Мудрість і довголіття папуг

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 53

Перспективний об’єкт

Папуги — не дурні, о ні! Їхні інтелектуальні здібності в деяких випадках не поступаються здібностям людиноподібних мавп, а часом і перевершують їх. Наприклад, африканські сірі папуги Psittacus erithacus (жако) за звуком судять про те, чи є горіх у закритому контейнері. А оскільки контейнерів в експерименті було два, і один з них неодмінно з горіхом, папуги швидко зрозуміли, що якщо одна з ємностей тиха і порожня, то ласощі знаходяться в сусідній і можна її сміливо відкривати без попереднього прослуховування. Це завдання розраховане на трирічних дітей, мавпам воно не завжди під силу, навіть після тренування, а папуги впоралися практично без підготовки. Ці птахи чудово навчаються, в тому числі переймають нові рухові навички. Один жако на прізвисько Алекс вмів позначати звуками більше ста об’єктів, різних за кольором, формою і матеріалом; попросити що-небудь («я хочу горіх») і визначати кількість предметів. Якщо запропонувати йому дві групи предметів і показати картку з деяким числом точок, він вибирав групу, в якій предметів стільки ж, скільки точок на картці. У лабораторії жако навчилися діяти спільно і витягали лоток з ласощами, потягнувши за кінці мотузки, що було можливо лише у випадку, коли тягнули двоє.

Новозеландські папуги кеа Nestor notabilis вміють відкривати різні типи засувок; без тренування розуміють, за яку з перехрещених різнокольорових ниточок треба потягнути, щоб отримати ласощі; в лабораторії при необхідності можуть використовувати палицю, хоча в природничих умовах цим предметом не користуються: тримати паличку вигнутим дзьобом їм незручно.

Крім недюжинних когнітивних здібностей, папугам притаманні й інші риси, які у приматів зазвичай вважаються відмінними ознаками розвиненого інтелекту: складна соціальна організація, пізнє дорослішання і довголіття. Папуги живуть значно довше, ніж інші птахи подібного розміру. До того ж у них надзвичайно великий відносний розмір переднього мозку, особливо якщо врахувати вагові обмеження для літаючих тварин. Він співставний з переднім мозком вранових (ворон, воронів і соєк) — визнаних інтелектуалів пташиного світу, а серед ссавців з ним зрівняється тільки мозок шимпанзе, горил і орангутанів. Щоправда, пташині півкулі, на відміну від більшості ссавців, гладкі, борозд і звивин на них немає. Зате щільність нейронів у передньому мозку папуг дуже висока, як і у приматів, і в ньому є спеціалізовані області, відповідальні за навчання звукопередачі (знаменита здатність папуг імітувати звуки не вроджена, їй потрібно вчитися, і птахи з цим складним завданням справляються). Всі ці особливості, а насамперед схожість з людиноподібними мавпами, інтригують вчених, які визнали папуг прекрасною моделлю для дослідження еволюції складних ознак.

За цю роботу взялися фахівці Бразилії і Сполучених Штатів під керівництвом бразильця Клаудіо Мелло, в даний час професори Орегонського університету здоров’я і науки в США (Current Biology, 2018, 28 (24)). Зараз подібні дослідження проводять, порівнюючи геномні послідовності різних видів. І вчені почали з розшифровки геному синелобого амазону Amazona aestiva. ДНК секвенують по шматочках, а потім складають розшифровані фрагменти, як пазл. Чим більше прочитано фрагментів, чим сильніше вони перекриваються, тим точніше виходить загальна картина. І хоча до початку роботи Мелло і його команди вже були опубліковані геноми декількох видів папуг, лише геном хвилястого папужки розшифрували досить докладно. Тому дослідники не обмежилися літературними даними і самі взялися за секвенування.

Об’єкт вони вибрали не випадково. Синелобий амазон — символ бразильського пташиного світу. Це великий, гарний, балакучий птах, і тому його часто тримають у клітинах як домашнього улюбленця. Зате на волі папугу переслідують через шкоду, яку він завдає фруктовим садам і маїсовим плантаціям. До того ж чисельність синелобого амазону скорочується через зростання міст і розширення сільськогосподарських угідь, тому вивчення його геному корисне для збереження виду.

Папуга, який віддав кілька крапель своєї крові для виділення ДНК, самець на прізвисько Мозес, з’явився на світ 2003 року в екопарку Вале Верде. Його батьки родом з Південної Бразилії. Кров у птаха взяли в 2013 році, і на момент написання статті Мозес був ще живий. Порівняння генома синього амазона з геномами 29 видів птахів, у тому числі кількох папуг, дозволило виявити безліч послідовностей, які, можливо, впливають на тривалість життя і когнітивні здібності папуг. Почнемо з довголіття.

Теломери чи окислення?

