Расшифровка геномов летучих мышей проливает свет на эволюцию полёта и иммунитета

Международная команда учёных из BGI, CSIRO Australian Animal Health Laboratory и других институтов провела полное секвенирование и сравнительный анализ геномов двух диких видов летучих мышей: чёрной летучей лисицы (Pteropus alecto) и мыши Давида (Myotis davidii). Исследование, опубликованное в Science, раскрывает генетические механизмы, лежащие в основе уникальных черт рукокрылых, таких как способность к полёту и сосуществование со смертельно опасными вирусами (Нипах, Хендра, Эбола, SARS).

Происхождение и эволюция

Анализ подтвердил, что все летучие мыши имеют общего предка. Исследование показало, что рукокрылые входят в кладу Pegasoferae и отделились от линии Equus (лошадь) примерно 88 миллионов лет назад. Интересно, что филогенетическая реконструкция на основе митохондриальной ДНК помещает летучих мышей на окраину Laurasiatheria. Это несоответствие с ядерным деревом может отражать быструю эволюцию митохондриального генома предка летучих мышей в процессе освоения полёта.

Генетические основы полёта

Для выявления механизмов, способствовавших возникновению полёта, учёные исследовали гены, связанные с обнаружением и репарацией повреждений ДНК. У предка летучих мышей была обнаружена неожиданная концентрация генов, находящихся под положительным отбором, в пути DNA damage checkpoint/DNA repair (например, гены ATM, DNA-PKc, RAD50, KU80, MDM2). Учёные предполагают, что эти изменения могут быть напрямую связаны с минимизацией/восстановлением негативных эффектов от реактивных форм кислорода (ROS), образующихся как следствие полёта. Также были найдены уникальные изменения в других генах, связанных с полётом: COL3A1 (участвует в эластичности кожи) и CACNA2D1 (играет роль в мышечном сокращении).

Особенности иммунной системы

Исследуя гены, ассоциированные с врождённым иммунитетом, команда обнаружила положительный отбор в гене c-REL (член семейства транскрипционных факторов NF-kB). Помимо разнообразных ролей в иммунитете, c-REL участвует в ответе на повреждение ДНК, что важно для защиты от патогенов и является известной мишенью для взаимодействия с вирусами. Исследователи предполагают, что иммунная система летучих мышей, вероятно, подверглась влиянию изменений в механизмах репарации ДНК в процессе отбора на способность к полёту.

Ключевое открытие касается естественных киллеров (NK-клеток). Было обнаружено, что два семейства рецепторов NK-клеток — KIR и KLR (Ly49) — полностью отсутствуют у чёрной летучей лисицы и редуцированы до единственного псевдогена Ly49 у мыши Давида. Рецепторы, подобные KIR, обнаруженные у других видов, также отсутствуют в обоих геномах. Это позволяет предположить, что NK-клетки летучих мышей используют новый класс рецепторов для распознавания классических молекул MHC-I.

Различия между видами

Исследование выявило генетические различия, связанные с образом жизни:

• Пищеварение и вирусы: Фермент RNASE4 у мыши Давида может быть вовлечён в устойчивость к вирусам, но у чёрной летучей лисицы этот ген имеет сдвиг рамки считывания. Это соотносится с рационом: мышь Давида насекомоядная, а летучая лисица питается фруктами, цветами и нектаром.
• Спячка: У мыши Давида обнаружено шесть генов-кандидатов, связанных со спячкой, находящихся под положительным отбором по сравнению с незимоспящими видами.
• Эхолокация: У эхолоцирующей мыши Давида семь генов, связанных с эхолокацией, показали значительно более высокое отношение dN/dS по сравнению с неэхолоцирующими ветвями.

Цитата: "Стремительное развитие геномики значительно углубляет наше понимание загадок эволюционной биологии... Геномный сравнительный анализ также предоставит важные инструменты для дальнейшего понимания аутоиммунной системы летучих мышей и соответствующих механизмов защиты от вирусных инфекций", — отметил Гоцзе Чжан, руководитель проекта из BGI.