Адаптации энергетического метаболизма связали с эволюцией мягкотелых черепах

Около 250 миллионов лет назад черепахи начали осваивать водную среду, что привело к развитию нового важного признака — дышащей кожи, ставшей возможной благодаря утрате твердого панциря.

Потеря твердого панциря, которая независимо произошла у трех линий черепах в позднем меловом периоде, дала им преимущества в скорости плавания и маневренности. Эти изменения также повлекли адаптации из-за сдвигов в дыхании: такие черепахи смогли дольше поддерживать аэробное дыхание и совершать более глубокие погружения.

Ученые Тибисай Эскалона и Агоштинью Антунеш из исследовательского института CIIMAR (Порту, Португалия) и Кэмерон Уидик из Сассекского университета (Брайтон, Великобритания) проследили происхождение этих адаптаций до изменений в генах, кодирующих белки митохондриального дыхательного комплекса у мягкотелых черепах.

«Логично предположить, что митохондриальные белки, кодируемые ДНК черепах, могли претерпеть адаптивные эволюционные изменения, связанные с утратой щитков панциря и освоением высоководных эко-физиологических ниш», — заявили авторы.

Митохондрии, передающиеся исключительно от матери к потомству, являются энергетическими станциями клетки, ответственными за аэробное дыхание и производство ~95% клеточной «энерговалюты» в форме АТФ.

Исследовательская группа изучила эволюционные паттерны в генах митохондриальной ДНК (мтДНК), кодирующих белки, у 53 видов скрытошейных черепах (представляющих 10 семейств). Целью был поиск адаптивных или дивергентных паттернов эволюции мтДНК, связанных с появлением мягкого панциря.

Ученые выявили позитивно отобранные сайты в митохондриальных белках системы окислительного фосфорилирования, используя различные модели. Эти мутации были нанесены на трехмерные структуры белков, и была предсказана серьезность их влияния на дыхательную функцию.

Исследование показало, что даже небольшие изменения аминокислот могут иметь значительные функциональные последствия. Наиболее сильные изменения затронули комплекс I — первый и самый крупный домен пути OXPHOS, ответственный, по оценкам, за ~40% протонного тока, приводящего в действие АТФ-синтазу.

«Наши данные подтверждают идею, что переход к высоководному образу жизни у мягкотелых черепах был связан с изменением паттернов отбора, влияющих на функцию митохондрий. Наш анализ показал, что позитивный отбор сильно повлиял на эволюцию мтДНК у двух (Trionychidae и Carettochelyidae) из трех линий, связанных с эволюцией мягкого панциря, и в обоих случаях мишенью отбора стали множественные гены мтДНК», — отметили авторы.

Однако такая адаптация не была обнаружена у кожистых морских черепах (Dermochelys coriacea). Авторы предполагают, что эволюция мягкого панциря у этого вида могла быть связана не с дыханием, а с терморегуляцией, что позволило им эффективнее управлять поглощением и потерей тепла.

Эти результаты подчеркивают важную роль исследований митохондрий в более широком контексте биохимии митохондриальных белков, изучения человеческих болезней и экологии черепах.