» » Из-за разного образа жизни и диеты набор генов у белых и бурых медведей всё больше различается

Из-за разного образа жизни и диеты набор генов у белых и бурых медведей всё больше различается


Из-за разного образа жизни и диеты набор генов у белых и бурых медведей всё больше различается

Рис. 1. Вверху — самка белого медведя с медвежатами. Внизу слева — самка бурого медведя с медвежонком. Внизу справа — гролар, гибрид белого медведя и гризли (канадского подвида бурого медведя), в зоопарке Оснабрюка. Белые и бурые медведи как виды разошлись недавно по эволюционным меркам и остаются достаточно близкими, чтобы скрещиваться и давать полноценное потомство. В природе межвидовые скрещивания пока еще происходят достаточно редко, однако вызванное сокращением площади северной полярной шапки изменение ареала белого медведя может уже в ближайшем будущем привести к учащению контактов между видами. Фотографии с сайтов blog.nature.org, giraffa.co и en.wikipedia.org


Белый медведь (Ursus maritimus) и бурый (Ursus arctos) медведь — это недавно разошедшиеся виды, которые обитают в очень разных условиях. Геномы этих видов предоставляют уникальную возможность исследовать генетические основы достаточно быстрой экологической адаптации в группе млекопитающих. Одна из известных в настоящее время, но недостаточно изученных форм генетической изменчивости, — вариация числа копий генов. Ученые проанализировали геномы 17 белых медведей, 9 бурых медведей и 2 черных канадских медведей (Ursus americanus). Вариабельность по числу копий обнаружилась в сумме для 318 генов, почти 200 из которых продемонстрировали видоспецифические различия между белыми и бурыми медведями. 47% генов с изменением числа копий связаны с работой обоняния, причем у большинства из этих генов копий меньше у белых медведей. Кроме того, уменьшилось число копий нескольких генов, вовлеченных в метаболизм жирных кислот, а также гена AMY1B (который кодирует амилазу слюны, обеспечивающую расщепление крахмала в ротовой полости). В то же время увеличилось число копий некоторых генов, связанных с иммунитетом и формированием шерстяного покрова. Вероятно, изменение числа копий генов у белого медведя действительно сыграло немаловажную роль в адаптации к новому климату и новой диете в условиях крайнего севера.

Исследования по сравнительной геномике с использованием молекулярных часов показывают, что белые медведи (Ursus maritimus) обособились от бурых медведей (Ursus arctos) около 500 тысяч лет назад (V. Kumar et al., 2017. The evolutionary history of bears is characterized by gene flow across species). Хотя по меркам эволюции это совсем небольшой срок, его оказалось достаточно для приобретения белыми медведями целого ряда заметных отличий, включая морфологию (цвет шерсти, размеры и пропорции тела), физиологию и поведение. Все эти изменения являются адаптациями к особенностям климата и экологии в зоне обитания белых медведей: там почти круглый год холодно и лежит снег, практически отсутствует растительность, а из доступной еды — практически исключительно рыба и тюлени. Более 1000 локусов в геномах белых медведей несут в себе следы положительного (движущего) отбора. Эти локусы связаны с такими функциями как формирование мышечной и жировой ткани, работа сердца, метаболизм жирных кислот, ну и, конечно, окраска шкуры.

Все эти данные были получены в ходе прошлых исследований по оценке нуклеотидных полиморфизмов (SNP — single nucleotide polymorphism). Но сегодня известно, что одним из эволюционно значимых путей модификации признаков и адаптации являются мутации типа вариации числа копий (CNV — copy number variation), и вот с этой стороны геномы медведей пока еще не рассматривали.

Решением этой задачи занялась группа ученых из США под руководством Джона Гиббонса (John G. Gibbons) из Университета Массачусетса в Амхерсте.

Известно, что мутации типа CNV возникают достаточно часто и в основном изменяют признаки благодаря изменению уровня экспрессии соответствующих генов (большее число копий гена позволяет синтезировать больше соответствующих молекул РНК за то же время), причем отбор достаточно быстро закрепляет полезные изменения. Так, было установлено, что число копий гена амилазы (AMI1) — фермента, обеспечивающего расщепление крахмала, — различается у людей из разных популяций: большее число его копий характерно для тех регионов, где в рационе больше крахмалистой пищи (G. H. Perry et al., 2007. Diet and the evolution of human amylase gene copy number variation).

