Расшифровка генетического кода щетинкочелюстных: как хетогнаты обрели свой уникальный план строения тела

Щетинкочелюстные, или хетогнаты, — странные морские хищники, более века ставившие учёных в тупик. Они имеют прозрачное, торпедообразное тело, острые хватательные шипы возле рта и сенсорные структуры, не похожие на таковые у любой другой группы животных. Несмотря на их отличительный облик, их место на эволюционном древе долгое время оставалось загадкой.

Под руководством Ферди Марлетаза (UCL) и при соавторстве Александра де Мендосы Солера, Чемы Мартина и Люка Сарра (ранее) из Школы биологических и поведенческих наук, наряду с другими исследователями, новое исследование, опубликованное в Nature, восстановило их историю вплоть до уровня отдельных генов и клеток и показало, как сформировался их необычный план строения тела.

Уникальное место в семейном древе животных

Хетогнаты принадлежат к группе Gnathifera, наряду с микроскопическими животными, такими как коловратки. В отличие от своих крошечных родственников, хетогнаты — более крупные активные хищники, живущие в открытых водах и питающиеся планктоном.

Ископаемые остатки показывают, что их план строения тела практически не изменился с кембрийского периода, более 500 миллионов лет назад, что делает их живыми снимками древней океанической жизни. Gnathifera являются сестринской группой для большой группы животных, включающей дождевых червей и улиток.

Геномы, эволюционировавшие с высокой скоростью

Исследователи секвенировали полный геном вида Paraspadella gotoi и сравнили его с другими животными. Они обнаружили, что ДНК хетогнатов со временем была сильно перетасована.

Хотя они обладают многими генами, общими для всех животных, они также содержат большое количество дуплицированных генов. Дупликация генов может возникать в результате дупликации всего генома, когда геном удваивается и все гены имеют две копии, как это произошло в нашей собственной линии, у позвоночных. Вместо этого хетогнаты дуплицировали все гены независимо, не демонстрируя признаков дупликации всего генома.

Создание новых клеток из новых генов

Сопоставив почти 30 000 отдельных клеток щетинкочелюстных, команда идентифицировала как древние типы клеток (например, мышцы, нейроны и клетки кишечника), так и совершенно новые (такие как клетки, производящие их хватательные шипы и сенсорные папиллы). Многие из этих уникальных клеток зависят от совершенно новых генов, которые эволюционировали только у хетогнатов, а также от дуплицированных генов, адаптированных для новых ролей.

Это означает, что щетинкочелюстные не просто перепрофилировали старые гены — они изобрели новые, чтобы построить свои необычные органы.

Неожиданные приёмы регуляции генов

Хетогнаты также используют необычные методы контроля своих генов:

• Сдвиг метилирования ДНК: Большинство животных используют метилирование ДНК для регуляции активности генов. У хетогнатов метилирование вместо этого в основном нацелено на «прыгающие гены» (транспозоны), чтобы держать их неактивными.
• Транс-сплайсинг: Почти половина их генов подвергается процессу, называемому транс-сплайсингом, который помогает производить зрелые РНК из нескольких сегментов генов. Это редкость среди животных и может помогать им управлять своим упрощённым, перестроенным геномом.

Это исследование показывает, что отличительный план строения тела хетогнатов является результатом масштабных генетических изменений: потери многих старых генов, приобретения новых и эволюции новых способов их регуляции. Оно предполагает, что после периода упрощения в их далёком прошлом щетинкочелюстные заново изобрели свою сложность, создав уникальные органы и поведение, которые позволили им процветать в качестве хищников более полумиллиарда лет.

Как отмечают исследователи, хетогнаты являются ярким примером того, как эволюция может «переписать» генетический инструментарий животного, чтобы построить нечто совершенно новое.