Яд скорпионов против млекопитающих — относительно недавнее эволюционное приобретение
Несмотря на репутацию «живых ископаемых», скорпионы оставались эволюционно гибкими, особенно в развитии яда для защиты от растущей угрозы со стороны хищных млекопитающих. Новый генетический анализ механизмов выработки токсинов выявил недавние эволюционные шаги, что может помочь исследователям, изучающим пользу яда скорпионов для здоровья человека.
Международная команда под руководством биологов из Университета Висконсин-Мэдисон создала крупнейшее на сегодня эволюционное древо скорпионов. Оно показывает семь независимых случаев, в которых эти восьминогие существа развили ядовитые соединения, токсичные для млекопитающих.
«Последние крупные изменения в их форме тела, их морфологии, произошли около 430 миллионов лет назад, когда они вышли из воды на сушу. Но теперь мы знаем, что они эволюционировали очень важными способами гораздо позже», — говорит Карлос Сантибаньес-Лопес, ведущий автор нового исследования, опубликованного в журнале Systematic Biology.
Методология: РНК и эволюционное древо
Сантибаньес-Лопес собрал образцы, представляющие 100 видов скорпионов, и извлек РНК из их ядовитых желез. Собирая РНК вскоре после того, как скорпионы убивали насекомое, он смог сфокусироваться на генах, активно вырабатывающих токсины для пополнения запаса яда.
Построив семейное древо на основе различий в яде, исследователи увидели, что разделение скорпионов на два основных семейства — Buthidae и Iuridae (которые дали начало 22 современным семействам) — произошло около 300 миллионов лет назад. Это было задолго до появления ядов, нацеленных на млекопитающих, которых тогда просто не существовало.
Эволюция в ответ на угрозу
Около 70 миллионов лет назад, на заре эры млекопитающих (кайнозой), появились новые хищники: землеройки, а позже — летучие мыши, грызуны, мангусты и барсуки. Скорпионы ответили на эту угрозу.
«Мы обнаружили, что расхождение этих ядовитых скорпионов с их родственниками коррелирует с появлением млекопитающих, которые на них охотятся. Это говорит о том, что когда появились млекопитающие, поедающие скорпионов, последние начали развивать это оружие для самозащиты», — объясняет Сантибаньес-Лопес.
Эволюция прошла относительно легко, потому что яд, используемый для обездвиживания насекомых-жертв, химически был недалек от токсинов, которые могли бы подействовать на новых хищников.
«Инструментарий уже был. У них был доступный пул генов, вырабатывающих токсины, нацеленные на нервную систему насекомых. Потребовалось не так много изменений, чтобы адаптировать эти гены для создания токсинов, воздействующих на специфические функции нервных клеток млекопитающих», — говорит соавтор Прашант Шарма.
Поэтапное приобретение защиты
Широта новых геномных данных позволила проследить этапы, в ходе которых скорпионы становились опаснее для млекопитающих:
- Токсины, специфичные только для насекомых (для охоты).
- Токсины с элементами, опасными как для насекомых, так и для млекопитающих.
- Токсины, специфичные только для млекопитающих (средство сдерживания хищников).
Согласно анализу, токсины, специфичные для млекопитающих, независимо эволюционировали в пяти отдельных ветвях только семейства Buthidae.
Значение для науки и медицины
Полученные данные могут помочь реорганизовать таксономию скорпионов. Но главное — они способны ускорить исследования медицинского применения компонентов яда скорпионов.
Ученые уже выявили токсины с фармацевтическим потенциалом: антимикробным, противовоспалительным и противоопухолевым. Например, яд, притягивающийся к клеткам опухоли, можно снабдить светящимся белком и использовать как «краску для опухолей», помогающую хирургам удалять раковые массы.
До сих пор большинство исследований ограничивалось несколькими легкодоступными видами. Новое исследование, основанное на различиях в токсичных соединениях между видами, открывает для клинических исследований целый мир химии ядов.
«Теперь у лабораторий будет эта работающая библиотека всех генов, экспрессируемых у 100 различных видов. Они смогут изучать организмы на основе того, что есть в их ядовитых железах, а не только потому, что те оказались под рукой. Мы надеемся, что это ускорит трансляционную биологию и поиск биомедицинских применений», — заключает Шарма.