Быстрая эволюция яда кобры

Новое исследование впервые всесторонне показало, как змеиный яд эволюционировал в сложный коктейль из различных белков.

Оказалось, что ядовитые железы змей «позаимствовали» множество белков, которые изначально выполняли обычные функции в других частях их тела. Такая постоянная инновация была необходима, чтобы помочь змеям оставаться на шаг впереди животных, которыми они питаются, поскольку те со временем вырабатывают устойчивость к конкретным ядам.

Исследователи из Университета Бангора, Ливерпульской школы тропической медицины, Лейденского университета (Нидерланды) и Техасского университета в Арлингтоне (США) секвенировали геномы смертельно ядовитой королевской кобры и неядовитого бирманского питона. Сравнение этих геномов пролило свет на их эволюцию. Учёные также изучили единственный другой секвенированный геном ядовитого позвоночного — утконоса.

Авторы работы, в частности, хотели понять, как эволюционировал яд кобры, содержащий десятки высокоспециализированных токсинов. Происхождение этого сложного «коктейля» долгое время оставалось загадкой.

Анализ нового генома кобры подтвердил гипотезу о том, что отдельные токсины, составляющие яд, развились из белков, которые изначально эволюционировали для обычных повседневных задач в других частях тела.

Гены, ответственные за эти белки, многократно дублировались. Это позволило оригинальной версии продолжать выполнять свою работу, в то время как копия мутировала дальше и приобретала новые функции. Таким образом, белки, «рекрутированные» ядовитой системой, могли множиться и диверсифицироваться, отходя от своих первоначальных целей и способствуя созданию всё более сложного ядовитого коктейля, формируя смертельные наборы химических веществ, которые взаимодействуют друг с другом, нанося больше вреда добыче.

«Есть четыре основных семейства генов, которые создают ядовитые белки у королевской кобры, и все они значительно расширились по сравнению с другими частями генома, — объясняет ведущий автор доктор Ник Кейсуэлл. — Многие из этих генов были продублированы много раз. Возможно, это просто позволяет змее доставлять больше тех же токсинов, но также весьма вероятно, что эти дупликации привели к эволюции новых функций. Мы думаем, что это, вероятно, комбинация этих двух факторов».

Эта движущая сила в сторону большей сложности возникла потому, что змеи находятся в эволюционной «гонке вооружений» со своей добычей: если их яд остаётся неизменным слишком долго, есть риск, что жертвы станут к нему невосприимчивы. Например, в США есть суслики, настолько устойчивые к яду гремучих змей, что теоретически их плазму крови можно было бы использовать для лечения укусов этих змей у людей. Ядовитые змеи почти полностью полагаются на свой яд для убийства добычи, поэтому иммунитет жертвы был бы катастрофой. Чтобы избежать этого риска, яд должен постоянно развивать новые «трюки».

Эти результаты, вероятно, применимы и к другим ядовитым змеям помимо королевской кобры. Они помогут исследователям разработать более эффективные противоядия, способные защитить от укусов многих видов змей. В настоящее время производство противоядия — относительно примитивный процесс, при котором лошадям или овцам вводят небольшие количества яда, а затем собирают и концентрируют вырабатываемые ими антитела.

Поскольку у каждой змеи свой уникальный яд с характерным набором химических веществ, противоядие, разработанное для одного вида, часто не действует против яда другого. Укусы змей являются основной причиной смертности во многих тропических странах. Если мы научимся искусственно производить противоядие, эффективное против более широкого спектра видов, фокусируясь на наиболее важных белках, общих для ядов разных змей, можно будет ежегодно спасать тысячи жизней.

Кейсуэлл говорит, что следующий шаг — провести аналогичные исследования на других видах змей. Кобры относятся к аспидам (Elapidae), одному из двух основных семейств ядовитых змей наряду с гадюковыми (Viperidae). Теперь он надеется изучить эволюцию яда у представителя второго семейства, например, у гремучей змеи или гадюки.

Он отмечает, что сложность яда конкретной змеи может зависеть от степени специализации её рациона: чем больше она зависит от небольшого числа видов добычи, тем выше риск, что эта добыча выработает иммунитет к её яду. «Это почти наверняка баланс факторов, связанных с рационом змеи и устойчивостью её добычи, который определяет сложность её яда и скорость его эволюции», — добавляет Кейсуэлл.

Статья опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Одновременно в том же журнале опубликована ещё одна статья под руководством доктора Тодда Касто из Техасского университета в Арлингтоне, соавтором которой является Кейсуэлл. В ней сравнение кобры и питона рассматривается с другой стороны: изучение генома бирманского питона позволило раскрыть генетическую основу невероятных физиологических изменений, происходящих, когда змея съедает крупную добычу.

После того как питону удаётся проглотить поросёнка или другую крупную добычу, его метаболизм резко ускоряется, а сердце, печень, тонкий кишечник и почки увеличиваются на целых 150% всего за день или два. Эти изменения позволяют змее переварить добычу за разумное время, после чего её физиология возвращается в норму.

Считается, что подобная быстрая адаптация происходит у многих змей, особенно у тех, которые подстерегают добычу, а не активно охотятся, хотя бирманский питон, возможно, является самым крайним случаем. Изучение его генома в сравнении с геномом королевской кобры показало, что за необычной способностью змеи изменять всё своё тело в зависимости от ситуации стоит аналогичный процесс «рекрутирования» и адаптации генов из других частей организма.