Параллельное увеличение числа генов позволяет древесным крысам питаться ядовитым креозотом
Исследование, опубликованное 10 января 2025 года в журнале Science под руководством биологов Университета Юты, впервые определило конкретные гены и ферменты, позволяющие древесным крысам (Neotoma spp.) без вреда питаться почти смертоносным креозотовым кустом. Растение покрыто смолой с коктейлем ядовитых химических веществ.
Учёные сравнили пути детоксикации у двух видов древесных крыс, которые независимо друг от друга столкнулись с креозотом в своей эволюционной истории, с теми, кто никогда с ним не сталкивался. До того как креозот захватил части юго-запада США, у популяций крыс было меньше генов, кодирующих ферменты для обработки его токсинов.
По мере доминирования креозота в ландшафте естественный отбор привёл к взрывному дублированию генов детоксикации. Это вызвало массовое увеличение числа генов, производящих ферменты, устраняющие токсины креозота. Любопытно, что сами ферменты не стали более специализированными — их просто стало намного больше.
«Количество вместо качества»
Существуют две основные гипотезы эволюции толерантности к токсинам:
- Мутации изменяют существующие ферменты, делая их более эффективными («качество»).
- Гены детоксикации дублируются, увеличивая количество производимых ферментов («количество»).
Предыдущие исследования на насекомых поддерживали гипотезу «качества». Данное же исследование обнаружило противоположное.
«Мы выяснили, что питающиеся креозотом древесные крысы не имеют специализированных ферментов для метаболизма его токсинов — их просто больше, намного больше, и из широкого спектра уже существующих ферментов детоксикации», — сказала Денис Диринг, старший автор исследования.
Учёные проанализировали многочисленные популяции двух видов: толерантных и чувствительных к креозоту N. lepida, а также N. bryanti, который независимо эволюционировал для питания креозотом.
Сначала они сравнили активность генов в печени у всех животных после одинаковой низкой дозы токсинов. Затем изучили различия на уровне ДНК и обнаружили profound and remarkably consistent геномные изменения у обоих толерантных видов.
Некоторые дублированные гены являются частью пути глюкуронизации — ключевого механизма детоксикации и у людей, ответственного за метаболизм пятой части всех лекарств. У самых толерантных крыс было обнаружено почти 40 копий одного конкретного гена глюкуронизации. Для сравнения, у людей есть только две копии нашего ближайшего гена-аналога.
Естественный эксперимент ледникового периода
Около 20 000 лет назад, после глобального потепления, регион высох, и низменности захватил засухоустойчивый креозотовый куст. Ископаемые гнёзда крыс показывают, что их диета менялась по мере расширения пустыни. Со временем крысы ели всё больше креозота, поскольку он вытеснил их прежний основной корм — можжевельник.
У крыс с наибольшим числом копий генов были предки из районов, где креозот существует дольше всего. «Вероятный сценарий: сначала некоторые особи случайно имели больше копий генов детоксикации и были достаточно толерантны, чтобы питаться растением. Они выжили, дали потомство, и их потомки унаследовали дополнительные копии. Со временем естественный отбор благоприятствовал этим особям», — пояснил Дилан Клур, ведущий автор.
Исследование демонстрирует гибкость генома млекопитающих в адаптации к новым диетам и токсичным соединениям. Древесные крысы могут даже служить моделью для понимания того, почему люди по-разному метаболизируют лекарства.