Как предки современных морских рыб завоевали океаны

Международная команда исследователей из IRTA при IBB-UAB и Университета Бергена идентифицировала уникальный набор генов, который позволяет морским лучепёрым рыбам (teleosts) гидратировать икру, чтобы она плавала и рассеивалась в океане для выживания. Эти механизмы проливают новый свет на эволюцию этой группы рыб, к которой принадлежат почти все современные морские рыбы и чьи предки перешли из пресной воды в солёную среду.

Учёные из Испании, Италии и Норвегии в новом исследовании, опубликованном в Molecular Biology and Evolution, выяснили, как лучепёрые рыбы (96% современных морских рыб) развили этот механизм гидратации. Они обнаружили кластер генов водных каналов (аквапоринов), который существует только у лучепёрых рыб. Эти гены позволяют воде проходить через клеточные мембраны и специфически экспрессируются в наружных мембранах созревающей икры.

Исследование возглавили Жоан Серда и Родерик Найджел Финн из Института агропродовольственных исследований и технологий (IRTA) и Университета Бергена в Институте биотехнологии и биомедицины UAB (IBB-UAB). В нём также участвовали исследователи из Института морских наук (ICM-CSIC), Испанского центра геномной регуляции (CRG), Норвежского института морских исследований (IMR) и Университета Падуи.

Хотя рыбы плавают в море сотни миллионов лет, так было не всегда. Считается, что их предки эволюционировали в пресной воде. Это создавало серьёзную физиологическую проблему для первых пионеров, которые вторглись в солёную среду, поскольку концентрация соли в их жидкостях тела была, как и у людей, намного ниже, чем в морской воде.

Все современные лучепёрые рыбы отражают это состояние и, как их предки, сталкиваются с обезвоживанием из-за пассивного движения воды тела во внешнюю среду с высокой солёностью. В отличие от людей, которые не могут пить морскую воду из-за неспособности почек выводить избыток соли, морские лучепёрые рыбы развили эту способность, используя специализированные клетки в жабрах. Однако существовала серьёзная проблема: чтобы полностью завоевать среду, необходимо в ней размножаться, но их одноклеточная икра не имела органных систем, которые у взрослых особей управляют морской водой.

Адаптивное решение, найденное морскими лучепёрыми рыбами, заключается в гидратации созревающей икры до её овуляции, чтобы обеспечить развивающиеся эмбрионы водой жизни. Количество гидратации определяет, будет ли выпущенная икра тяжелее или легче окружающей морской воды, и, следовательно, опустится ли она на морское дно или будет плавать и рассеиваться в океанах.

Дублированные гены с одинаковой функцией

Необычный аспект идентифицированных генов заключается в том, что это тесно связанные дубликаты, выполняющие одну и ту же функцию. Обычно, когда возникают тесно связанные дубликаты генов, один может приобрести новую функцию или быть утрачен из-за избыточности. "В данном случае новые гены выполняют одну и ту же функцию в одной и той же мембране икры", — объясняет Жоан Серда.

Изучив сотни геномов лучепёрых рыб, исследование показывает, что практически все виды, производящие плавающую икру, сохраняют по крайней мере один из этих генов, а треть из них сохраняет оба гена. Напротив, почти половина видов, производящих тонущую икру, потеряли оба гена, и почти все виды, вынашивающие икру внутри (например, морские коньки), также потеряли оба гена.

Чтобы понять, как плавающая икра использует эти гены, авторы использовали широкий спектр экспериментальных методов вместе с современными технологиями секвенирования ДНК. Они показали, что белки, полученные из каждого гена, развили специфические механизмы, контролирующие их встраивание в наружные мембраны икры. "Когда такие механизмы активируются, каждый канал связывается с ранее неизвестным типом белка, который удерживает каналы в мембране", — говорит Родерик Найджел Финн. Эти новые белки, обнаруженные исследователями, также встречаются только у лучепёрых рыб.

Удивительная особенность заключается в том, что у современных морских лучепёрых рыб второй механизм активации заставляет один из каналов перемещаться в другую часть наружной мембраны икры. Таким образом, оба канала продолжают выполнять одну и ту же функцию и избегают конкуренции за одно и то же пространство в мембране. В результате ускоряется приток воды в созревающую икру. Процесс прекращается, когда новые связывающие белки высвобождаются, что заставляет два канала покинуть наружную мембрану икры. Это запирает приобретённую воду внутри икры.

Механизм гидратации настолько эффективен, что обеспечивает икру более чем 90% воды. Когда такая икра выпускается в морскую среду и оплодотворяется, она плавает как пассивный пассажир в океанических течениях и таким образом переносится к новым горизонтам.