Геном гаттерии открывает подробности эволюции позвоночных — uzkinobiz.ru
Интернациональная группа учёных секвенировала и проанализировала геном гаттерии (Sphenodon punctatus), единственного живого представителя отряда лепидозавров Клювоголовые (Rhynchocephalia, Sphenodontia), некогда обширно распространённого на старом суперконтиненте Гондвана.
Кто таковая гаттерия
Гаттерия, либо туатара, — реликтовое наземное позвоночное, сейчас обитающее только на 35 маленьких островах, принадлежащих Новейшей Зеландии. Формой тела она припоминает оснащённую необычным шипастым гребнем ящерицу длиной до 80 см и массой до полутора кг. Цвет её наружных покровов варьирует от оливково-зелёного до кофейного и даже оранжево-красного и может изменяться в течение жизни. На верхней стороне головы у гаттерии есть развитый теменной глаз, способный различать степень освещённости. Раз в год она сбрасывает кожу. Питается гаттерия жуками, сверчками, пауками, маленькими ящерицами и время от времени морскими птицами.
Будучи, как вид, единственным представителем очень архаичного отряда пресмыкающихся Rhynchocephalia, гаттерия весьма увлекательна в качестве объекта генетических исследовательских работ. Доп энтузиазму учёных содействуют некие любознательные нюансы биологии гаттерии. В частности, у этого вида любопытно определяется пол: самки появляются при температуре кладки ниже, а самцы выше 22 градусов Цельсия. (В исследовании такое определение пола у гаттерий почему-либо названо неповторимым, но это не так: таковым же образом определяется пол у всех крокодилов, большинства черепах и неких ящериц. Также у неких заврий, в частности у бородах агам, встречаются необычные сочетания температурной и хромосомной систем определения пола: пол зародыша быть может вначале определён половыми хромосомами, но позже переопределён температурой кладки). Также учёным увлекательны маленький уровень метаболизма гаттерии и её существенное долголетие.
Принимаясь изучить гаттерию, учёные подразумевали, что она быть может на генном уровне близка стволовым завропсидам, от которых произошли все ящерицы, змеи, птицы, крокодилы и черепахи, и даже — в некой степени — базальным амниотам, предковым по отношению не лишь к завропсидам, да и к млекопитающим.
Большенный геном
Чтоб лучше разобраться в биологии гаттерии, учёные секвенировали и проанализировали её геном.
Размер генома гаттерии — около 5 гигабаз (млрд пар оснований). Для сопоставления, геномы человека, бонобо и черноносой сероватой акулы — по 3,3 Гб, собаки — 2,7, болотной черепахи — 2,5, нильского крокодила — 2,8 Гб. В то же время размер генома двоякодышащей рыбы Protopterus aethiopicus (мраморный протоптер) — 130 Гб, пламенной саламандры — 29,3 Гб. Таковым образом, геном гаттерии, хоть и не рекордный, всё же достаточно большенный для позвоночного, в особенности для амниоты. При всем этом, как показал анализ, весьма большая часть CpG-динуклеотидов, около 81%, у гаттерии — метилирована. Это самый большенный процент посреди амниот, геномы которых секвенированы (у мыши и человека аналогичный показатель — около 70%, у курицы — 50, у зебры — 78). Так как метилирование — один из главных устройств отключения генов, можно создать заключение о весьма высочайшей роли эпигенетической регуляции генома этого реликтового звериного. Беря во внимание тот факт, что весьма огромную часть генома гаттерии (не наименее 64%) составляют повторяющиеся последовательности, почти все из их, видимо, как раз и отключаются с помощью метилирования ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов). Это можно сопоставить с большущим комбинатом, на котором весьма много схожих цехов и отделов, но почти все из их при всем этом закрыты (хотя оборудование в их и не демонтировано).
