Отсеквенированы геномы всех ныне существующих родов двоякодышащих рыб • Новости науки (original) (raw)
Изучение геномов всех трех родов современных двоякодышащих рыб (австралийского рогозуба, африканского протоптера и южноамериканского лепидосирена) показало, что гигантский размер геномов двоякодышащих объясняется бесконтрольным размножением мобильных генетических элементов — ретротранспозонов. Отчасти это объясняется тем, что у предков современных двоякодышащих редуцировалась система обезвреживания мобильных элементов при помощи специальных малых РНК (пиРНК). У хвостатых амфибий — второй группы позвоночных, которая независимо обзавелась гигантскими геномами, — активность этой системы, по-видимому, тоже понижена. Кроме того, удалось расшифровать генетические основы превращения мясистых парных плавников, характерных для древних двоякодышащих и сохранившихся у рогозуба, в странные нитевидные придатки протоптера и лепидосирена. Это было связано с утратой нескольких важных генов — регуляторов развития конечностей, а также с изменениями сверхконсервативного энхансера (регуляторного элемента), который у четвероногих, латимерии и рогозуба отвечает за своевременное включение гена sonic hedgehog в зачатке конечности.
Двоякодышащие (Dipnoi) — ближайшие невымершие родственники наземных позвоночных (Tetrapoda). В изучении «выхода рыб на сушу» они играют примерно такую же роль, как шимпанзе — в изучении происхождения человека. Латимерию в этом плане можно сравнить с гориллой: ее линия отделилась от предков тетрапод раньше, чем двоякодышащие, но позже, чем все остальные современные группы (рис. 1).
Расцвет двоякодышащих пришелся на девонский период, когда их насчитывалось до сотни видов. После массового вымирания в конце девона (см. После массового вымирания на рубеже девона и карбона позвоночные измельчали, «Элементы», 16.11.2015) двоякодышащие уже никогда не достигали такого разнообразия.
Современные двоякодышащие представлены всего-навсего тремя родами. Их ареалы и родственные отношения отражают последовательность раскола суперконтинента Гондвана (рис. 2). Сначала, около 200 млн лет назад, предки современных двоякодышащих разделились на предков австралийского рогозуба и всех остальных. Рогозуб сохранил внешнее сходство с древними двоякодышащими и, вероятно, с предками тетрапод. В последние 70 млн лет его морфология, похоже, вообще почти не менялась: меловые представители рода Ceratodus мало отличаются от современного Neoceratodus.
Позднее, около 100 млн лет назад, разделились предки африканского протоптера и южноамериканского лепидосирена. У этих рыб парные плавники вторично упростились и превратились в нитевидные придатки, совсем не похожие на лапы тетрапод. Зато легкие у них парные, как у тетрапод, в то время как у рогозуба легкое непарное (подробнее об эволюции легких у рыб см. в новости У латимерии найдены легочные артерии, «Элементы», 19.08.2024).
Еще одна интригующая особенность двоякодышащих — гигантский размер их геномов (о закономерностях эволюции размера генома у позвоночных подробно рассказано в новости Геномы хвостатых амфибий с самого начала были большими, «Элементы», 24.06.2015).
Таким образом, геномы двоякодышащих — вдвойне интересный объект для изучения. Они могут пролить свет и на происхождение тетрапод (подобно тому, как геном шимпанзе помог в понимании антропогенеза), и на эволюцию размеров генома. Однако такие огромные геномы, к тому же переполненные повторяющимися последовательностями, изучать очень трудно. До какого-то момента это сдерживало исследователей. Но технологии секвенирования и анализа геномов неуклонно совершенствуются, так что дошел черед и до двоякодышащих.
В 2021 году появились сразу две статьи с почти одинаковыми названиями, в которых сообщалось о прочтении геномов рогозуба Neoceratodus forsteri европейско-американским исследовательским коллективом (A. Meyer et al., 2021. Giant lungfish genome elucidates the conquest of land by vertebrates) и протоптера Protopterus annectens — китайскими учеными (K. Wang et al., 2021. African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transition).
В августе 2024 года тот же коллектив, что ранее отсеквенировал рогозуба, доложил об успешном прочтении самого огромного генома, принадлежащего южноамериканскому лепидосирену Lepidosiren paradoxa, а также о втором геноме Protopterus annectens и более глубоком анализе генома рогозуба при помощи новых аналитических методов. В итоге в руках исследователей оказались качественно прочтенные, собранные в хромосомы и проаннотированные геномы всех трех родов современных двоякодышащих. Что же показал их анализ?
