Секреты «экстремальной адаптации» найдены в геноме бирманского питона
Способность бирманского питона (Python molurus bivittatus) резко ускорять метаболизм и увеличивать размер органов для заглатывания и переваривания добычи целиком связана с необычно быстрой эволюцией и специализированной адаптацией его генов и принципов их работы. К такому выводу пришла международная группа биологов.
Лидер исследования Тодд Касто и 38 соавторов из четырёх стран секвенировали и проанализировали геном бирманского питона. Их работа, а также сопровождающая статья о геноме королевской кобры (Ophiophagus hannah), будут опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences. Это первые полные аннотированные геномы змей.
Поскольку змеи имеют многие из тех же генов, что и другие позвоночные, изучение их эволюции для получения таких экстремальных черт может в конечном итоге помочь понять функции этих генов, включая механизмы масштабной перестройки органов. Эти знания потенциально применимы для лечения болезней человека.
Новое исследование ставит под сомнение предыдущие теории, согласно которым основные физические различия между видами вызваны в первую очередь изменениями в экспрессии генов. Вместо этого утверждается, что адаптация белков, экспрессия генов и изменения в структуре организации самого генома работают вместе, определяя уникальные характеристики змей.
Фенотип и физиологическая перестройка
Фенотип бирманского питона представляет собой один из самых крайних примеров эволюционной адаптации. Как и у всех змей, его эволюционное происхождение включало редукцию одного лёгкого и удлинение средней части тела, скелета и органов. Также у него наблюдается феноменальная способность к «физиологической перестройке».
Этот процесс позволяет питонам переваривать добычу, намного превышающую их собственный размер, за счёт резкого ускорения метаболизма и увеличения массы сердца, печени, тонкого кишечника и почек на 35–150% всего за 24–48 часов. После завершения пищеварения органы возвращаются к исходному размеру за несколько дней.
Анализ генома и результаты
Исследовательская группа выровняла 7442 гена питона и кобры с последовательностями генов других амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих. С помощью статистического метода «branch site codon modeling» они искали гены, подвергшиеся положительному отбору у питона, кобры и на ранних этапах эволюции змей.
Были обнаружены изменения в сотнях генов. Результаты показывают, что изменения в многих генах, кодирующих белки, внесли существенный вклад в уникальные характеристики змей. Анализ выявил замечательное соответствие между функциями отобранных генов и уникальными биологическими особенностями змей, такими как их метаболизм, форма позвоночника и черепа, регуляция клеточного цикла.
Многие из изменённых генов имеют медицинское значение. Например, в геноме питона обнаружены изменения в гене GAB1, который, как показывают другие исследования, играет роль в развитии рака молочной железы, меланомы и детской лейкемии.
Помимо изменений в отдельных генах, экстремальные характеристики змей также могут быть связаны с дупликациями или потерями в мультигенных семействах. Исследователи также отметили, что, вопреки представлениям о медленной скорости эволюции рептилий, геномы змей эволюционируют с одной из самых высоких скоростей среди позвоночных.