Странноватые сближения
Огромные участки генома гаттерии (к примеру, основной комплекс гистосовместимости) близки таким у американского красногорлого анолиса, которого исследователи разглядывали как обычного лепидозавра. Также встречаются длинноватые последовательности генов, гомологичные таким у птиц, черепах и крокодилов. А меж генетическими кодами гаттерии и курицы наблюдается мощная коллинеарность. В этом, в общем, нет ничего необычного, беря во внимание то, что и гаттерии, и архозавроморфы, к которым относят птиц и крокодилов, а в крайнее время и черепах, — завропсиды. Существенно увлекательнее то, что в геноме гаттерии встречаются последовательности, отсутствующие у остальных лепидозавров и совершенно завропсид, но при всем этом обыденные для млекопитающих! В основном, для однопроходных (утконос и ехидны; до 10%), да и для плацентарных тоже (крайних, правда, весьма не много, наименее 1%).
Гены и стиль жизни
Хотя гаттерия и ночное звериное, сравнительный анализ выявил у неё весьма развитую систему генов, отвечающих за зрение. Судя по всему, она не лишь отлично лицезреет и днём, и ночкой, да и сохраняет в сумерках устойчивое восприятие цветов. Этот широкий зрительный репертуар можно разъяснить тем, что юные гаттерии нередко ведут дневной и древесный стиль жизни, чтоб избегать взрослых гаттерий — наземных и ночных. В совокупы эти результаты могут указывать на эволюционный путь к ночной адаптации от дневного предка.
Также в геноме гаттерии нашли 472 последовательности, экспрессирующие обонятельные сенсоры. Из их 341 кажутся неповреждёнными (с остальными, если кратко, что-то не так, и они, видимо, не работают). В целом это средний показатель для завропсид (у птиц генов рецепторов аромата от 182 до 688, у красногорлого анолиса — 156, у крокодилов и черепах — 1000—2000), и с чутьем у неё всё в порядке: она различает огромное количество запахов и, видимо, обширно и интенсивно применяет это умение в жизни. К примеру, есть некие свидетельства того, что гаттерии употребляют клоакальные выделения как идентификационные хемосигналы.
Поведение гаттерии, как и у почти всех остальных пресмыкающихся, очень зависит от температуры тела, которая, в свою очередь, зависит от температуры среды. При всем этом посреди всех живущих завропсид гаттерия различается самой низкой хорошей температурой тела — 16—21 °C. Учёные представили, что при таком положении вещей в её геноме должны быть гены, кодирующие транзиторные рецепторные потенциальные ионные каналы (TRP-каналы), играющие существенную роль в теплорегуляции. Так и оказалось — в ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов) туатары обнаружилось 37 таковых генетических последовательностей, обхватывающих семь узнаваемых подсемейств TRP-генов. По словам создателей работы, «это необыкновенно большенный репертуар TRP-генов».
Долголетие
Кроме черепах, гаттерии — самые долгоживущие из пресмыкающихся. Судя по всему, они могут достигать возраста наиболее 100 лет. Эта большая длительность жизни быть может связана с генами, обеспечивающими защиту от активных форм кислорода. Один из классов генных товаров, обеспечивающих такую защиту, — селенопротеины. Человечий геном шифрует 25 селенопротеинов, роль которых включает в себя антиоксидантное действие, окислительно-восстановительное регулирование и синтез тиреоидных гормонов. В геноме гаттерии исследователи нашли 26 генов, кодирующих селенопротеины, и четыре селеноцистеин-специфичных тРНК-гена. Они все функциональны, и, возможно, это не все гены, отвечающие за долголетие.