Во-первых, теперь у нас есть точные оценки их размеров: у австралийского Neoceratodus — 37 миллиардов пар оснований (гигабаз) в 17 хромосомах, у африканского Protopterus — 40 гигабаз в 17 хромосомах, а у южноамериканского Lepidosiren — фантастические 87 гигабаз в 19 хромосомах. Геном лепидосирена — самый большой из отсеквенированных геномов животных. Для сравнения, у человека — всего-навсего 3 гигабазы в 23 хромосомах. Почти каждая из хромосом лепидосирена (18 из 19) по отдельности больше, чем весь человеческий геном.
При этом число белок-кодирующих генов в этих гигантских геномах — совершенно обычное, ничем не выделяющееся на фоне других животных: от 19 до 22 тысяч (примерно как у человека, собаки или курицы). Уже из этих цифр понятно, что громадный размер геномов двоякодышащих объясняется не увеличением числа генов, а непомерным разрастанием некодирующих участков.
Современные методы филогенетического анализа показали, что в эволюции позвоночных было два независимых случая, когда размер генома вдруг начинал быстро увеличиваться. Первый раз это произошло у предков современных двоякодышащих — еще до их разделения на три рода, но после отделения от предков тетрапод (рис. 3). Второй раз — у предков современных хвостатых амфибий (см. Геномы хвостатых амфибий с самого начала были большими, «Элементы», 24.06.2015).
Увеличение геномов, как ему и положено, сопровождалось увеличением размеров клеток. Здесь уместно пояснить, что о размере клеток у ископаемых позвоночных судят по размеру полостей в костях, которые остаются от остеоцитов — клеток костной ткани. По размеру клеток, в свою очередь, можно судить о размере генома, поскольку эти показатели довольно строго коррелируют друг с другом (см. Малый размер птичьих геномов — наследие эпохи динозавров, «Элементы», 16.03.2007).
Быстрее всего геном увеличивался у предков Lepidosiren после их отделения от африканских протоптеров. В течение кайнозоя у предков L. paradoxa геном увеличивался в среднем на 3,7 гигабаз (это больше, чем весь геном человека) каждые 10 млн лет.
Главный механизм быстрого увеличения геномов в ходе эволюции — это активность «эгоистичной» ДНК, то есть мобильных генетических элементов (МГЭ), которые постоянно пытаются вставлять новые копии самих себя в хозяйский геном. Авторы изучили повторяющиеся последовательности, включая МГЭ, в геномах двоякодышащих, аксолотля (представителя хвостатых амфибий с гигантским 32-гигабазным геномом) и латимерии — ближайшего родственника двоякодышащих и тетрапод. Геном латимерии имеет обычный для позвоночных размер — около 2,75 гб.
Анализ подтвердил, что и у двоякодышащих, и у хвостатых амфибий геномы разрослись за счет размножения МГЭ. В обоих случаях это были ретротранспозоны, но разных типов: у двоякодышащих — в основном LINEs (long interspersed nuclear elements), а у аксолотля — LTRs (long terminal repeats). Это согласуется с выводом о том, что увеличение генома у хвостатых амфибий и двоякодышащих — два независимых эволюционных события.
Многие МГЭ двоякодышащих по-прежнему продолжают встраивать в хозяйские геномы свои копии. То есть они еще не потеряли активность из-за накапливающихся мутаций, как это рано или поздно происходит с каждой конкретной копией МГЭ. На это указывает, в частности, то, что в одном из двух прочтенных геномов африканского протоптера есть недавние вставки МГЭ, которых нет во втором геноме. По-видимому, геномы двоякодышащих до сих пор продолжают разрастаться из-за активности МГЭ.
Но почему МГЭ в геномах двоякодышащих стали бесконтрольно размножаться? Исчерпывающий ответ на этот вопрос должен складываться из двух частей:
- Непосредственные (proximate), или «технические» причины. Такие, например, как утрата или повреждение молекулярных механизмов, которые в норме должны контролировать активность МГЭ.
- «Истинные» (ultimate) причины более высокого уровня, которые, собственно, и объясняют, почему так получилось. В биологии это, как правило, эволюционные причины, объясняющие, почему отбор поддержал интересующее нас изменение или не воспрепятствовал ему.
