Первый геном антарктической нототениевой рыбы секвенирован
Профессор Северо-Восточного университета Х. Уильям Детрич в составе международной исследовательской группы секвенировал первый геном антарктической нототениевой рыбы. Этот прорыв прольёт свет на уникальную эволюционную адаптацию животного к ледяным водам и поможет понять, как рыба отреагирует на прогнозируемое повышение температуры воды в течение следующих двух столетий из-за изменения климата.
Детрич, профессор морской молекулярной биологии и биохимии в Морском научном центре Северо-Восточного университета, сотрудничал с исследователями из нескольких учреждений в Южной Корее, Австралии и Орегоне. Их работа была недавно опубликована в журнале Genome Biology.
Нототениевые рыбы, группа из примерно 100 видов, адаптировались за последние 40 миллионов лет к падению температуры воды в Антарктическом океане более чем на 20°C до точки замерзания морской воды. В то время как многие другие виды рыб мигрировали в более тёплые воды, нототениевые остались. С меньшей конкуренцией за пищу популяция группы и количество видов выросли — процесс, известный как адаптивная радиация.
Секвенировав геном антарктического бычкового нототена (Notothenia coriiceps), исследователи обнаружили, что нототениевые адаптировались к ледяной воде отчасти за счёт изменений во многих белках, функционирующих в митохондриях — «электростанциях» клеток. В геноме также подтвердились ранее описанные эволюционные явления, включая приобретение генов, производящих белковые антифризы для предотвращения замерзания жидкостей тела.
«Мы предоставляем первый глобальный снимок изменений в геномах нототениевых рыб, которые позволили группе успешно освоить свою среду», — сказал Детрич. «Геном подобен капсуле времени, которая записывает эволюционные события, связанные с холодовой адаптацией».
Детрич в течение последних 30 лет ездит на станцию Палмер в Антарктиде для изучения любящих холод нототениевых. Он недавно собрал 162 образца тканей как минимум от 10 различных видов нототениевых рыб, которые будут добавлены в Ocean Genome Legacy — публичный и редкий биорепозиторий образцов ДНК морских организмов. OGL в прошлом году переехал в Морской научный центр Северо-Восточного университета, и эти новые образцы значительно укрепят коллекцию ДНК антарктических рыб OGL для доступа морских учёных.
Следующий шаг — секвенировать больше геномов нототениевых рыб, чтобы можно было провести сравнения между разными видами и понять, как они адаптировались к разным экологическим нишам. Например, у некоторых видов нототениевых эволюционировали скелеты с низким содержанием кальция, что делает их легче и позволяет легко плавать в толще воды в поисках пищи, в то время как другие сохранили тяжёлые скелеты и питаются в основном у морского дна. Сравнение геномов лёгких и тяжёлых видов может помочь понять процесс, ведущий к снижению минерализации костей, что потенциально может информировать разработку терапевтических средств для людей с остеопорозом.
Ледяные рыбы, подгруппа нототениевых, также утратили способность производить кислород-транспортирующий белок гемоглобин, а также красные кровяные клетки, которые переносят гемоглобин по кровотоку. Сравнение геномов ледяных рыб с геномами их краснокровных родственников должно раскрыть, как произошла эта увлекательная «адаптация», и, возможно, привести к новым методам лечения анемии у людей.
Эта работа также может пролить свет на то, как нототениевые могут адаптироваться к повышению температуры воды из-за изменения климата; текущие прогнозы указывают на увеличение на 2–5°C в течение следующих двух столетий.
«Первый вопрос: могут ли они это сделать, исходя из генетического содержания их нынешних геномов? Второй — может ли эволюция действовать в такой короткий период времени, чтобы восстановить их способность жить при неестественно высоких температурах», — сказал Детрич.
Понимание генома рыбы поможет исследователям ответить на эти вопросы с большей уверенностью, но нототениевые столкнутся с серьёзными трудностями. Во-первых, у них будет гораздо меньше времени на адаптацию к потеплению океана, чем было на адаптацию к ледяным водам. Кроме того, ледяные рыбы, лишённые гемоглобина, несомненно, столкнутся с проблемами из-за более низкого уровня кислорода, который сопровождает повышение температуры океана.