Геном австралийского рогозуба рассказал о ранних этапах эволюции четвероногих

Рогозуб (Neoceratodus forsteri) по прозвищу Дедушка, который жил в Чикагском аквариуме с 1933 по 2017 годы.

Kenneth Lu / Flickr.com

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-суфрактантов (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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.