Одну непосредственную причину авторам удалось найти. Оказалось, что у двоякодышащих редуцирована система контроля активности МГЭ при помощи специальных маленьких регуляторных РНК (так называемых пиРНК). Об этой системе рассказано в новостях У млекопитающих найдена система управления мобильными генетическими элементами («Элементы», 11.05.2007) и У низших животных обнаружены системы управления генами и транспозонами при помощи малых РНК («Элементы», 03.10.2008). Если у рогозуба какие-то функциональные пиРНК еще сохранились (хотя их разнообразие гораздо меньше, чем у других позвоночных), то у протоптера и лепидосирена, похоже, вся система полностью вышла из строя.
Авторы также проверили экспрессию пиРНК у аксолотля. У него, как выяснилось, производство этих защитных молекул тоже ослаблено по сравнению с другими позвоночными.
Кроме того, у обладателя самого огромного генома — лепидосирена (но не у протоптера с рогозубом) понижено число генов из группы KZFP (Krüppel-associated box-containing zinc-finger protein genes), которые тоже участвуют в укрощении эгоистичных МГЭ.
Редукция защитных систем объясняет, почему у двоякодышащих расплодились МГЭ и разрослись геномы. Но это лишь техническое объяснение. Нужно еще понять, почему отбор допустил редукцию этих систем. По-видимому, активность МГЭ и разрастание генома почему-то приносили двоякодышащим меньше вреда, чем другим животных. Но почему? Об этом в обсуждаемой статье новых данных нет. Зато в уже неоднократно цитировавшейся новости Геномы хвостатых амфибий с самого начала были большими («Элементы», 24.06.2015) есть хороший теоретический обзор по теме. Там, в частности, говорится, что одним из факторов, способствовавших разрастанию геномов у хвостатых амфибий, могла быть неотения или педоморфоз, то есть сохранение у взрослого животного признаков, которые у его предков были характерны для ранних стадий развития.
У неотенических амфибий отсутствует метаморфоз, в ходе которого организм перестраивается, что требует множества быстрых клеточных делений. Огромный геном мешает клеткам быстро делиться, ведь перед каждым делением геном должен реплицироваться. Таким образом, предполагается, что неотения отчасти снимает ограничения на разрастание генома. Это согласуется с тем, что у хвостатых амфибий самые огромные геномы характерны как раз для неотенических видов.
Интересно, что у современных двоякодышащих, по сравнению с их палеозойскими предками, тоже есть неотенические черты (W. E. Bemis, 1984. Paedomorphosis and the evolution of the Dipnoi). Они прослеживаются в морфологии и анатомии плавников (редукция плавниковых лучей, примитивный симметричный хвостовой плавник), в строении чешуи (отсутствует космин), скелета (на всю жизнь сохраняется хорда, а многие хрящи скелета, которые у других рыб окостеневают, у современных двоякодышащих так и остаются хрящами), а также в работе гипоталамо-гипофизарно-тиреоидной оси, которая контролирует метаморфоз у рыб и амфибий (J. Joss, 1998. Are extant lungfish neotenic?).
Так что не исключено, что неотения была одним из факторов, способствовавших разрастанию генома не только у хвостатых амфибий, но и у двоякодышащих. Они, кстати, даже по общему облику чем-то похожи друг на друга.
Считается, что активность МГЭ повышает вероятность хромосомных перестроек. Но в эволюции двоякодышащих таких перестроек, как ни странно, было довольно мало. Это видно из того, что последовательность расположения генов в хромосомах похожа у всех трех родов. Более того, хромосомы рогозуба не так уж сильно отличаются от хромосом общего предка всех тетрапод — насколько их можно реконструировать современными методами сравнительной геномики.
Ферменты, кодируемые ретротранспозонами, иногда вставляют в хозяйский геном не только новые копии МГЭ, но и новые копии хозяйских генов, синтезированные на основе мРНК путем обратной транскрипции. В результате получается «ретрокопия», отличающаяся от исходного гена отсутствием интронов. Это один из механизмов генных дупликаций и потенциально важный путь возникновения эволюционных новшеств. Правда, большинство ретрокопий не работают как гены, потому что у них нет необходимых для этого регуляторных участков. Но все же изредка из ретрокопии может получиться работающий ген (см. Прослежена эволюционная история одного из человеческих генов, «Элементы», 17.06.2008).