Чтобы выяснить, как происходили изменения числа копий генов в ходе эволюции медведей, были проанализированы геномы 17 белых медведей, 9 бурых медведей и двух черных канадских медведей (Ursus americanus). Как среди бурых медведей, так и среди белых медведей обнаружилась вариабельность по числу копий большого числа геномных локусов (более 4,5 тысяч в пределах каждого вида). Однако не все эти локусы содержали кодирующие гены, а авторов в первую очередь интересовали именно участки с кодирующими генами — ведь центральной задачей было объяснение фенотипических особенностей животных. У белых медведей обнаружилось в сумме 1169 генов, у которых могли присутствовать «лишние» копии, и 36 генов, которые могли отсутствовать у некоторых особей. Для бурых медведей аналогичные показатели — 735 и 61 ген, соответственно.

Кстати говоря, согласно исследованиям в человеческих популяциях (A. Itsara et al., 2009. Population Analysis of Large Copy Number Variants and Hotspots of Human Genetic Disease), в геноме людей также насчитывается порядка нескольких тысяч генов, которые могут быть представлены разным числом копий у разных индивидуумов (речь идет о здоровых людях, хотя вариации числа копий некоторых других генов могут приводить к заболеваниям, включая, к примеру, аутизм и шизофрению, а также различные аномалии развития). Каждый человек имеет десяток-другой особенностей по числу копий некоторых локусов в сравнении с общей популяцией.

Но нас здесь интересует в первую очередь не внутривидовая вариабельность, а межвидовые различия. Авторы использовали показатель Vst, который аналогичен принятому в популяционной геномике показателю Fst — оценочному коэффициенту разницы в распределении числа копий между особями из сравниваемых популяций (в данном случае — популяций медведей разных видов). Значение Vst определяли, двигаясь вдоль генома, в скользящем окне размером 10 000 пар оснований с шагом в 2000 пар оснований. В итоге получается график, на котором близкие к 0 значения означают отсутствие различий в числе копий между бурыми и белыми медведями, а в участках, где имеются эволюционно значимые различия, образуются пики повышенных значений. На рисунке 2 отмечены гены, которые попали в область высоких значений Vst: всего получилось 197 локусов, из которых 134 относились к числу экстремально различающихся (красные точки на рис. 2).


Из-за разного образа жизни и диеты набор генов у белых и бурых медведей всё больше различается

Из-за разного образа жизни и диеты набор генов у белых и бурых медведей всё больше различается

Рис. 2. Оценка внутривидовых и межвидовых различий в числе копий геномных локусов. Вверху — тепловая карта, на которой показаны различия в числе копий гомологичных геномных локусов у представителей трех видов (белые, бурые, черные медведи) от 0 (черные квадратики) до десятков копий (желтые). Внизу — данные по расчету показателя Vst. Серые точки соответствуют локусам, не выявляющим различий числа копий между бурыми и белыми медведями, голубые и красные точки — локусам со средним и высоким уровнем межвидовых различий, соответственно (красные точки соответствуют верхним 1% от всех локусов, ранжированных по значениям Vst от большего к меньшему, голубые точки — следующим 4%). Указаны также некоторые гены, попавшие в такие локусы. Обратите внимание на точки, обозначенные «OR cluster» — это кластеры генов обонятельных рецепторов. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS


Интересно, что примерно 80% из этих генов оказались представлены большим числом копий у бурых медведей, чем у белых. Вместе с тем, 17 генов оказались представлены большим числом копий у белых медведей, чем у бурых, причем у каждого из участвовавших в исследовании белых медведей было более трех копий этих генов. По-видимому, это те гены, повышенная экспрессия которых оказалась полезна в условиях полярного климата.

