Эволюция в действии: генетическое исследование объясняет, почему в море много рыбы

Колюшки трехиглые не так красивы, как многие аквариумные рыбы, но биологи ценят их за то, что они раскрывают генетические изменения, лежащие в основе эволюции. Исследователи впервые секвенировали геном колюшки и обнаружили, что по мере адаптации рыб в разных частях мира к жизни в пресной воде одни и те же участки генома изменялись снова и снова.

Результаты, опубликованные 5 апреля 2012 года в журнале Nature, показывают, что адаптацию колюшек к пресноводной среде двигали изменения как в самих генах, так и, чаще, в участках ДНК, контролирующих активность генов.

«Эти рыбы заселили целый ряд новых сред обитания за последние 10 000–20 000 лет», — говорит исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) Дэвид Кингсли из Стэнфордского университета. По мере таяния ледников в конце последнего ледникового периода морские колюшки проникли в пресную воду, заселив реки, озера и ручьи. Рыбы адаптировались к новым условиям. По сравнению с морскими родственниками пресноводные колюшки, как правило, меньше и стройнее, с менее развитым костным панцирем. Выживание в новых условиях также привело к изменениям зубов, челюстей, почек, окраски и множества других признаков. Эта модель колонизации и адаптации повторялась в нескольких регионах обитания колюшек, включая восточное и западное побережья Северной Америки, Западную Европу и Восточную Азию. «Бесчисленные озера и ручьи по всему миру стали естественными эволюционными экспериментами», — говорит Кингсли.

В предыдущих исследованиях Кингсли и коллеги выделили три примера генетических изменений. В 2005 году они сообщили в Science, что у пресноводных колюшек обычно встречаются определенные варианты гена Ectodysplasin, который влияет на количество костных пластин по бокам рыбы. Эти варианты, редкие у морских колюшек, стали преобладать в большинстве пресных водоемов, вероятно, потому, что меньшая броня была выгодна там, где скорость — лучшая защита от местных хищников.

Однако для получения общей картины типов изменений ДНК, наиболее часто используемых при адаптации рыб, исследователям потребовалась полная последовательность генома колюшки.

Для нового исследования Кингсли, ученые из Broad Institute MIT и Гарварда и международная команда начали с секвенирования генома пресноводной колюшки из Аляски в качестве стандарта для сравнения. Это само по себе стало достижением — был получен первый полный геном колюшки. Затем команда секвенировала геномы еще 20 колюшек со всего мира: 10 морских разновидностей из Северной Америки, Европы и Японии и 10 пресноводных родственников из соседних пресных водоемов. Анализ выявил участки ДНК, которые изменялись при переходе рыбы из соленой воды в пресную.

Исследователи обнаружили 147 «повторно используемых» регионов в геноме рыб. Это говорит о том, что каждый раз, когда рыба покидала море, варианты в этой же группе генов помогали перестроить ее в формы, лучше приспособленные к пресной воде.

Эти регионы включают ключевые гены, влияющие на броню, которые команда Кингсли идентифицировала ранее, и многие другие, участвующие в метаболизме, передаче сигналов в ходе развития и поведенческих взаимодействиях между животными. Исследование выделяет гены семейства WNT, которые помогают регулировать эмбриональное развитие и влияют на размер мелких трубочек в почке, участвующих в сохранении соли. Пресноводные рыбы склонны терять соль в окружающую среду, поэтому им нужны более длинные трубочки, чтобы реабсорбировать ее из фильтруемой почками жидкости, а не выделять с мочой.

Последовательности генома также позволили исследователям решить один из самых спорных вопросов эволюционной биологии: какие генетические изменения стимулируют эволюцию — изменения в кодирующих участках генома или в регуляторной ДНК, контролирующей активность генов. «Здесь это не "или-или"», — говорит Кингсли. Анализ команды показывает, что происходили оба типа изменений, но регуляторные изменения были примерно в четыре раза более распространенными. «Мы наконец получаем представление об относительном вкладе обоих механизмов в целый спектр признаков, эволюционировавших в дикой природе», — говорит Кингсли.

Анализ естественных эволюционных экспериментов колюшек с помощью секвенирования генома «показывает нам генетический механизм, с помощью которого животные адаптируются к разным средам», — заключает Кингсли. Этот подход позволяет «найти ключевые гены, контролирующие эволюционные изменения, и помочь преодолеть разрыв между изменениями в парах оснований ДНК и появлением новых признаков в природных популяциях».