Молекулярная эволюция генов превратила китообразных в гигантов

Бразильские генетики изучили эволюцию генов, которая сделала китообразных гигантами. Они обнаружили гены, которые отбирались из поколения в поколение, и помогли не только достичь огромных размеров, но и жить долго без высокого риска онкологических заболеваний. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Гигантизм — это развитие у видов огромных размеров тела, сильно превышающих их маленьких предков. Когда-то предки китообразных переселились с земли в воду и с течением эволюции стали самыми крупными существами на планете. В воде достаточно свободного пространства, пища калорийнее и вес тела меньше. У больших существ меньше соперников, а также им легче сохранять тепло в холодной воде. Но у большого тела есть и негативные последствия, — из-за крупных размеров снижается плотность популяции и размножаться сложнее. Кроме того, большое тело состоит из большего числа клеток, — а значит и риск, что одна из клеток станет раковой, — выше. До сих пор не до конца ясно, почему гигантизм оказался благоприятным признаком при естественном отборе.

Мариана Нери (Mariana F. Nery) и ее группа из университета Кампинаса решили изучить, какие изменения в геноме китообразных привели к их большим размерам. Ученые сосредоточили внимание на девяти генах, — пять из них отвечают за гормон роста и инсулиноподобный фактор роста (GHSR, IGF2, IGFBP2, IGFBP7, и EGF), а другие четыре были связаны с крупным размером у других млекопитающих (NCAPG, LCORL, PLAG1, и ZFAT).

Сперва исследователи составили филогенетическое дерево — схему эволюции китообразных, по которой можно отследить взаимосвязь разных видов и общих предков. Генетики определили ветви, которые ведут к усатым китам и кашалотам, — именно среди них встречаются особи длиной более десяти метров. После этого сравнили эволюцию девяти выбранных генов у гигантских и негигантских китообразных.

В генах GHSR, IGFBP7, PLAG1 и NCAPG ученые обнаружили признаки молекулярной эволюции, то есть изменения в последовательности нуклеотидов ДНК. Возникшие изменения находились под положительным отбором — давали преимущество в выживании, поэтому выгодные мутации постепенно распространились среди всей популяции. Гены PLAG1 и NCAPG отвечали за большие размеры тела, а GHSR, IGFBP контролировали клеточный цикл и защищали от онкологии.

А вот с геном EGF произошла обратная ситуация. С течением эволюции в гене EGF появились нуклеотидные последовательности стоп кодонов и превратили его неактивный псевдоген. Это привело к потере шерсти и зубов, а также появлению китового уса — роговых пластин для отсеивания планктона. Китовый ус помог занять свободную экологическую нишу, где достаток пищи позволил стать крупнее.

Это исследование приблизило ученых к пониманию парадокса Пето — когда риск заболеть раком не зависит от количества клеток в организме. По всей видимости, параллельная эволюция генов-контролеров деления клеток и генов крупных размеров позволила китообразным получать пользу от своих огромных размеров и одновременно защититься от онкологии и жить долго.

В природе существует множество удивительных механизмов выживания. Так, например, у галапагосских черепах за счет усиленного апоптоза низкий риск заболеть раком. А у тихоокеанских окуней нашли гены, благодаря которому рыбы живут более 200 лет.