обнаружили, что мыши стремятся спать, прижавшись друг к другу, даже когда у них есть возможность комфортно поспать в одиночестве. Как сообщается в журнале Current Biology, во время совместного сна у мышей синхронизируются некоторые нейрофизиологические показатели, но эта синхронизация зависит от пола и родственных связей. При этом в одиночестве мыши спят крепче: фазы медленного сна длятся дольше, чем когда они спят рядом с сородичами. Присутствие конспецификов влияет на сон по крайней мере у нескольких видов животных. Ранние исследования показали, что во время совместного сна у людей синхронизируется колебательная активность мозга. Также живущие в группах животные могут ложиться спать и просыпаться в одно и то же время. Близость сородичей, с одной стороны, нередко ухудшает сон. Люди, спящие с кем-то, кто страдает бессонницей, тоже могут начать испытывать проблемы со сном. Продолжительность сна бабуинов сокращается, когда они находятся рядом с сородичами. При этом люди и некоторые нечеловеческие животные нередко предпочитают спать вместе, а социальные контакты и прикосновения в целом считаются полезными для социальных видов. Исследовать этот вопрос взялись ученые из Мичиганского и Цюрихского университетов под руководством Ады Эбан-Ротшильд (Ada Eban-Rothschild). Чтобы выяснить, как социальный контекст влияет на сон, они наблюдали за тем, как во сне и перед сном ведут себя мыши, живущие изолированно или с сородичами (либо братьями и сестрами, либо с незнакомыми мышами). Также ученые записывали ЭЭГ мышей с помощью имплантированных беспроводных устройств. Сначала ученые наблюдали за поведением однополых сиблингов в их домашних клетках. Они сравнили количество времени, которые грызуны тратили на еду, груминг, гнездование и отдых за 40 и 20 минут до начала сна и непосредственно перед тем, как уснуть, и сколько времени они тратили на эти занятия, находясь в близком контакте друг с другом. По мере приближения сна мыши все чаще занимались гнездованием, самогрумингом и отдыхом, прижимаясь друг к другу, — то есть искали физического контакта перед сном. Засыпали мыши также прижавшись к сородичам. Затем ученые решили выяснить, ищут ли мыши физического контакта перед сном намеренно или в общей клетке просто неудобно спать в одиночестве. Они организовали для мышей условия, в которых те могли выбрать, как им спать — в одиночку или рядом с сородичем. Пары взрослых мышей-сиблингов помещали в две одинаковых камеры, соединенные трубкой: в первые сутки между камерами можно было свободно перемещаться. В этот день мыши проводили большую часть времени в одной камере, где соорудили себе гнездо и спали. На второй день в конце активной темной фазы одной мыши ограничили доступ к камере, выбранной грызунами для сна. Вторая мышь все так же свободно могла перемещаться между камерами. В итоге обе мыши остались спать в наименее предпочтительной камере, прижавшись друг к другу, несмотря на то, что одна из них могла остаться на прежнем месте, которое, по всей видимости, было удобным. Это говорило о том, что мыши предпочитают спать вместе с сородичами, даже если могут не делать этого. Поскольку температура в лаборатории была ниже той, которая комфортна для мышей, исследователи предположили, что грызуны просто хотят согреться во время сна, поэтому предпочитают спать рядом. Тогда они модифицировали установку: одна камера была «теплой» (30 градусов Цельсия — термонейтральная зона для мышей), а другая — «холодной», там температура осталась комнатной. Как и ожидалось, в первый день мыши остались спать в там, где теплее. Но когда на следующий день одной из них ограничили доступ к теплой камере, вторая мышь тоже стала проводить больше времени в холодной и в конце концов осталась там спать. При этом мыши немного дольше прижимались друг другу. Кроме прочего ученые обнаружили, что время начала сна и общее время сна и бодрствования синхронизировалось у мышей (родственников и не-родственников), когда они жили и спали вместе, по сравнению с тем, когда они жили изолированно. Однако это зависело от пола и социального контекста. У спящих вместе самцов-сиблингов синхронизировались быстрые фазы сна, но в диадах самок и в диадах неродственных мышей такого не происходило. Во время медленного сна у самцов-сиблингов также синхронизировалась колебательная активность в дельта-диапазоне. Мощности тета-ритма синхронизировались у самцов и у самок-сиблингов. Однако качество сна страдало, когда мыши спали вместе: фрагментировались фазы медленного сна — их количество увеличивалось, а длительность снижалась. Также во время медленного сна снижалось количество дельта-волн. Поскольку мыши, несмотря на это, стремились спать рядом с другими, авторы пришли к выводу, что у них есть некая внутренняя мотивация в постоянному физическому контакту во время сна. Недавно мы писали о том, что антарктические пингвины, охраняющие птенцов или насиживающие яйца, погружаются в медленный сон всего на несколько секунд сотни раз за час: шум соседей по колонии вынуждает их все время быть настороже.