Поскольку в геномах двоякодышащих содержится рекордное количество ретротранспозонов, можно ожидать, что и новые ретрокопии у них возникают чаще обычного. Это подтвердилось: в геноме лепидосирена обнаружено 1847 пар «исходный ген — ретрокопия», у протоптера таких пар 1201, у неоцератода — 1159. У других позвоночных их обычно в несколько раз меньше.
Как полагается в подобных исследованиях, авторы постарались извлечь из новых геномных данных какую-нибудь конкретику про эволюцию интересных признаков. Что-нибудь относительно простое и понятное обычному человеку, а не только искусственному сверхразуму грядущих эпох, который обязательно осмыслит все эти безумные горы геномных данных, накопленные биологами XXI века, всё поймёт про эволюцию земной жизни и, может быть, даже нам сумеет что-то объяснить.
Авторам повезло: одну интересную эволюционную историю им действительно удалось расшифровать. Они разобрались в генетических основах превращения мясистых плавников, характерных для рогозуба (а также древних двоякодышащих и предков тетрапод), в смешные плавники-ниточки протоптера и лепидосирена. Основные выводы отражены на рис. 4.
Как выяснилось, предки протоптера и лепидосирена утратили несколько генов и регуляторных элементов (энхансеров), которые сохранились у рогозуба и которые необходимы для нормального развития парных конечностей у позвоночных. Кроме того, у них изменились консервативные участки энхансера ZRS, который необходим для того, чтобы важнейший ген — регулятор развития sonic hedgehog (shh) включался в нужный момент в нужном месте зачатка конечности. Ген shh необходим, в частности, для создания передне-задней полярности зачатка: в зоне, где он активен, у тетрапод развивается мизинец, а на максимальном удалении — большой палец (см. Идеи Алана Тьюринга помогли понять механизм развития пальцев у позвоночных, «Элементы», 18.12.2012). К слову заметим, что боковые хрящевые лучи (радиальные элементы) плавника Neoceratodus, изображенные на рисунке 4 справа от центральной оси (это постаксиальные, то есть задние скелетные элементы), являются гомологами пальцев тетрапод. Те, что слева (преаксиальные элементы), у тетрапод отчасти редуцировались, отчасти вошли в состав предплечья/голени и запястья/предплюсны.
В нижней части рисунка показано, что участки энхансера ZRS, одинаковые у мыши, ящерицы, курицы, латимерии и рогозуба (вот что значит настоящая эволюционная консервативность!), у протоптера и лепидосирена либо изменены, либо утрачены. Авторам удалось показать в экспериментах на трансгенных мышах, что ZRS рогозуба успешно включает подконтрольный ему ген в зачатке конечности, в то время как ZRS лепидосирена или протоптера не справляется с этой задачей. Более того, оказалось, что если в развивающемся парном плавнике протоптера (опыты проводились с плавником, регенерирующим после ампутации) искусственно активировать сигнальный каскад shh, то в плавнике начинает развиваться нечто похожее на радиальные элементы (которые, как мы знаем, есть у рогозуба, но в норме отсутствуют у протоптера). С лепидосиреном, правда, этот номер не прошел. То есть ткани зачатка плавника у протоптера сохранили чувствительность к shh, а у лепидосирена уже утратили ее.
Таким образом, эксперименты подтвердили, что деградация энхансера ZRS сыграла важную роль в упрощении парных плавников у протоптера и лепидосирена.
Источник: Manfred Schartl, Joost M. Woltering, Iker Irisarri, Kang Du, Susanne Kneitz, Martin Pippel, Thomas Brown, Paolo Franchini, Jing Li, Ming Li, Mateus Adolfi, Sylke Winkler, Josane de Freitas Sousa, Zhuoxin Chen, Sandra Jacinto, Evgeny Z. Kvon, Luis Rogério Correa de Oliveira, Erika Monteiro, Danielson Baia Amaral, Thorsten Burmester, Domitille Chalopin, Alexander Suh, Eugene Myers, Oleg Simakov, Igor Schneider & Axel Meyer. The genomes of all lungfish inform on genome expansion and tetrapod evolution // Nature. 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07830-1.
См. также:
- У латимерии найдены легочные артерии, «Элементы», 19.08.2024.
- Геномы хвостатых амфибий с самого начала были большими, «Элементы», 24.06.2015.