Сюрпризы в генах морских черепах могут помочь им адаптироваться к быстро меняющемуся миру
Около 100 миллионов лет назад группа сухопутных черепах перешла к жизни в океане, в конечном итоге эволюционировав в известных нам сегодня морских черепах. Однако генетические основы, позволившие им процветать в океанах по всему миру, оставались в значительной степени неизвестными.
В исследовании, недавно опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, международная команда из 48 исследователей под руководством Массачусетского университета в Амхерсте в сотрудничестве с Институтом зоопарков и исследований дикой природы Лейбница и Проектом генома позвоночных представила невероятно детальную генетическую карту двух видов — зелёной и кожистой черепах, — которая полна сюрпризов, способных стать ключом к их выживанию в быстро меняющемся мире.
Геном отдельного вида содержит генетический набор инструкций для его построения, и секвенирование генома любого вида — огромная работа. Это похоже на перевод целой библиотеки на язык, понятный учёным, и стало возможным лишь в последние десятилетия. Для зелёной черепахи «черновой» вариант генома, включающий примерно 100 000 фрагментов генетической информации, был доступен с 2013 года.
«Но, — говорит Блэр Бентли, постдокторант в области охраны окружающей среды в UMass Amherst и ведущий автор нового исследования, — эти фрагменты генетической информации не были точно картированы. Это было как если бы вы вошли в библиотеку и нашли 100 000 страниц, разбросанных по полу».
Чтобы точнее каталогизировать геномы черепах, международная команда обратилась к новым технологиям, включая секвенирование длинными ридами — метод, недавно названный журналом Nature «Методом 2022 года». Это позволило секвенировать геномы практически любого живого вида с гораздо более высокой точностью, чем раньше.
Секвенирование геномов черепах проводилось как в Университете Рокфеллера в Лаборатории генома позвоночных (VGL) под руководством Эрика Джарвиса, возглавляющего VGP, и Оливье Федриго, директора VGL, так и в Институте молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка под руководством Юджина Майерса — все они являются соавторами нового исследования. «Эти достижения позволили нам сделать эквивалент расстановки всего по полкам согласно десятичной системе Дьюи, чтобы мы могли начать понимать, как всё взаимосвязано», — говорит Бентли.
Как только Бентли и его соавторы правильно организовали и аннотировали генетические данные, они начали находить сюрпризы. Первый заключается в том, что, хотя зелёные и кожистые черепахи разошлись от общего предка около 60 миллионов лет назад, их геномы поразительно похожи.
Похожи, но не одинаковы. «Именно эти различия делают их уникальными», — говорит Лиза Комороске, профессор охраны окружающей среды в UMass и один из двух старших авторов статьи. И именно эти различия могут содержать ключ к долгосрочному выживанию каждого вида, особенно учитывая, что популяции как зелёных, так и кожистых черепах резко сократились из-за деятельности человека.
Оказалось, что у зелёных черепах эволюционировало больше генов, отвечающих за иммунитет, что предполагает иммунную систему, лучше подготовленную к новым патогенам, а также больше обонятельных рецепторов — у них лучше развито обоняние. Геном кожистой черепахи также показывает, что у них ниже генетическое разнообразие и исторически был более низкий уровень популяции.
«Это и благословение, и проклятие, — говорит Комороске, — потому что это означает, что хотя кожистые черепахи — устойчивый вид, у них не так много генетического разнообразия для эволюции, чтобы справляться с вызовами быстро меняющейся среды». Подобные выводы помогут биологам-экологам принимать более обоснованные решения о том, как лучше защищать этих животных, сталкивающихся с проблемами адаптации к нашей быстро меняющейся планете.
Кроме того, чем больше времени Бентли и Комороске проводили, изучая геномы черепах, тем более очевидным становилось, что большая часть генетических различий между двумя видами обнаруживается не в макрохромосомах, а в том, что когда-то считалось «генетическим мусором»: микрохромосомах, или небольших генетических фрагментах, которые, кажется, отсутствуют у млекопитающих, но характерны для геномов птиц и рептилий.
«Мы обнаружили большинство различий между зелёной и кожистой черепахами именно на этих микрохромосомах, — говорит Камила Маццони, исследователь из Института зоопарков и исследований дикой природы Лейбница и другой старший автор исследования, — и наша работа вносит вклад в растущий объём знаний о важности микрохромосом в эволюции позвоночных».