Расшифровка генома змей раскрывает их роющий образ жизни в прошлом и повторную адаптацию к жизни на поверхности

Исследование под руководством Китайской академии наук, Китай, представило хромосомную сборку геномов 14 змей, создав высокоточный геномный референс для изучения их эволюции. В статье "Large-scale snake genome analyses provide insights into vertebrate development", опубликованной в Cell, научная группа детализировала широкий спектр открытий, сделанных благодаря этим данным секвенирования.

Используя технологии длинного чтения PacBio и Oxford Nanopore Technology, исследователи создали качественный черновик полного генома для 14 змей из 12 разных семейств. Затем для сборки на хромосомном уровне были использованы данные Hi-C.

Учёные проанализировали собранные данные вместе с ранее секвенированными геномами змей, ящериц, черепахи, крокодила, птицы и мыши. Картина эволюции змей была построена на основе потерь, добавлений и консервации генов, связанных с различными признаками.

Оценка времени дивергенции на основе анализа предполагает, что змеи возникли в раннем меловом периоде около 118 миллионов лет назад и претерпели быстрое разнообразие после массового вымирания 65 миллионов лет назад.

Характерные черты длинного безногого тела соответствовали специфичным для змей делециям генов, наблюдаемым во всех вновь секвенированных геномах.

Удлинённое тело змей также повлияло на форму внутренних органов, таких как лёгкие. Левое лёгкое, как правило, отсутствует, рудиментарно или функционирует, но меньше правого. У змей отсутствовал ген, кодирующий динеин, который играет жизненно важную роль в развитии лево-правой симметрии, а у 13 генов, связанных с развитием лёгких, были обнаружены инсерции, которые могли изменить их регуляторную функцию.

Изменения в зрительной системе проявились в потере нескольких генов, кодирующих фоторецепторы. При этом экспрессия 15 генов, связанных с клетками фоторецепторов, была значительно повышена в глазах змей. Авторы предполагают, что ранние змеи пережили продолжительный период жизни в условиях низкой освещённости в норах, прежде чем вернуться в хорошо освещённые наземные местообитания. В этом сценарии структура и функция глаз змей повторно адаптировались к поверхностному свету за счёт усиления экспрессии генов, которые были сохранены.

Три линии змей — ямкоголовые змеи, питоны и удавы — обладают специализированными термочувствительными органами инфракрасного зрения, связанными с тройничным нервом. Анализ выявил конвергентное перепрофилирование некодирующих генов вокруг активных генов, связанных с клеточным ответом на тепло.

Наблюдения за генами, регулирующими слух, позволяют предположить, что потеря генов связана с ограниченным диапазоном слуха змей и особенностями восприятия звука. В то же время эволюция дополнительных регуляторных генов может быть связана со специализацией внутреннего уха и восприятием низких частот. Этот сдвиг в слухе также часто наблюдается у роющих животных, что дополнительно указывает на подземное происхождение в прошлом.

Помимо новых данных об эволюции и диверсификации змей, высококачественная коллекция данных была обнародована и, несомненно, станет важным геномным референсным источником для будущих исследований в области биологии рептилий.