Расшифровка генома устрицы раскрывает адаптацию к стрессу и сложность формирования раковины

Международная группа исследователей под руководством Института океанологии Китайской академии наук и BGI завершила секвенирование, сборку и анализ генома тихоокеанской устрицы (Crassostrea gigas) — первого расшифрованного генома моллюска. Это поможет заполнить пробел в понимании богатого видами, но малоизученного семейства моллюсков. Исследование, опубликованное в Nature, раскрывает уникальные адаптации устриц к высокострессовой среде и сложный механизм формирования раковины.

«Эта работа — крупный прорыв в международной конхологической науке», — заявил профессор Фусуй Чжан, академик Китайской академии наук. — «Исследование предоставит ценные ресурсы для изучения биологии и генетического улучшения моллюсков и других морских видов».

Устрицы — беспозвоночные с двустворчатой раковиной, составляющие важную часть многих водных экосистем. Они имеют глобальное распространение, и их ежегодное производство много лет значительно выше, чем у любых других пресноводных или морских организмов. Помимо экономической и экологической важности, уникальные биологические характеристики делают устрицу важной моделью для изучения морских адаптаций.

В отличие от многих млекопитающих, устрицы и другие морские беспозвоночные отличаются высоким полиморфизмом, что является проблемой для de novo сборки. В этом исследовании учёные секвенировали и собрали геном тихоокеанской устрицы, используя комбинацию коротких ридов и стратегии «Разделяй и властвуй» с пулами фосмид. После обработки данных размер собранного генома составил около 559 Мб с общим числом генов ~28 000.

На основе геномного и транскриптомного анализа исследователи обнаружили обширный набор генов, позволяющих устрицам адаптироваться и справляться со стрессами окружающей среды, такими как перепады температуры, солёности, воздействие воздуха и тяжёлых металлов. Например:

• Экспансия гена белка теплового шока 70 (HSP 70) может объяснить, почему тихоокеанская устрица переносит высокие температуры.
• Экспансия генов ингибиторов апоптоза (IAPs) указывает на мощную антиапоптотическую систему, критически важную для выносливости устриц.

В области развития обнаружено, что кластер Hox-генов у устрицы нарушен, а также наблюдаются необычные потери и экспансии генов классов TALE и PRD.

Исследователи выяснили, что паралоги могут изменять экспрессию генов для лучшего противостояния стрессам. Это говорит о том, что экспансия и селективное удержание дуплицированных защитных генов, вероятно, важны для адаптации устриц. Кроме того, многие иммунные гены были высоко экспрессированы в пищеварительной железе, что указывает на её роль как органа первой линии защиты у фильтратора.

Раковина обеспечивает защиту от хищников и высыхания. На сегодня предложены две модели формирования раковины моллюсков, но ни одна не является достаточно точной. В этом исследовании, секвенируя пептиды в раковине, учёные идентифицировали 259 раковинных белков. Анализ показал, что формирование раковины — гораздо более сложный процесс, чем считалось ранее:

• Множество разнообразных белков могут играть важную роль в построении и модификации матрикса.
• Типичные белки внеклеточного матрикса (ECM), такие как ламинин и некоторые коллагены, высоко экспрессированы в раковине, что указывает на сходство её матрикса с ECM соединительных тканей и базальной пластинки.
• Гемоциты могут опосредовать формирование фибронектин (FN)-подобных фибрилл в раковинном матриксе.
• Функциональное разнообразие белков показывает, что в формировании раковины могут участвовать клетки и экзосомы.

«Подход к сборке генома устрицы открывает новый путь для изучения геномов с высокой гетерозиготностью и полиморфизмом, — сказал Сяодун Фан, руководитель проекта в BGI. — Геном устрицы даёт всестороннее понимание геномов моллюсков и даже лофотрохозой на уровне всего генома, фокусируясь на изучении разнообразия, эволюционных адаптивных механизмов, биологии развития, а также селекции с помощью геномики».