Утконосу вскрыли гены

В последнем выпуске Nature опубликованы первые результаты анализа почти полностью расшифрованного генома утконоса; одновременно ряд работ на эту тему появился в Genome Research. Приступая к работе, ученые ожидали, что это причудливое внешне животное должно оказаться очень необычным и при взгляде, что называется, «изнутри». Результаты даже поверхностного анализа наследственной последовательности превзошли даже самые смелые их ожидания.

Многим из нас утконос памятен еще со школьных уроков биологии. Этот зверек, обитающий только на австралийском континенте, один из всего пяти видов млекопитающих, не производящих на свет живых детенышей, а откладывающих яйца. Однако одного взгляда на утконоса уже достаточно, чтобы понять всю его неординарность: тело покрыто шерсткой, сохраняющей тепло, пока животное охотится на рыбу в ледяной воде, при этом его мордочка заканчивается тупым и плоским клювом, напоминающим утиный.

За этот клюв утконос и получил свое прозвище. Более того, этот нос заключает в себе сложную электросенсорную систему, позволяющую чувствовать движущуюся жертву, даже плавая в воде закрытыми глазами, ноздрями и ушами. Еще одна особенность: лапы мужских особей утконосов несут на себе шипы, впрыскивающие яд в тело противника, если тот попадется утконосу на пути. Этот яд особенно опасен в период размножения утконосов, он может вызвать острую жгучую боль даже у крупных животных, а для мелких смертельно опасен.

Такое сочетание признаков, присущих одновременно и птицам, и млекопитающим, и даже пресмыкающимся, на первый взгляд выглядит как эволюционное недоразумение. Однако животное существует, и информация, содержащаяся в ДНК данного однопроходного (именно к этому предельно малочисленному отряду млекопитающих относятся утконосы и четыре вида ехидн), несет в себе уникальную ценность для фундаментального понимания истории эволюции млекопитающих. Ученые уже успели сравнить его геном с генетической информацией других представителей фауны, однако детальный и глубокий анализ еще впереди.

Расшифровкой генома руководил консорциум ученых из медицинского колледжа Вашингтонского университета в Сент-Луисе, а всего в процессе декодирования были заняты несколько групп ученых из США, Австралии, Великобритании, Германии, Израиля, Испании, Новой Зеландии и Японии. Самку, из образцов тканей которой были выделены многочисленные копии ДНК для расшифровки, звали Гленни. Вероятно, теперь ответ на вопрос, который и поставить-то раньше было бы странно, – как зовут самого известного утконоса – не будет вызывать сомнений.

На сегодняшний день ученые располагают лишь «черновым» вариантом наследственной последовательности генома утконоса. Однако она уже прошла процедуру сопоставления с полностью расшифрованными геномами человека, мыши, собаки, опоссума и курицы, а также находящегося в «черновом» состоянии генома зеленой древесной ящерицы анолиса.

Особенный интерес в этом плане представляет геном курицы, так как он сформировался на основе генома вымерших яйцекладущих предков, в том числе рептилий, передавших значительную часть своей ДНК и птицам, и однопроходным. Разделение утконоса с остальными млекопитающими произошло 166 миллионов лет назад, потому учёным было интересно попытаться выделить группы генов, по отдельности отвечающих признакам пресмыкающихся, птиц и млекопитающих.

Геном утконоса содержит примерно 18 500 генов, кодирующих различные белковые молекулы.

Примерно столько же, сколько было обнаружено и у других животных; например, в геноме человека около 25 тысяч генов. Более 80% этих генов полностью идентичны уже известным, и лишь 20% представляют собой что-то новое, значительно отличаются от известных генов или являются совершенно уникальными. Ученые попытались выявить уникальные генетические последовательности, которые были утрачены млекопитающими за 166 миллионов лет эволюции.

ДНК утконоса несет в себе последовательности нуклеотидов, свойственные и рептилиям, и млекопитающим. Геном Гленни, с одной стороны, содержит гены, отвечающие у пресмыкающихся за оплодотворение яиц, с другой стороны, как и у других млекопитающих, в нём есть сцепленные гены, отвечающие за синтез казеина – белка, необходимого для выработки молока.

Несмотря на то что утконосы охотятся под водой с закрытыми ноздрями, их геном содержит примерно половину генов, помогающих млекопитающим чувствовать запахи.

Птицы и рептилии в сравнении с млекопитающими обладают очень ограниченным набором генов, необходимых для развития обоняния. Примечательно, что у утконосов «обонятельные» гены демонстрируют куда большую специфичность и обуславливают необычно высокую чувствительность так называемого сошниково-носового рецептора. По всей видимости, такая специфичность помогает утконосам охотиться под водой.

Иммунная же система утконосов генетически оказалась очень близка к таковой у млекопитающих, однако и в ее случае не обошлось без нескольких ключевых отличий. Так, иммунная система утконосов содержит целое развитое семейство генов, отвечающих за выработку противомикробных белковых молекул кателицидина. Приматы и позвоночные имеют только одну копию гена кателицидина в своем геноме.

Вероятно, развитие этого противомикробного генетического аппарата было необходимо для усиления иммунной защиты едва вылупившихся детенышей утконоса, которые проходят первые, достаточно продолжительные этапы своего взросления в выводковых норах, лежа на животе самки и слизывая с ее шерсти сочащееся через поры молоко. Детеныши остальных млекопитающих проходят эти этапы своего развития, находясь еще в стерильной утробе матери. Будучи более зрелыми сразу после рождения, они более устойчивы к действию патогенных микроорганизмов и не нуждаются в повышенной иммунной защите.

Отдельные усилия ученых из Университета Луизианы были посвящены расшифровке мобильных участков ДНК, часто называемых прыгающими генами. Как уже рассказывала «Газета.Ru», эти участки ДНК очень важны для саморегуляции наследственной молекулы, они вызывают вставку новых последовательностей между существующими генами, удаление нуклеотидов из цепочки. Такие метаморфозы ДНК могут привести к возникновению совершенно новых генов в ДНК или их удалению, что в обоих случаях может привести к возникновению генетически обусловленных заболеваний.

По мнению Марка Бэйзера, руководившего этой частью работ, понимание регуляторных функций прыгающих участков ДНК в таком необычном геноме, как геном утконоса, а также сравнение их функций с функциями прыгающих генов других видов может дать незаменимую информацию для борьбы с наследственными заболеваниями в будущем.

Отдельного внимания учёных удостоился яд, содержащийся в шпорах задних лап утконоса.

Как оказалось, ядовитый коктейль в их железах образуется в результате экспрессии множества продублированных генов, доставшихся однопроходным еще от доисторических рептилий. Эволюция ядовитости утконосов, судя по всему, шла несколько иным путём, не зависимым от истории развития способности вырабатывать яд у современных пресмыкающихся.

В этом отношении трудно переоценить важность расшифровки генома утконоса, так как он кроме своей красоты и необычности может существенно углубить наши представления об эволюции как таковой, теория которой в последнее время все чаще становится объектом критики.