Геном химери допоміг зрозуміти походження кісток

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 59

Ріс. 1. Химера Callorhinchus milii (в Австралії її називають рибою-слоном за виняткову носатість) у Мельбурнському акваріумі. У природі мешкає в помірних водах біля узбережжя Австралії та Нової Зеландії, на глибинах понад 200 м. Фото з сайту www.carnivoraforum.com

Розшифрований ядерний геном химери Callorhinchus milii, представника хрящових риб. Вчені, зайняті в цьому проекті, виділили три важливі моменти, які випливають з порівняння нового геному з відомими даними. По-перше, химери виявилися найбільш консервативними в еволюційному плані тваринами: швидкість їхньої еволюції нижча, ніж навіть у еволюційних реліктів — кістеперих риб. По-друге, підтвердилася класична гіпотеза, згідно з якою у хрящових риб справжніх кісток, що заміщають скелетний хрящ, не було. Відповідно, гіпотеза про вторинну втрату кісток, мабуть, неспроможна. По-третє, виявлені важливі відмінності імунної системи химер від вищих хребетних: у них немає генів, що кодують рецептори клітин Т-хелперів.

Химери — це загін хрящових риб, який разом з іншими хрящовими рибами — акулами і скатами — відокремився від загального предка щелепноротих близько 420 млн років тому (470-410 за різними уявленнями). У цього спільного предка, на відміну від нелюдських хребетних (згадаймо сучасних міног і міксин, а також вимерлих панцирних риб), були підвішені до черепу щелепи з зубами, а також парні кінцівки (плавники). Все це перейшло в спадок акулам і химерам. Той самий спадок дістався і нащадкам хрящових, але ці щасливчики обзавелися і справжніми кістками, які замістили хрящовий скелет.

Вивчаючи генетичні послідовності хрящових риб і порівнюючи їх з костистими рибами і чотирилапими, можна дізнатися, які генетичні нововведення дозволили сформувати кістки. А зіставляючи хрящових риб з нелюдськими можна отримати відповідь на питання про походження щелеп. Зараз, після розшифровки ядерного геному химери Callorhinchus milii, ця можливість стала реальністю. Її здійснила міжнародна команда фахівців під керівництвом Б. Венкатеша (B. Venkatesh) з Інституту молекулярної та клітинної біології A * Star (Сінгапур). Потрібно зазначити, що ця стаття хоч і відповідає стандартним вимогам Nature про короткість і чіткість викладу, але все ж разом з додатками і додатковими матеріалами займає 255 журнальних сторінок. Так що, мабуть, ця стаття відкриває новий формат публікацій цього старовинного і шанованого журналу — електронна монографія з короткою анотацією у вигляді самої статті.

Судячи з числа нуклеотидних замін і за положенням і складом інтронів, швидкість еволюції химер була найнижчою з усіх хребетних. Вона виявилася навіть нижчою, ніж у кістеперих і у міног, які вважалися головними еволюційними тихоходами. Тепер рекордсменом-консерватором буде вважатися химера.

У химери Callorhinchus milii визначено 18 тисяч генів, що кодують білки, і 693 гена, які кодують мікроРНК. Вчені відзначають, що за кількістю і різноманітністю мікроРНК химери сильно переганяють костистих риб. Близько 16% «химерових» мікроРНК, відсутніх у костистих риб, є у ссавців. Це означає, що вони виявилися не потрібні костистим рибам і вони їх з часом розгубили. Те ж з’ясувалося і з білок-кодуючими генами: знайшлося 17 сімейств білок-кодуючих генів, які є у химер і відсутні у костистих риб та інших тетрапод. З них 16 є у ланцетника і нижчих еукаріот. Найімовірніше, ці 16 сімейств з’явилися на зорі еукаріотичного життя і, прослуживши вірою і правдою своїм нижчим власникам, втратили у вищих хребетних своє значення.

Цікаво, що у химер знайшлися майже всі білки, за допомогою яких в організмі «виготовляються кістки». Єдине відсутнє сімейство генів називається SCPP (secretory calcium-binding phosphoprotein gene family). Попередники цього сімейства — гени sparc і sparcl1, у химер тим не менш є. Вчені припустили, що поява сімейства генів SCPP послужила останньою необхідною ланкою у формуванні справжніх кісток.

Щоб це перевірити, у рибки даніо-реріо відключили ген spp1 — єдиний представник сімейства SCPP в геномі цього виду. В результаті у ембріонів рибок формування кісток сповільнилося, їх будівництвом займалося істотно менше клітин. З цих експериментів вчені зробили висновок, що поява кісток пов’язана саме з сімейством генів SCPP і конкретно геном spp1. Преположительно сімейство SCPP бере початок від sparcl1, який, у свою чергу, стався за рахунок дупликації від свого попередника sparc. Можливо, саме sparc, який є у всіх нижчих хребетних, відповідає за появу покровних кісток і їх похідних.

Ріс. 2. Геномні події, що призвели до утворення справжніх кісток: поява гена sparc в результаті подвоєння цілого геному у предків хордових (див. новину Геном ланцетника допоміг розкрити секрет еволюційного успіху хребетних, «Елементи», 23.06.2008), потім дупликація цього гена і початок функціонування sparcl1 у загального предка щелепноротих, потім тандемна дупликація цілої ділянки генома з освітою сімейства SCPP. Хрестиком відзначені вимерлі таксони. Малюнок з обговорюваної статті

Така схема підтверджує класичну точку зору, згідно з якою хрящові риби кісток ніколи не мали. Обговорювалася й інша гіпотеза: хрящові риби колись мали кістки, але потім їх втратили. На користь останньої говорить те, що у хрящових риб знайдені практично всі білки, необхідні для виготовлення кісток (див.: У хрящових риб є білки, потрібні для формування кісток, «Елементи», 23.09.2013). Але, мабуть, набір цей не повний: важливого елемента, квінтессенції костеобразования — гена sparcl1 — все ж у них немає. Зазначу, що спочатку спростування, потім підтвердження класичної гіпотези було висловлено більш-менш схожими авторськими колективами. Так, нові дані, прийняті з усією об’єктивністю, змушують чесного вченого відмовлятися від своїх колишніх поглядів.

Крім генів костеобразования, вчені наштовхнулися ще на одну цікаву особливість у геномі химер, пов’язану з еволюцією набутого імунітету. В принципі, у хрящових риб були знайдені всі його складові. Але тепер з’ясовується, що у них бракує одного з важливих його доданків — клітин Т-хелперів (див. також T helper cell) і пов’язаних з їх роботою білків і рецепторів. В імунній системі вищих хребетних завдань Т-хелперів — модулювати імунну відповідь при виявленні шкідливого агента: Т-хелпери зв’язуються з головним комплексом гістосумісності (ГКГ) за допомогою корецептора CD4, активуються, виділяють цитокіни, які змушують клітини Т-кілери знищувати ворога. Саме ці рецептори CD4 і всі пов’язані з ними цитокіни у химер відсутні. Як вони управляються без цієї системи зв’язку і регуляції між ГКГ і Т-кілерами, поки не ясно. При цьому добре відомо, що імунна система хрящових працює досить ефективно і дозволяє цим рибам вважатися довгожителями серед сородичів. Всі ці нові питання адресуються імунологам і відкривають цікаві перспективи для розробки дієвих імунномодуляторів.

Джерело: B. Venkatesh et al. Elephant shark genome provides unique insights into gnathostome evolution // Nature. 2014. V. 505. P. 174–179.

Олена Наймарк