Расшифрован геном латимерии: неожиданные открытия от рыбы с 300-миллионолетней летописью окаменелостей

Международная группа исследователей расшифровала геном африканской латимерии — рыбы, чья эволюционная история является загадочной и поучительной. Эта обитающая в морских пещерах рыба длиной около пяти футов с плавниками, похожими на конечности, считалась вымершей, пока в 1938 году у побережья Африки не была обнаружена живая особь. Современные латимерии очень похожи на окаменелые скелеты своих предков возрастом более 300 миллионов лет. Их геном подтвердил давнее предположение ученых: гены латимерий эволюционируют медленнее, чем у других организмов.

«Мы обнаружили, что гены в целом эволюционируют значительно медленнее, чем у любой другой рыбы и наземного позвоночного, которых мы изучали», — заявила Джессика Альфёльди, соавтор статьи в журнале Nature. Исследователи предполагают, что такая низкая скорость изменений может быть связана с тем, что латимерии просто не нуждались в изменениях: они обитают в основном у восточного побережья Африки (второй вид живет у берегов Индонезии) на глубинах, где условия мало менялись на протяжении тысячелетий.

«Латимерия, вероятно, очень специализирована для такой специфической, неизменной, экстремальной среды — она идеально приспособлена для жизни в глубоком море именно такой, какая она есть», — отметила старший автор работы Керстин Линдблад-То.

Геном латимерии также позволил ученым протестировать другие давно обсуждаемые вопросы. Например, латимерии и родственная группа рыб — двоякодышащие — обладают «лопастевидными» плавниками, напоминающими конечности четвероногих наземных животных (тетрапод). Вероятно, один из видов древних лопастеперых рыб дал начало первым четвероногим амфибиям, вышедшим на сушу. Сравнив геном латимерии, данные РНК обоих видов латимерии и двоякодышащих рыб, а также 20 других видов позвоночных, исследователи пришли к выводу, что тетраподы более тесно связаны с двоякодышащими рыбами, чем с латимерией.

Однако латимерия по-прежнему остается критически важным объектом для изучения перехода из воды на сушу. Геном двоякодышащей рыбы, состоящий из 100 миллиардов «букв» ДНК, слишком громоздок для анализа, в то время как более скромный по размеру геном латимерии (сопоставимый с человеческим) дает ценные ключи к генетическим изменениям, позволившим тетраподам освоить сушу.

Сравнивая, какие гены были утрачены, а какие регуляторные элементы (части генома, управляющие активностью генов) — приобретены при выходе на сушу, исследователи сделали несколько необычных открытий:

• Обоняние. Обнаружены регуляторные изменения в генах, связанных с восприятием запаха и обнаружением запахов в воздухе. Предполагается, что при переходе из воды на сушу потребовались новые средства обнаружения химических веществ в окружающей среде.
• Иммунитет. При сравнении генома латимерии с геномами наземных животных обнаружено значительное количество регуляторных изменений, связанных с иммунитетом. Они могут быть частью реакции на новые патогены, с которыми столкнулись животные на суше.
• Эволюционное развитие. Обнаружены ключевые генетические области, которые могли быть «эволюционно рекрутированы» для формирования таких инноваций тетрапод, как конечности, пальцы и плацента млекопитающих. Одна из этих областей, HoxD, содержит последовательность, общую для латимерий и тетрапод. Вероятно, эта последовательность была заимствована тетраподами для формирования кистей и стоп.
• Цикл мочевины. Рыбы выделяют азот в виде аммиака в воду, а наземные животные быстро преобразуют аммиак в менее токсичную мочевину. Исследователи обнаружили, что самый важный ген, участвующий в этом цикле, был модифицирован у тетрапод.

«Это всего лишь начало многих анализов того, чему латимерия может научить нас о возникновении наземных позвоночных, включая людей», — отметил соавтор работы Крис Амемия.

Секвенирование полного генома латимерии было уникальной задачей, поскольку этот вид находится под угрозой исчезновения, и образцы для исследований практически недоступны. Каждый полученный образец был бесценен. «Международный характер работы, ее эволюционная ценность и история, а также техническая сложность проекта действительно сплотили людей», — сказала Линдблад-То.

Исследователи ожидают, что дальнейшее изучение иммунитета, дыхания и физиологии латимерии приведет к глубокому пониманию того, как одни позвоночные адаптировались к жизни на суше, а другие остались обитателями моря.