25.10.2016

Секвенирование генома канального сома позволило найти гены, необходимые для формирования чешуи

Коллектив американских исследователей объявил о полном секвенировании генома канального сома. Отряд сомообразных выделяется среди других костистых рыб отсутствием настоящей чешуи. В то же время, в ходе дивергентной эволюции этого отряда наблюдались неоднократные события вторичного приобретения костных пластинок, заменяющих им чешую. Вопрос об эволюционно закрепленных молекулярно-генетических факторах, определяющих наличие или отсутствие чешуи, весьма любопытен, тем более, что чешую независимо утрачивали и представители некоторых других отрядов рыб. Исследователи сравнили гены канального сома с генами других видов, которые имеют или не имеют чешуи. Кроме того, были изучены гены, которые включаются в работу при регенерации чешуи у обыкновенного карпа. В результате выяснилось, что формирование чешуи у костистых рыб, требует участия некоторых генов семейства SCPP, ранее известных участием в процессах минерализации тканей костей и зубов у позвоночных.

В настоящее время, хорошо известно, что многие новые гены возникают посредством последовательных событий дупликации генов-предшественников (причем, этих событий может быть не одно, а много, и даже очень много) и последующей независимой эволюции каждой из копий. В ходе этой эволюции, гены либо приобретают совершенно новые функции (такой путь называют неофункционализацией), либо совершенствуют функции, которые в некоторой степени осуществлялись исходным предковым геном, одновременно отказываясь от выполнения других изначальных функций (такой путь называют субфункционализацией). В итоге образуется группа генов, с явно обнаруживаемыми при филогенетическом анализе родственными связями, которую так и называют - семейство генов.

Наглядный пример представляет собой генное семейство SCPP (от англ. secretory calcium-binding phosphoprotein - секреторные кальций-связывающие фосфопротеины), эволюционная история которого, тесно вплетена в эволюцию позвоночных. Наиболее ранняя работа, посвященная исследованию эволюционной истории этого семейства генов, была опубликована в 2002 году (см. K. Kawasaki, K. M. Weiss, 2002. Mineralized tissue and vertebrate evolution: The secretory calcium-binding phosphoprotein gene cluster). Общим предковым геном этого семейства считают ген SPARC (секретируемый кислый белок, богатый цистеином), который, очевидно, присутствовал уже в геноме последнего общего предка многоклеточных. Его гомолог обнаруживается в геномах как вторичноротых, так и первичноротых, и даже у стрекающих. Белки, кодируемые этим геном и его ранними дуплицированными копиями, секретируются клетками во внеклеточное пространство, где выполняют роль шаперонов, поддерживающих правильную конформацию молекул коллагена. Дальнейшие дупликации, происходившие в ходе эволюции позвоночных, привели к появлению достаточно обширного семейства белков SCPP, члены которого объединены двумя общими свойствами: все они, во-первых, способны эффективно связывать и удерживать кальций и, во-вторых, секретируются во внеклеточную среду. Это определяет их главную профессию - обеспечение минерализации тканей. В геноме человека 23 гена данного семейства, а рекордное их число - 35 - обнаружено в геноме панцирной щуки (рис. 2).

Дивергентная эволюция специализировала представителей семейства генов SCPP к выполнению целой серии важных функций: они участвуют в формировании хрящевой и костной ткани, дентина и зубной эмали у всех позвоночных, яичной скорлупы у птиц, а также присутствуют в составе секретов слюнных и молочных желез у млекопитающих. Одним из известных молочных белков семейства SCPP является, в частности, казеин, благодаря которому молоко насыщается кальцием, необходимым подрастающему детенышу для роста костей и зубов. Приобретение новой функции («профессии») и новой области экспрессии («места работы») опосредовано не только накоплением точечных мутаций в кодирующих и регуляторных частях дуплицированных генов, но и обменом частями с совершенно непохожими генами из других семейств. У некоторых дуплицированных генов, функции в той или иной мере перекрываются, что вполне ожидаемо, учитывая их общее происхождение. Это обстоятельство создает «избыточность», которая служит одним из механизмов помехоустойчивости живых организмов.

Есть еще один любопытный момент, по-видимому также достаточно характерный вообще для эволюции генных семейств. В разных ветвях филогенетического дерева, те или иные дуплицированные копии в семействе генов SCPP утрачивались, и в то же время происходило параллельное возникновение новых дупликаций, причем нередко новые копии брали на себя функции, которые до того выполнялись другими, утраченными генами. Это привело к тому, что у разных представителей животного царства развитие и функционирование гомологичных (сходных по происхождению, организации и функции) тканей обеспечивается разными наборами генов (S. Bertrand, 2013. A dynamic history of gene duplications and losses characterizes the evolution of the SPARC family in eumetazoans).

