Марш пингвиньих геномов

Впервые секвенированы и проанализированы геномы двух видов пингвинов в журнале открытого доступа GigaScience. Исследование раскрывает, как эти птицы смогли адаптироваться к холодной и враждебной антарктической среде.

Антарктические пингвины подвержены экстремально низким температурам, сильным ветрам и резким изменениям светового дня. У них развились сложные биологические системы для регуляции температуры и накопления энергии для длительного голодания. Международная команда исследователей проанализировала ДНК двух антарктических пингвинов (адели и императорского) в сравнении с другими видами птиц, раскрыв генетическую основу их адаптаций и эволюционную историю в ответ на изменение климата.

Используя исторические генетические записи в ДНК, исследователи оценили, что пингвины впервые появились около 60 миллионов лет назад. Популяция пингвина адели быстро росла около 150 000 лет назад, когда климат стал теплее, но затем сократилась на 40% около 60 000 лет назад во время холодного и сухого ледникового периода. Популяция императорского пингвина оставалась стабильной, что говорит о лучшей адаптации к ледниковым условиям.

Каи Ли, BGI-Shenzhen: "Разные модели исторических изменений популяции предполагают, что будущие климатические изменения могут по-разному влиять на два вида пингвинов. Императорские пингвины могут сильнее пострадать от глобального потепления".

Оба вида пингвинов имеют расширенные гены, связанные с бета-кератинами — белками, из которых на 90% состоят перья. У них обнаружено не менее 13 генов, ответственных за один тип бета-кератина, что является самым высоким показателем среди всех известных птичьих геномов. Это объясняет, почему перья пингвинов короткие, жёсткие и плотно упакованы для минимизации потерь тепла, водонепроницаемости и помощи в подводном полёте. Также идентифицирован ген DSG1, вероятно, ответственный за толстую кожу пингвинов.

Для выживания в холоде и при длительном голодании (до четырёх месяцев у императорских пингвинов) критически важно накопление жира. Два вида пингвинов выработали разные адаптации для липидного метаболизма в ходе эволюции. Обнаружено восемь генов, вовлечённых в метаболизм липидов у пингвина адели, и три — у императорского.

Крылья (передние конечности) пингвинов сильно изменились для подводного плавания. В геномах пингвинов идентифицировано 17 генов, связанных с передними конечностями, которые претерпели уникальные изменения. Один из генов, EVC2, показал большее количество генетических изменений по сравнению с другими птицами. Мутации EVC2 у человека вызывают синдром Эллиса–Ван-Кревельда, характеризующийся карликовостью с короткими конечностями и короткими рёбрами.

Гоцзе Чжан, Университет Копенгагена: "Пингвины демонстрируют отчётливую эволюцию. Сравнительная геномика — мощный инструмент для понимания молекулярной основы этих эволюционных изменений".

Дэвид Ламберт, Университет Гриффита: "Секвенирование геномов двух видов позволило сравнить гены, ответственные за разные способности делать одно и то же — выживать и размножаться в Антарктиде".

Эти работы являются частью серии отчётов Avian Phylogenomics Project, публикуемых одновременно в нескольких журналах, включая Science, BMC Genomics, BMC Evolutionary Biology и Genome Biology.