Новые геномные механизмы выживания рыб в экстремальном холоде

Международная команда учёных из Кембриджского университета, Института Сэнгера (Великобритания), Университета Осло (Норвегия), а также институтов Нидерландов, Швейцарии и США секвенировала геномы 24 видов антарктических рыб. Их работа, опубликованная в Nature Communications, позволяет изучить, как эти рыбы выживают в водах Южного океана с температурой ниже нуля, и проливает свет на эволюционную историю этих уникальных животных.

Нототениевидные рыбы — уникальная группа. Они обитают в холодных водах под антарктическим льдом, в значительной степени изолированные от остального морского мира круговым течением вокруг континента. Нототениевидные эволюционировали, выработав антифризные белки, которые позволяют им выживать при температуре воды до -2°C — во враждебной для большинства видов среде. Одна подгруппа нототениевидных, называемая «белокровными рыбами» или «ледяными рыбами», полностью утратила связывающие кислород белки гемоглобина, что делает их единственными известными позвоночными без красных кровяных клеток.

Исследователи секвенировали геномы 24 видов нототениевидных рыб. Эти новые геномные данные были получены с использованием современных технологий длинного чтения, что позволило команде определить последовательность сложных, повторяющихся участков ДНК в геноме, которые ранее было невозможно расшифровать. Используя эти данные, учёные исследовали эволюционную историю нототениевидных и механизмы, обеспечивающие адаптацию к экстремальному холоду. Они показали, что холодоустойчивые нототениевидные отделились от других видов около 10,7 млн лет назад (что более недавнее событие, чем считалось ранее), а многие новые виды начали быстро эволюционировать примерно 5 млн лет назад.

Выживанию и становлению этой группы способствовали несколько геномных особенностей:

• Исследователи обнаружили, что размер генома удвоился у видов, специализирующихся на экстремальном холоде, таких как семейство Channichthyidae («ледяные рыбы»). Это расширение было вызвано значительным увеличением числа геномных элементов, известных как транспозоны, которые способны копировать себя в новые позиции в геноме и потенциально могут вносить новые функции.
• В то же время функции, обычно считающиеся необходимыми для выживания, такие как производство гемоглобина, были утрачены у «ледяных рыб».

Ключевые выводы:

• «Выживание в такой суровой среде требует дополнительных компенсаций организма, и эти рыбы выработали специальные белки, действующие как антифриз, чтобы не замерзать», — говорит доктор Илиана Биста.
• «Эти рыбы — единственные известные позвоночные, полностью утратившие гемоглобин, и их кровь выглядит белой. Это удивительно, потому что гемоглобин необходим для транспорта кислорода по телу; его потеря у ледяных рыб возможна только потому, что кислород лучше растворяется в воде при очень низких температурах, а также благодаря дополнительным геномным и физиологическим адаптациям».
• «Нототениевидные рыбы живут на грани жизнеспособности. Секвенирование широкой коллекции их геномов даёт представление о том, как они эволюционировали, чтобы выжить там, и поддерживает наше понимание критически важной экосистемы. Это исследование — отличный пример того, как достижения в геномике революционизируют нашу способность понимать биоразнообразие по всему миру», — говорит профессор Ричард Дурбин.