В эволюционной истории семейства SCPP (рис. 3) увеличение числа генов происходило как посредством тандемных (внутрихромосомных) дупликаций, так и вследствие эпизодов полногеномных дупликаций, сопровождавших эволюцию хордовых.

Новое исследование обнаружило еще одно профессиональное поприще, освоенное представителями генов семейства SCPP, а именно - формирование чешуи у костистых рыб (рис. 1). В центре внимания исследователей, оказался один из видов рыб, у которых чешуя как раз отсутствует, - канальный сом (Ictalurus punctatus). Это промысловый вид, широко распространенный в водоемах Америки, а также культивируемый в рыбных хозяйствах.

На сегодняшний день известно 4100 видов отряда сомообразных, что составляет около 12% всех видов костистых рыб. У большинства сомов кожа голая, и этот признак они, по-видимому, унаследовали от общего предка, давшего начало всему отряду. В то же время в некоторых семействах произошла «реверсия», так что их кожа покрыта костными пластинками (щитками), которые по строению отличаются от чешуи большинства других костистых рыб, но выполняют аналогичную защитную функцию. Авторы взялись выяснить, какова генетическая основа этих эволюционных преобразований (рис. 4).

Для начала было проведено секвенирование генома канального сома, который состоит из 29 хромосом и имеет размер около 1 млрд пар оснований. В результате анализа полученных данных было предсказано наличие у него 26 661 генов, большинство из которых имеют гомологи в ранее секвенированных геномах других рыб (данио-рерио и рыбы-фугу). 1010 предсказанных генов канального сома отсутствовали в геноме данио-рерио - «золотом стандарте» среди отсеквенированных на сегодняшний день рыбьих геномов. В то же время, в геноме канального сома отсутствовал 931 ген, имеющийся у данио-рерио. Проанализировав геномы 150 особей сома, авторы выявили достаточно высокое генетическое разнообразие этих рыб. Полиморфные сайты в среднем встречались с частотой 1 на каждые 98 нуклеотидов, причем наиболее высока их концентрация в 111 генах, 40 из которых задействованы в иммунной системе.

Было обнаружено 297 генов, общих для костных рыб, но отсутствующих у наземных позвоночных. Эти гены, в частности, включали в себя 24 гена обонятельных рецепторов, 69 генов иммунной системы и 7 генов, обеспечивающих развитие плавников. Кроме того, выявили 280 генов, которые также являются общими для костных рыб, но отсутствуют в прочитанных геномах хрящевых рыб или бесчелюстных позвоночных. В эту группу вошли гены, участвующие в формировании костей (9 генов, включая члены семейства SCPP), развитии плавательного пузыря (11 генов), некоторые гены иммунной системы (75 генов) и липидного метаболизма (18 генов). Выяснилось, что у хрящевых рыб присутствуют лишь два родоначальных гена семейства SCPP — SPARC и SPARCL1, - в то время как у костных рыб эти гены подверглись многократной дупликации. Вполне вероятно, что эти генетические изменения имеют непосредственное отношение к появлению костного скелета, отличающего данную группу.

Чтобы выяснить, почему у канального сома отсутствует чешуя, авторы сначала взялись за пять ранее установленных генов (EDA, EDAR, FGFR, LEF1, TCF7), мутации в которых могут приводить у различных видов рыб к появлению «голых» морф. Они проверили, имеются ли эти гены в геноме канального сома и находятся ли они в рабочем состоянии. Оказалось, что все эти гены присутствуют и нормально экспрессируются в тканях рыбы.

Затем решили посмотреть, какие гены включаются или выключаются в коже рыб при регенерации чешуи. Дело в том, что процессы регенерации часто очень похожи на процессы эмбрионального развития соответствующих структур, так что, изучая первый процесс, можно делать косвенные выводы о втором. К сожалению, добиться регенерации щитков у «бронированных» видов сомов не удалось, поэтому для реализации этой части исследования привлекли обыкновенного карпа. С помощью технологии полнотранскриптомного секвенирования получили три набора данных:

1) уровни экспрессии генов в неповрежденной коже канального сома;

2) уровни экспрессии генов в неповрежденной коже карпа;

3) уровни экспрессии генов в коже карпа в процессе регенерации чешуи после ее повреждения.

