«Секвенування генома канального сома дозволило знайти гени, необхідні для формування луски»

Ріс. 1. Види риб, задіяні в дослідженні: А — канальний сом (Ictalurus punctatus), вид з «голою» шкірою (лускуючи відсутній), Б — звичайний карп (Cyprinus carpio), має типову риб’ю луску, В і Г — відповідно леопардовий (Pterygoplichthys pardalis) і колючий, або смугастий, сво (platydyyyyyca) Зображення з сайтів scotcat.com, lessonpaths.com, en.wikipedia.org і aqvafish.ru

Колектив американських дослідників оголосив про повне секвенування геному канального сома. Загін сомоподібних виділяється серед інших костистих риб відсутністю справжньої луски. Водночас під час дивергентної еволюції цього загону спостерігалися неодноразові події вторинного придбання кісткових платівок, що замінюють їм луску. Питання про еволюційно закріплені молекулярно-генетичні фактори, що визначають наявність або відсутність луски, досить цікаве, тим більше що луску незалежно втрачали і представники деяких інших загонів риб. Дослідники порівняли гени канального сома з генами інших видів, які мають або не мають луски. Крім того, були вивчені гени, які включаються в роботу при регенерації луски у звичайного карпа. В результаті з’ясувалося, що формування луски у костистих риб вимагає участі деяких генів сімейства SCPP, раніше відомих участю в процесах мінералізації тканин кісток і зубів у хребетних.

В даний час добре відомо, що багато нових генів виникають за допомогою послідовних подій дупликації генів-попередників (причому цих подій може бути не одне, а багато, і навіть дуже багато) і подальшої незалежної еволюції кожної з копій. Під час цієї еволюції гени або набувають абсолютно нових функцій (такий шлях називають неофункціоналізацією), або вдосконалюють функції, які певною мірою здійснювалися вихідним предковим геном, одночасно відмовляючись від виконання інших початкових функцій (такий шлях називають субфункціоналізацією). У результаті утворюється група генів з явно виявлюваними при філогенетичному аналізі родинними зв’язками, яку так і називають — сімейство генів.

Наочний приклад — це генне сімейство SCPP (від англ. secretory calcium-binding phosphoprotein — секреторні кальцій-зв’язуючі фосфопротеїни), еволюційна історія якого тісно вплетена в еволюцію хребетних. Найбільш рання робота, присвячена дослідженню еволюційної історії цього сімейства генів, була опублікована в 2002 році (див. K. Kawasaki, K. M. Weiss, 2002. Mineralized tissue and vertebrate evolution: The secretory calcium-binding phosphoprotein gene cluster). Загальним предковим геном цього сімейства вважають ген SPARC (секретований кислий білок, багатий на цистеїн), який, очевидно, був присутній вже в геномі останнього загального предка багатоклітинних. Його гомолог виявляється в геномах як вторинноротих, так і первинноротих, і навіть у тих, хто стріляє. Білки, кодовані цим геном і його ранніми дуплікованими копіями, секретуються клітинами в позаклітинний простір, де виконують роль шаперонів, що підтримують правильну конформацію молекул колагену. Подальші дупликації, що відбувалися в ході еволюції хребетних, призвели до появи досить великого сімейства білків SCPP, члени якого об’єднані двома загальними властивостями: всі вони, по-перше, здатні ефективно пов’язувати і утримувати кальцій і, по-друге, секретуються в позаклітинне середовище. Це визначає їх головну професію — забезпечення мінералізації тканин. У геномі людини 23 гена даного сімейства, а рекордне їх число — 35 — виявлено в геномі панцирної щуки (рис. 2).