Наблюдаемые различия в числе копий генов могут иметь двоякое объяснение: если, к примеру, какие-то гены у бурых представлены большим, а у белых меньшим числом копий, то это может означать, что либо число копий сократилось в популяции белых медведей, либо увеличилось в популяции бурых после разделения этих видов. Чтобы прояснить дело, в анализ добавили данные по двум особям черных канадских медведей, — они здесь служат в качестве представителей внешней группы, поскольку они отделились от вида-родоначальника бурых и белых медведей еще раньше. Исследователи применили метод главных компонент, чтобы проверить, как будут кластеризоваться данные по всем трем видам (рис. 3). Как можно заметить, бурые и черные медведи при всех вариантах анализа группируются вместе, а белые медведи заметно отделены от них. Это говорит о том, что именно у белых медведей произошла основная часть наблюдаемых изменений по числу копий генов.


Из-за разного образа жизни и диеты набор генов у белых и бурых медведей всё больше различается

Рис. 3. Кластеризация данных по числу копий генов у бурых, черных и белых медведей, полученная методом главных компонент. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS


Конечно, после всего сказанного остается самый интригующий вопрос: у каких же конкретно генов поменялось число копий у бурых и у белых медведей, и как именно это помогало белым медведям в адаптации к изменению среды?

Существуют базы данных, которые содержат описания и классификации всех генов по функциям, — онтологии генов (например, geneontology.org). Они помогают исследователям сориентироваться при решении подобных задач. Выяснилось, что 92 гена из 197 кодируют обонятельные рецепторы, причем 81 из них представлен меньшим числом копий у белого медведя, (и лишь 11 — наоборот). Это не означает снижения остроты обоняния у белых медведей (как раз наоборот, анатомические особенности обонятельного аппарата делают их нос более чутким), но скорее всего указывает на сужение спектра воспринимаемых запахов. Вероятно, в полярных областях разнообразие запахов на самом деле меньше, чем в лесах умеренной зоны, где обитают бурые медведи. Из-за этого некоторые гены могут уходить из-под контроля естественного отбора, следствием чего становится, в конце концов, их полная утрата. Кстати, многие из утраченных генов располагаются в геноме кластерами (это отражено на рис. 2), и, весьма вероятно, утрачивались целыми группами в результате обширных делеций. Изменение числа генов обонятельных рецепторов вообще очень широко распространено в эволюции млекопитающих (об этом также читайте в новости Обоняние и цветное зрение в эволюции млекопитающих развивались в противофазе, «Элементы», 18.06.2008).

Также уменьшилось с четырех до двух число копий гена амилазы слюны, кодируемой геном AMY1B. Бурые (и черные) медведи всеядны, и растения составляют весомую часть (порядка 70%) их рациона, так что амилаза в слюне им очень кстати: благодаря ей расщепление крахмала начинается уже в ротовой полости. Крахмал может запасаться в самых разных органах растений: листьях, корнях (корнеплодах), стеблях (особенно много его в видоизменениях стеблей, называемых клубнями, которые бывают не только у привычной нам картошки), плодах, семенах. Наличие двух копий гена на гаплоидный геном (и, соответственно, четырех на диплоидный) обеспечивает достаточно высокое содержание амилазы в слюне. У белого медведя рацион практически не включает растений, так что избыточные копии гена опять же потерялись.

Кроме того, у белого медведя оказалось уменьшено (также с четырех до двух на диплоидный геном) число копий гена NOX4, известного у людей в качестве отрицательного регулятора формирования жировой клетчатки. Вероятно, это связано с контролем накопления подкожного жира — важной защитной адаптации в условиях холодного климата. Уменьшено оказалось и число копий нескольких генов ферментов, участвующих в преобразовании жирных кислот и синтезе эйкозаноидов — соединений, выполняющих достаточно разнообразные регуляторные функции в организме, включая, в частности, контроль иммунных реакций и развитие мышечной ткани. Вполне возможно, что изменение числа копий этих генов каким-то образом связано с имеющимися особенностями метаболизма и физиологии белых медведей по сравнению с бурыми.