В результате сравнительного анализа, были установлены 13 аннотированных (известных) генов, которые работали в коже карпа, но не работали в коже сома и изменяли экспрессию при регенерации чешуи: экспрессия десяти из этих генов повышалась, а экспрессия еще трех, наоборот, понижалась. Наиболее существенное повышение экспрессии обнаружилось у пяти генов семейства SCPP (SCPP7, fa93e10, SCPP1, SCPP5 и GSP37) и двух генов аполипопротеина. Авторы отмечают, что время, в течение которого наблюдалась повышенная экспрессия генов семейства SCPP, было хорошо согласовано со временем начала и завершения процесса регенерации.

Наконец, ученые сосредоточились на генах семейства SCPP, решив сравнить состояние этих генов в геномах более широкого набора видов «голых» и «одетых» рыб (рис. 5). Оказалось, что в геноме канального сома присутствуют только три гена SСPP-семейства, а именно SPARCL1, ODAM и SPP1. В то же время многие другие гены этого семейства, имеющиеся у данио-рерио, у канального сома отсутствуют. Что касается еще двух генов, SCPP1 и SCPP5, то оба они присутствуют в геноме канального сома в виде жалких обломков, а в промоторе этих генов полностью утрачен сайт связывания транскрипционного фактора, который регулирует их работу у других видов рыб. В итоге сравнения наборов SCPP-генов у 16 видов костных рыб, из которых у пяти чешуя полностью отсутствует, именно эти два гена, SCPP1 и SCPP5, оказываются коррелятивно связаны с изучаемым признаком. Похоже, что чешуя имеется только у тех видов, которые имеют оба этих гена в рабочем состоянии, в то время как у рыб, утративших чешую, оба или хотя бы один из этих генов отсутствуют.

Вполне вероятно, что есть и другие генетические факторы, связанные с признаком наличия/отсутствия чешуи у представителей сомообразных. Ученые провели полногеномное и полнотранскриптомное исследование для двух вышеназванных «одетых» видов сомов и нашли около двух сотен генов, которые присутствуют у этих видов, но отсутствуют у канального сома. Но для выяснения того, какие из этих генов и как именно связаны с конкретным изучаемым признаком, требуется еще много хитрых экспериментов и анализов.

Полученные результаты не позволяют ответить на вопрос, с какими же генетическими изменениями было связано исчезновение чешуи у общего предка сомообразных. Ведь очевидно, что он должен был сохранить оба гена (SCPP1 и SCPP5) в полноценном виде, раз они присутствуют у современных представителей этого отряда. Так что история все же осталась не распутанной до конца. Однако сам факт участия генов семейства SCPP в формировании чешуи костистых рыб уже является открытием. Между прочим, ортологи генов SSCP1 и SSCP5, как и ряд других, отсутствуют у целаканта и у четвероногих. Эти гены, по-видимому, возникли уже после отделения лучеперых от кистеперых.

Следует заметить, что сведения о геноме сомов, которые теперь включены в геномные базы данных, имеют сами по себе большую ценность для новых исследований по эволюции костных рыб и позвоночных. На протяжении последних нескольких лет также были полностью секвенированы геномы химеры Callorhinchus milii, латимерии и пятнистой панцирной щуки. Внимательное сравнение геномов этих представителей ранних этапов эволюции позвоночных обещает дать много интересной информации об истории «нашей» ветви филогенетического дерева со всеми ее удивительными преобразованиями.

Источник: Zhanjiang Liu, Shikai Liu, Jun Yao, Lisui Bao, Jiaren Zhang, Yun Li, Chen Jiang, Luyang Sun, Ruijia Wang, Yu Zhang, Tao Zhou, Qifan Zeng, Qiang Fu, Sen Gao, Ning Li, Sergey Koren, Yanliang Jiang, Aleksey Zimin, Peng Xu, Adam M. Phillippy, Xin Geng, Lin Song, Fanyue Sun, Chao Li, Xiaozhu Wang, Ailu Chen, Yulin Jin, Zihao Yuan, Yujia Yang, Suxu Tan, Eric Peatman, Jianguo Lu, Zhenkui Qin, Rex Dunham, Zhaoxia Li, Tad Sonstegard, Jianbin Feng, Roy G. Danzmann, Steven Schroeder, Brian Scheffler, Mary V. Duke, Linda Ballard, Huseyin Kucuktas, Ludmilla Kaltenboeck, Haixia Liu, Jonathan Armbruster, Yangjie Xie, Mona L. Kirby, Yi Tian, Mary Elizabeth Flanagan, Weijie Mu, Geoffrey C. Waldbieser. The channel catfish genome sequence provides insights into the evolution of scale formation in teleosts // Nature Communications. 2016. V. 7. Article number: 11757. DOI: 10.108/ncomms11757.

Татьяна Романовская

Источники:

1. elementy.ru