Ріс. 2. Повні склади сімейства генів SCPP і їх розташування на хромосомах у чотирьох представників хребетних. Малюнок зі статті I. Braasch et al., 2016. The spotted gar genome illuminates vertebrate evolution and facilitates human-to-teleost comparisons

Дивергентна еволюція спеціалізувала представників сімейства генів SCPP до виконання цілої серії важливих функцій: вони беруть участь у формуванні хрящової і кісткової тканини, дентину і зубної емалі у всіх хребетних, яєчної шкаралупи у птахів, а також присутні у складі секретів слинних і молочних залоз у ссавців. Одним з відомих молочних білків сімейства SCPP є, зокрема, казеїн, завдяки якому молоко насичується кальцієм, необхідним підростаючому дитинчаті для зростання кісток і зубів. Придбання нової функції («професії») і нової галузі експресії («місця роботи») опосередковано не тільки накопиченням точкових мутацій в кодуючих і регуляторних частинах дуплікованих генів, але й обміном частинами з абсолютно несхожими генами з інших сімейств. У деяких дуплікованих генів функції в тій чи іншій мірі перекриваються, що цілком очікувано, враховуючи їх загальне походження. Ця обставина створює «надмірність», яка служить одним з механізмів помехостійкості живих організмів.

Є ще один цікавий момент, мабуть також досить характерний взагалі для еволюції генних сімейств. У різних гілках філогенетичного дерева ті чи інші дупліковані копії в сімействі генів SCPP втрачалися, і в той же час відбувалося паралельне виникнення нових дупликацій, причому нерідко нові копії брали на себе функції, які до того виконувалися іншими, втраченими генами. Це призвело до того, що у різних представників тваринного царства розвиток і функціонування гомологічних (схожих за походженням, організації та функції) тканин забезпечується різними наборами генів (S. Bertrand, 2013. A dynamic history of gene duplications and losses characterizes the evolution of the SPARC family in eumetazoans).

В еволюційній історії сімейства SCPP (рис. 3) збільшення числа генів відбувалося як за допомогою тандемних (внутрішньохромосомних) дупликацій, так і внаслідок епізодів повногеномних дупликацій, що супроводжували еволюцію хордових (див. Геном ланцетника допоміг розкрити секрет еволюційного успіху хребетних, «Елементи», 23.06.2008).

Ріс. 3. Еволюційна історія сімейства генів SCPP. На цій ілюстрації показана тільки перша тандемна дуплікація, що трапилася у загального предка багатоклітинних тварин, але не показані наступні тандемні дупликації, за допомогою яких в різних гілках філогенетичного дерева хребетних відбувалося розширення сімейства генів SCPP. Ілюстрація зі статті S. Bertrand et al., 2013. A dynamic history of gene duplications and losses characterizes the evolution of the SPARC family in eumetazoans

Нове дослідження виявило ще одну професійну ниву, освоєну представниками генів сімейства SCPP, а саме — формування луски у костистих риб (рис. 1). У центрі уваги дослідників опинився один з видів риб, у яких чешуючи якраз відсутній, — канальний сом (Ictalurus punctatus). Це промисловий вид, широко поширений у водоймах Америки, а також культивується в рибних господарствах.

На сьогоднішній день відомо 4100 видів загону сомоподібних, що становить близько 12% всіх видів костистих риб. У більшості сомів шкіра гола, і цю ознаку вони, мабуть, успадкували від загального предка, що дав початок всьому загону. У той же час в деяких сімействах сталася «реверсія», так що їх шкіра покрита кістковими платівками (щитками), які по будові відрізняються від луски більшості інших костистих риб, але виконують аналогічну захисну функцію. Автори взялися з’ясувати, яка генетична основа цих еволюційних перетворень (рис. 4).

Ріс. 4. Філогенетичні відносини сімейств костистих риб. Сірим виділена скарба, що відповідає загону сомоподібних (загальний предок даної поклажі втратив луску), синім — гілки сімейств, всі представники яких мають вторинно придбані шкірні платівки, червоним — гілки сімейств, деякі представники яких вторинно придбали кісткові платівки. Обведені представники сімейств сомів, що стали об’єктами обговорюваного дослідження. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Communications

Для початку було проведено секвенування геному канального сома, який складається з 29 хромосом і має розмір близько 1 млрд пар підстав. В результаті аналізу отриманих даних було передбачено наявність у нього 26 661 генів, більшість з яких мають гомологи в раніше секвенованих геномах інших риб (даніо-реріо і риби-фугу). 1010 передбачених генів канального сома були відсутні в геномі даніо-реріо — «золотому стандарті» серед відсеквенованих на сьогоднішній день риб’ячих геномів. Водночас у геномі канального сома був відсутній 931 ген, наявний у даніо-реріо. Проаналізувавши геноми 150 особин сома, автори виявили досить високу генетичну різноманітність цих риб. Поліморфні сайти в середньому зустрічалися з частотою 1 на кожні 98 нуклеотидів, причому найбільш висока їх концентрація в 111 генах, 40 з яких задіяні в імунній системі.