Среди генов с повышенным числом копий у белых медведей значительную часть составили гены иммунной системы. Тут можно заметить, что и эта группа генов в целом характеризуется быстрыми эволюционными изменениями в ответ на смену зоны обитания и условий среды у млекопитающих, и наличие таких изменений у белых медведей не удивительно — вероятно, дополнительные копии некоторых из этих генов помогали и помогают животным благополучно справляться с местными бактериями, вирусами и другими паразитами, возбудителями заболеваний. Также повышенная копийность обнаружилась у гена KRTAP21-2. Кодируемый им белок связывается с кератинами и участвует в формировании стержня волоса. Таким образом, этот ген имеет отношение к определению структуры шерстяного покрова. У белых медведей имеются особенности тонкого строения шерстинок, и, к тому же, они отличаются от бурых медведей более густым подшерстком. Вполне возможно, что эти особенности если не полностью, то по крайней мере отчасти, связаны с повышенным числом копий гена KRTAP21-2. У бурых медведей медиана числа копий этого гена равна 8 на диплоидный геном, а у белого — 13 (рис. 4).


Из-за разного образа жизни и диеты набор генов у белых и бурых медведей всё больше различается

Из-за разного образа жизни и диеты набор генов у белых и бурых медведей всё больше различается

Рис. 4. Число копий некоторых генов у трех видов медведей. Черные точки — собственно количество копий у разных особей. «Ящики с усами» показывают медианы и квартили, «усы» проведены к точкам, которые отстоят от квартилей не далее, чем на полтора интерквартильных расстояния (как видно, в четырех случаях «ящики» получились вырожденными, поскольку все значения совпали). Поскольку черных медведей в исследовании участвовало всего два, то для них «ящики» не строили. Ген CEACAM4 отвечает за фагоцитоз в клетках иммунной системы; ген NOX4 регулирует отложение подкожного жира (отрицательный регулятор), ген KRTAP21-1 участвует в формировании шерсти. Рисунок из обсуждаемой статьи в PNAS


Таким образом, проведенное исследование — это наглядный пример того, как простые количественные мутации в виде изменения числа копий генов участвуют в эволюционном процессе, позволяя организмам необычайно быстро (по меркам эволюционной истории) адаптироваться к новым условиям и приобретать заметные отличия морфологии, физиологии, а возможно, и поведения.

Источник: David C. Rinker, Natalya K. Specian, Shu Zhao, and John G. Gibbons. Polar bear evolution is marked by rapid changes in gene copy number in response to dietary shift // PNAS. 2019. DOI: 10.1073/pnas.1901093116.

Татьяна Романовская


20 сентябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

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

Сравнение генов канального сома с генами других видов, которые имеют или не имеют чешуи, а также изучение генов, которые включаются в работу при регенерации чешуи у обыкновенного карпа, показало, что

Устойчивое развитие конечностей у мышей обеспечивается дублированием регуляторов

В геномах млекопитающих число регуляторных участков ДНК — энхансеров — на порядок превышает число белок-кодирующих генов. Эксперименты на генно-модифицированных мышах, которым при помощи CRISPR-Cas9

Гены хитиназ рассказали о расширении рациона млекопитающих после вымирания динозавров

Считается, что плацентарные млекопитающие в кайнозое резко расширили свой рацион, заняв ниши хищников и фитофагов, освободившиеся после вымирания динозавров. До сих пор об изменениях диеты древних

Во время зимней спячки сердце медведя на каждом выдохе останавливается на 15–20 сек.

В Институте арктической биологии Аляскинского университета в Фэрбенксе, США, было предпринято беспрецедентно подробное исследование зимнего сна чёрных медведей, или барибалов (Ursus americanus),

Картошка

Генетическое исследование выявило, что у обезьян меньше, чем у человека, копий гена, который способствует усвоению пищи, богатой крахмалом — например, картофеля. По мнению ученых, это может быть

Интересные факты о белом медведе.

Белый медведь не впадает спячку, исключение составляют только беременные самки белых медведей. Детеныши полярного медведя остаются на месте, пока их мать охотится. Мех белого медведя жирный и
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
«Заливы Каролины»Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыПочему мы стареем? Новая теория ученыхРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаNASA получило новые снимки Большого красного пятна ЮпитераОхотник за сокровищами нашел редчайший доисторический кладЧто происходит с океанами Земли?