Тривалість життя хребетних залежить від їх розміру: більш великі живуть довше. Професор Франкфуртського університету Роланд Прінзінгер зібрав літературні дані про максимальну тривалість життя 821 виду птахів в природних умовах і 131 виду в неволі і встановив, що співвідношення між терміном життя в роках(А) і масою тіла в грамах (М) можна описати формулами A = 4,75 сингл M0^,17 в природі і A = 5,1 M0^,23 — в неволі (Comparative Biochemistry and Physiology, 1993, 105 (4)). При цьому деякі кури і дятли живуть менше розрахункового терміну, а чайки, яструби, папуги і сови — істотно довше. Максимальна тривалість життя птиці з сімейства папуг становить в середньому 25 років, синелобий амазон при масі 400-500 г повинен в неволі жити трохи більше 20 років, проте доживає до шістдесяти шести, і є повідомлення про птахів, які переступили 90-річний рубіж.

Вчені вибрали для аналізу види з розшифрованими геномами і достовірно встановленим максимальним терміном життя. Серед них були птиці, що живуть принаймні на 20% довше очікуваного, і види, довголіття яких відповідає розрахунковому (див. малюнок). У групу довгожителів, крім папуг, потрапили сизий голуб, димчастий голохвіст, мала біла цапля і сова сипуха. Важливо, що спорідненість цих птахів досить віддалене і довголіття у них виникло незалежно.

Види птахів, використані для аналізу генетики довголіття. Довгоживучі види відзначені гуртком. На фотографії зображений Мозес

Порівняння геномів виявило понад чотири тисячі генів, які дісталися всім птахам від загального предка. Послідовності цих генів у різних видів еволюціонували по-різному і з різною швидкістю. Серед них дослідники виявили 344 гени (8%), які у довгоживучих птахів еволюціонували швидше, ніж у звичайних. Причому 281 послідовність в ході еволюції активно змінювалася, а 63 гена виявилися консервативними, вони відчули сильну дію стабілізуючого відбору. Двадцять генів з цих 344 у всіх тварин відомі як гени довголіття. Найвідоміший серед них — ген TERT, який кодує фермент теломеразну зворотну транскриптазу. Це ключовий фермент теломеразного комплексу, який продовжує життя клітин. Нагадаємо, що теломери — кінцеві некодуючі ділянки хромосом, які через особливості реплікації ДНК дещо вкорінюються при кожному клітинному поділі. Коли теломери досягають певної критичної довжини, ділення клітини припиняється. На цьому заснована теломірна теорія старіння. Теломераза нарощує теломери і, отже, захищає клітини від старіння. Чим активніший фермент, тим надійніший захист.

У теломірної теорії старіння багато критиків, проте відомо, що у зебрової амадини з сімейства вьюрків, що живе всього 5 років, і деревної американської ластівки, якій відміряно 11 років, активність теломерази в кістковому мозку висока в юності, але з віком різко знижується. А у річкової крачки (27 років) і північної качурки (36 років) активність ферменту висока протягом усього життя (Annals of the New York Academy of Sciences, 2004, 1019 (1)).

За даними Клаудіо Мелло і його колег, у папуг та інших птахів відбір посилював каталітичну активність білка TERT. Однак висока активність теломерази збільшує ймовірність неконтрольованого ділення клітин. У папужкому геномі цей аспект врахований, і дії відбору піддавалися також гени BUB1B, BUB3, KIF4A, KIF1BP і CCNE1, які регулюють ділення клітин і розвиток пухлин. Таким чином, збалансована спільна еволюція послідовностей, що посилюють активність теломерази і регулюють клітинний поділ, може запобігати підвищеному ризику утворення пухлин у довгоживучих птахів.

Папуги та інші птахи-довгожителі піддаються стабілізуючому відбору по генах SOD1 і SOD3, які беруть участь у захисті клітин від окислювального стресу. У видів з очікуваною тривалістю життя еволюція менше печеться про сталість даних послідовностей. Ці результати узгоджуються з іншою гіпотезою старіння, вільнорадикальною, згідно з якою довголіття тварин залежить від того, наскільки надійно їх клітини захищені від окислювальних ушкоджень, завданих вільними радикалами. Щоправда, цю гіпотезу поставили під сумнів австралійські вчені. Вони порівнювали три види папуг і два види перепелів, які живуть не довше п’яти з половиною років, і не змогли виявити різницю між рівнями окислювальних пошкоджень в тканинах довго- і короткоживучих видів (Experimental Gerontology, 2012, 47 (3)). Дослідники дійшли висновку, що довговічність папуг, мабуть, не залежить від накопичення окислювальних пошкоджень і роботи антиоксидантних механізмів. Однак Клаудіо Мелло та його колеги переконані, що захист від окислювального стресу все ж важливий для довголіття, інакше її забезпечення не було б таким важливим напрямком еволюції папуг.

З 344 генів, які піддаються посиленому відбору у довгоживучих видів, переважна більшість контролюють ділення клітини, сплайсинг і процесинг РНК (етапи дозрівання молекули РНК), беруть участь у відновленні пошкодженої ДНК, визначають функції мітохондрій і окислювальний метаболізм, регулюють апоптоз. Причинно-наслідковий зв’язок між роботою цих генів і тривалістю життя поки не цілком ясний, їх раніше не вважали пов’язаними зі старінням, але, оскільки вони піддаються сильному відбору у довгоживучих видів, вчені визнали їх відповідальними за довголіття.