Було виявлено 297 генів, загальних для кісткових риб, але відсутніх у наземних хребетних. Ці гени, зокрема, включали в себе 24 гени нюшливих рецепторів, 69 генів імунної системи і 7 генів, що забезпечують розвиток плавників. Крім того, виявили 280 генів, які також є спільними для кісткових риб, але відсутні в прочитаних геномах хрящових риб або нелюдських хребетних. До цієї групи увійшли гени, які беруть участь у формуванні кісток (9 генів, включаючи члени сімейства SCPP), розвитку плавального міхура (11 генів), деякі гени імунної системи (75 генів) і ліпідного метаболізму (18 генів). З’ясувалося, що у хрящових риб присутні лише два родоначальних гена сімейства SCPP — SPARC і SPARCL1, — тоді як у кісткових риб ці гени зазнали багаторазової дупликації. Цілком ймовірно, що ці генетичні зміни мають безпосереднє відношення до появи кісткового скелета, що відрізняє дану групу.

Щоб з’ясувати, чому у канального сома відсутня чешуючи, автори спочатку взялися за п’ять раніше встановлених генів (EDA, EDAR, FGFR, LEF1, TCF7), мутації в яких можуть призводити у різних видів риб до появи «голих» морф. Вони перевірили, чи є ці гени в геномі канального сома і чи знаходяться вони в робочому стані. Виявилося, що всі ці гени присутні і нормально експресуються в тканинах риби.

Потім вирішили подивитися, які гени вмикаються або вимикаються в шкірі риб при регенерації луски. Справа в тому, що процеси регенерації часто дуже схожі на процеси ембріонального розвитку відповідних структур, так що, вивчаючи перший процес, можна робити непрямі висновки про другий. На жаль, домогтися регенерації щитків у «броньованих» видів сомів не вдалося, тому для реалізації цієї частини дослідження залучили звичайного карпа. За допомогою технології повнотранскриптомного секвенування отримали три набори даних:

1) рівні експресії генів у неушкодженій шкірі канального сома; 2)

рівні експресії генів у неушкодженій шкірі карпа; 3) рівні

експресії генів у шкірі карпа в процесі регенерації луски після її пошкодження.

В результаті порівняльного аналізу були встановлені 13 анотованих (відомих) генів, які працювали в шкірі карпа, але не працювали в шкірі сома і змінювали експресію при регенерації луски: експресія десяти з цих генів підвищувалася, а експресія ще трьох, навпаки, знижувалася. Найбільш істотне підвищення експресії виявилося у п’яти генів сімейства SCPP (SCPP7, fa93e10, SCPP1, SCPP5 і GSP37) і двох генів аполіпопротеїну. Автори зазначають, що час, протягом якого спостерігалася підвищена експресія генів сімейства SCPP, було добре узгоджено з часом початку і завершення процесу регенерації.

Нарешті, вчені зосередилися на генах сімейства SCPP, вирішивши порівняти стан цих генів в геномах більш широкого набору видів «голих» і «одягнених» риб (рис. 5). Виявилося, що в геномі канального сома присутні тільки три гена SCPP-сімейства, а саме SPARCL1, ODAM і SPP1. У той же час багато інших генів цього сімейства, наявні у даніо-реріо, у канального сома відсутні. Що стосується ще двох генів, SCPP1 і SCPP5, то обидва вони присутні в геномі канального сома у вигляді жалюгідних уламків, а в промоторі цих генів повністю втрачений сайт зв’язування транскрипційного фактора, який регулює їх роботу у інших видів риб. У підсумку порівняння наборів SCPP-генів у 16 видів кісткових риб, з яких у п’яти чешуя повністю відсутня, саме ці два гена, SCPP1 і SCPP5, виявляються корелятивно пов’язані з вивчуваною ознакою. Схоже, що чешуючи є тільки у тих видів, які мають обидва цих гена в робочому стані, в той час як у риб, які втратили луску, обидва або хоча б один з цих генів відсутні.