Эволюционная история и пространство в систематике
Исследование подтвердило монофилетическую природу надотряда лепидозавров, включающего гаттерию и чешуйчатых, но при всем этом показало, что эволюционные пути гаттерии и предка всех чешуйчатых (ящериц, змей и амфисбен) разошлись весьма издавна, в ранешней части Триаса, около 250 млн годов назад. Приблизительно тогда же, когда линия предка черепах отошла от полосы предка всех крокодилов, динозавров и птиц. Другими словами, на самом деле, гаттерия — сестринский по отношению ко всем сегодняшним чешуйчатым таксон. При всем этом геном гаттерии свидетельствует о том, что это более медлительно эволюционирующий лепидозавр из всех проанализированных. Вследствие чего же логично (хотя, на самом деле, всё равно умопомрачительно), что её геномная архитектура не похожа ни на что, описанное ранее, и включает, вместе с признаками, соответствующими для лепидозавров, огромное количество признаков, которые ранее числились присущими только млекопитающим. Таковым образом, гаттерия — живое свидетельство существования когда-то общего предка всех амниот: и заврий, и млекопитающих.
Гаттерия (Sphenodon) на филогенетическом древе четырехногих.
С полом — пока неясно
Понятно, что пол у гаттерий определяется температурой во время инкубации яиц: выше 22 °C — вылупятся самцы, ниже — самки. Но как это обеспечивается на уровне генома?
У гаттерии 36 хромосом (14 пар макрохромосом и 4 пары микрохромосом). У обоих полов набор хромосом однообразный. Специфичных половых хромосом — нет. В геноме обнаружены гены, известные по иным видам как вовлечённые в определение пола, маскулинизацию либо феминизацию. Но все эти гены есть и у самцов гаттерии, и у самок. Полоспецифичных однонуклеотидных вариантов меж самцом и самкой гаттерии — нет.
Как это происходит у остальных звериных?
Все, наверное, знают про X- и Y-хромосомы у человека и практически всех млекопитающих. X-хромосома большая, Y — малая. Индивидум, которому достаётся сочетание XY, рождается мужиком (самцом), XX — дамой (самкой). Строго говоря, огромную часть «мужской» инфы несёт ген SRY — это достаточно длиннющий участок Y-хромосомы, но вся Y-хромосома. Если этот ген вставить в другую хромосому, то даже особь, родившаяся с 2-мя X-хромосомами, но с сиим геном в геноме, физиологически будет самцом.
В обыкновенной ситуации Y-хромосома несёт доп, мужскую, информацию. Но как быть с 2-мя X-хромосомами у самки? Они ведь несут дублирующую генетическую информацию. Чтоб избежать аномалий, у млекопитающих предусмотрен механизм так именуемой дозовой компенсации: в соматических клеточках самок одна X-хромосома инактивируется — за ненадобностью.
У почти всех завропсид (но не у всех) определение пола происходит с помощью Z- и W-хромосом. В данной для нас системе всё напротив — Z — большая хромосома, W — малая, несущая доп информацию, но ZZ-особи — самцы, ZW — самки. При всем этом в соматических клеточках самцов одна Z-хромосома инактивируется.
У всех крокодилов, практически всех черепах и почти всех ящериц механизм определения пола — температурозависимый, как и у гаттерий. Очевидно, термическое определение пола тоже отражено в геноме. Виды, у которых пол определяется таковым образом, не имеют «мужского» гена SRY, но у их есть остальные гены, связанные с определением пола. К примеру, DAX1, DMRT1, SOX9, SF1, SOX9, RSPO1 и WNT4. Такие гены находятся у обоих полов, но экспрессируются или не экспрессируются в зависимости от температуры. С включением и выключением такового рода генов в ранее изученных геномах заврий соединены полоспецифичные паттерны метилирования — в зависимости от температуры кладки метилируются те либо другие участки ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота — макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов), что и описывает пол эмбриона. У гаттерии в данном исследовании полоспецифичные паттерны метилирования не выявлены. Но это, возможно, не повод считать, что у неё всё конструктивно по-другому. Так либо по другому, температурозависимое определение пола просто должно сводиться к включению экспрессии одних генов и выключению остальных с помощью метилирования либо, быть может, ацетилирования. Но, чтоб получить достоверный ответ на вопросец о том, какие конкретно генетические и эпигенетические механизмы определяют пол гаттерий, необходимы доп исследования.