Досі йшлося про послідовності, які присутні у всіх видів хребетних. Однак у геномі синелобого амазону вчені виявили специфічні папуги і припустили, що саме вони визначають розвиток мозку і когнітивні здібності цих птахів.

Гени знання

Нові гени часто виникають в результаті подвоєння старих. При цьому одна послідовність продовжує виконувати колишні функції, а «дублер» набуває нових. У більшості випадків можна зрозуміти, які гени послужили предками новоутворених. У папуг більшість дупликацій торкнулися генів, які визначають когнітивні здібності. Найважливіший з них, мабуть, це PLXNC1. У людей, папуг, колібрі та співочих птахів він регулює зростання аксонів і активний в областях кори мозку, відповідальних за вокальне навчання. Але тільки у папуг цей ген дуплікований. Дослідникам належить з’ясувати, які функції виконує друга копія.

Вихідні послідовності інших папужок, CEP83, SLC9A5 і RSPH3, регулюють структуру нервових клітин, будову актинового цитоскелета, ковзання мікротрубочок та інші ознаки, порушення яких може призвести до розладу когнітивних функцій.

Ще один дуплікований ген, LRRC37A, відноситься до великого сімейству генів, залучених у розвиток імунної і нервової систем. Це дуже стародавня послідовність. Цікава її доля у ссавців. Спочатку LRRC37 був присутній у їхньому геномі в одній копії і працював у насінниках. Однак у приматів число копій стало збільшуватися, і чим вище вони піднімалися еволюційними сходами, тим більше копій знаходили (Genome Research, 2013, 23). У людини і людиноподібних мавп їх у кілька разів більше, ніж у макак. Деякі послідовності набули нових, видоспецифічних функцій. У гомінід LRRC37 експресується вже в багатьох тканинах, особливо в мозочку, селезінці та тимусі. Білки сімейства LRRC37 розташовані на плазматичній мембрані і, можливо, беруть участь у регуляції передачі сигналів, росту і ділення клітин. Функції цих генів ще належить з’ясувати. Чудово, що копійність LRRC37A, гена прогресу приматів, стали нарощувати і папуги.

Крім послідовностей, що кодують білки, відбір діє і на регуляторні елементи. Вчені досліджували ультраконсервативні регуляторні послідовності, які повинні бути у всіх видів постійні, і виявили, що деякі з них у папуг все-таки змінилися. Ці послідовності регулюють роботу 11 кодуючих генів, і 10 з них так чи інакше пов’язані з роботою мозку, в тому числі з розвитком переднього мозку, утворенням різних підтипів нейронів і нейрогенезом у дорослих. Дев’ять з цих генів експресуються в мозку хвилястого папужки. Сім з них, мабуть, і у людини, піддавалися особливому відбору, оскільки консервативні елементи, що регулюють їх роботу, у людини відрізняються від аналогічних послідовностей людиноподібних мавп та інших ссавців.

У людини деякі з цих генів пов’язані з порушенням когнітивних функцій. Так, мутації в гені AUTS2 призводять до аутизму, порушень інтелекту, затримки розвитку і дефіциту мови. Висока ймовірність, що цей ген впливає на еволюцію когнітивних здібностей. Порушення в іншому гені, NPAS3, викликають шизофренію і розумову відсталість, а делеція в гені BCL11A, що регулює гілку аксонів і зростання нейронів, призводить до вад розвитку мозку і розумової відсталості. Ще два гени, ERBB4 і ESRRG, пов’язані з ризиком розвитку шизофренії.

Оскільки специфічні «папуги» зміни в консервативних регуляторних послідовностях у більшості випадків вплинули на роботу генів, які відповідають за когнітивні здібності і піддавалися схожому відбору в ході еволюції людини, дослідники припустили, що еволюція розвитку мозку і когнітивних здібностей у людей і папуг відбувалася конвергентно.

Можливо, еволюційні паралелі людей і папуг виникли завдяки паралелям екологічним. Папуги здавна жили пліч-о-пліч з приматами і досі так живуть. Багато папуг всеїдні, кеа, наприклад, їдять жирні, білкові та вуглеводні продукти, знайдені в поселеннях людини. Подібно до людиноподібних мавп, папуг (як і багатьох інших птахів, втім) доводиться потрудитися над здобиччю: звільняти молюсків від раковини, а деякі плоди — від шкірки.

На думку Клаудіо Мелло і його колег, конвергенція папуг і гомінід дозволяє по-новому поглянути на генетику і еволюцію тривалості життя і пізнання і робить папуг чудовою експериментальною моделлю для вивчення генетичних основ цих процесів. А порівняння людини з папугою не прикро, а навіть схвально. Воно означає, що людина мудра і довголітня.