Ріс. 5. Дані про наявність в геномах риб робочих генів сімейства SCPP. Ознака наявності луски маркована наступними позначеннями: S — звичайна чешуя, P — шипи, BDP — кісткові шкірні платівки, No — чешуючи відсутня. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Communications

Цілком ймовірно, що є й інші генетичні фактори, пов’язані з ознакою наявності/відсутності луски у представників сомоподібних. Вчені провели повногеномне і повнотранскриптомне дослідження для двох вищеназваних «одягнених» видів сомів і знайшли близько двох сотень генів, які присутні у цих видів, але відсутні у канального сома. Але для з’ясування того, які з цих генів і як саме пов’язані з конкретною ознакою, потрібно ще багато хитрих експериментів і аналізів.

Отримані результати не дозволяють відповісти на питання, з якими ж генетичними змінами було пов’язано зникнення луски у загального предка сомоподібних. Адже очевидно, що він повинен був зберегти обидва гена (SCPP1 і SCPP5) в повноцінному вигляді, раз вони присутні у сучасних представників цього загону. Тож історія все ж залишилася не розплутаною до кінця. Однак сам факт участі генів сімейства SCPP у формуванні луски костистих риб вже є відкриттям. Між іншим, ортологи генів SSCP1 і SSCP5, як і ряд інших, відсутні у цілаканта і у чотирилапих. Ці гени, мабуть, виникли вже після відокремлення променеперих від кістеперих.

Слід зауважити, що відомості про геном сомів, які тепер включені в геномні бази даних, мають самі по собі велику цінність для нових досліджень з еволюції кісткових риб і хребетних. Протягом останніх декількох років також були повністю секвеновані геноми химери Callorhinchus milii, латімерії і плямистої панцирної щуки. Уважне порівняння геномів цих представників ранніх етапів еволюції хребетних обіцяє дати багато цікавої інформації про історію «нашої» гілки філогенетичного дерева з усіма її дивовижними перетвореннями.

Джерело: Zhanjiang Liu, Shikai Liu, Jun Yao, Lisui Bao, Jiaren Zhang, Yun Li, Chen Jiang, Luyang Sun, Ruijia Wang, Yu Zhang, Tao Zhou, Qifan Zeng, Qiang Fu, Sen Gao, Ning Li, Sergey Koren, Yanliang Jiang, Aleksey Zimin, Peng Xu, Adam M. Phillippy, Xin Geng, Lin Song, Fanyue Sun, Chao Li, Xiaozhu Wang, Ailu Chen, Yulin Jin, Zihao Yuan, Yujia Yang, Suxu Tan, Eric Peatman, Jianguo Lu, Zhenkui Qin, Rex Dunham, Zhaoxia Li, Tad Sonstegard, Jianbin Feng, Roy G. Danzmann, Steven Schroeder, Brian Scheffler, Mary V. Duke, Linda Ballard, Huseyin Kucuktas, Ludmilla Kaltenboeck, Haixia Liu, Jonathan Armbruster, Yangjie Xie, Mona L. Kirby, Yi Tian, Mary Elizabeth Flanagan, Weijie Mu, Geoffrey C. Waldbieser. The channel catfish genome sequence provides insights into the evolution of scale formation in teleosts // Nature Communications. 2016. V. 7. Article number: 11757. DOI: 10.108/ncomms11757.

Див. також:

1) Архаїчні гени кісткових ганоїдів різноманітніші, ніж у молодих груп хребетних, «Елементи», 11.07.2016.

2) Зубна емаль чотирилапих з’явилася на лусці давніх риб, «Елементи», 30.09.2015.

3) Геном химери допоміг зрозуміти походження кісток, «Елементи», 17.01.2014.

Тетяна Романовська