Не живое ископаемое: как целакант недавно обзавелся десятками новых генов

В 1938 году поимка первой живой особи целаканта — грозного океанского хищника — у побережья Южной Африки вызвала большой ажиотаж, ведь считалось, что он вымер 65 миллионов лет назад. Его прозвали «живым ископаемым» из-за почти полного анатомического сходства с окаменелостями. Но если тело целаканта изменилось мало, то его геном рассказывает другую историю.

Ученые из Торонто выяснили, что африканский целакант (Latimeria chalumnae) приобрел 62 новых гена в результате контактов с другими видами около 10 миллионов лет назад. Результаты опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution.

Еще более удивительно происхождение этих генов. Их последовательности указывают, что они возникли из транспозонов, также известных как «эгоистичные гены». Это паразитические элементы ДНК, чья единственная цель — создавать свои копии, что они иногда делают, перемещаясь между видами.

Это открытие демонстрирует драматическое влияние «странствующей» ДНК транспозонов на создание генов и позволяет заглянуть в силы, сформировавшие геном одного из самых древних и загадочных организмов.

«Наши результаты дают довольно яркий пример этого феномена — вклада транспозонов в геном хозяина», — говорит Тим Хьюз, старший автор исследования и профессор молекулярной генетики в Центре клеточных и биомолекулярных исследований Доннелли Университета Торонто.

«Мы не знаем, чем занимаются эти 62 гена, но многие из них кодируют ДНК-связывающие белки и, вероятно, играют роль в регуляции генов, где даже тонкие изменения важны для эволюции», — добавляет Хьюз.

Транспозоны иногда называют «прыгающими генами», поскольку они меняют местоположение в геноме благодаря собственному ферменту, который распознает и перемещает свой код ДНК по механизму «вырезать и вставить». Новые копии могут возникать в результате случайных «прыжков» во время деления клетки, когда реплицируется весь геном.

Со временем код фермента приходит в негодность, и «прыжки» прекращаются. Но если измененная последовательность дает хоть малейшее селективное преимущество хозяину, она может начать новую жизнь как полноценный ген хозяина.

Примеров генов, произошедших от транспозонов, множество у разных видов, но целакант выделяется масштабом явления.

«Было неожиданно увидеть, что целаканты среди позвоночных имеют действительно большое количество этих генов, производных от транспозонов, потому что у них незаслуженная репутация живого ископаемого», — говорит аспирант Айзек Йеллан, ведущий автор исследования. «Целакант, возможно, эволюционировал немного медленнее, но это определенно не ископаемое».

Йеллан сделал открытие, ища аналоги изучаемого им человеческого гена у других видов. Он знал, что ген CGGBP1 возник из определенного типа транспозона у общего предка млекопитающих, птиц и рептилий. После сканирования всех доступных геномов он нашел родственные гены, но их распределение по видам было неравномерным и не соответствовало общей родословной.

Помимо одного CGGBP-подобного гена у всех млекопитающих, птиц и рептилий, Йеллан нашел копии у некоторых, но не всех, изученных рыб, а также у миноги (примитивного позвоночного) и у одного вида грибов. У червей, моллюсков и большинства насекомых их не было. А у целаканта, чей геном стал доступен в 2013 году, их оказалось 62.

Поскольку общее происхождение исключено, похоже, что транспозоны попадали в различные линии в разное время, переносясь между видами посредством горизонтального переноса генов.

«Горизонтальный перенос генов размывает картину происхождения транспозонов, но мы знаем из других видов, что он может происходить через паразитизм», — говорит Йеллан. «Наиболее вероятное объяснение — они были занесены многократно в течение эволюционной истории».

Остается неясным, какую функцию выполняют эти гены, но несколько линий доказательств указывают на тонкую роль в регуляции генов. Компьютерное моделирование и эксперименты in vitro установили, что продукты этих генов — белки, которые связываются с уникальными последовательностями ДНК, что предполагает роль в экспрессии генов, аналогичную человеческому аналогу. Более того, гены по-разному активны в десятке органов целаканта, для которых есть данные, что указывает на тонко настроенные, специфичные для ткани роли.

Откуда гены изначально пришли и что они делают в целаканте, может так и остаться загадкой. Исследовательские образцы лишь изредка вылавливаются рыбацкими лодками, а второй известный живой вид, Latimeria menadoensis, был обнаружен лишь в 1998 году на рыбном рынке в Индонезии.

Виды разделились до появления новых генов, что исключает их роль в видообразовании. Тем не менее, они могли сформировать того африканского целаканта, которого мы знаем сегодня, чья величественная броня из королевских синих чешуй затмевает его коричневатого родственника, отмечает Йеллан, оговариваясь, что это чистая спекуляция.

Увы, мы можем никогда этого не узнать.

«Целаканты чрезвычайно редки, — говорит Йеллан. — И они очень хорошо прячутся».