Расшифровка генома черепах проливает свет на развитие и эволюцию их уникального строения тела
Международный консорциум по геномам черепах под руководством исследователей из RIKEN, BGI и Wellcome Trust Sanger Institute завершил секвенирование генома дальневосточной черепахи (Pelodiscus sinensis) и зелёной морской черепахи (Chelonia mydas). Эти достижения проливают новый свет на происхождение черепах и применили классическую модель эво-дево для объяснения процесса развития их уникального строения тела. Результаты опубликованы в Nature Genetics.
Эволюция черепах — загадка для науки. Их отличный от других дизайн тела — с острым клювом и защитным панцирем — почти не менялся на протяжении последних 210 миллионов лет.
Чтобы раскрыть эволюционную историю черепах и механизмы, лежащие в основе развития их уникальных анатомических особенностей, исследователи секвенировали и проанализировали геномы дальневосточной и зелёной морской черепах. Они обнаружили свидетельства того, что черепахи, вероятно, являются сестринской группой по отношению к общему предку крокодилов и птиц. Черепахи отделились от архозавров примерно между 267,9 и 248,3 миллионами лет назад, что совпадает с периодом от верхней перми до триаса, который наложился или последовал вскоре после пермского вымирания.
В исследовании учёные провели краткий анализ генов, которые могут быть связаны с характерными для черепах особенностями. Они обнаружили, что некоторые семейства генов обонятельных рецепторов (OR) значительно расширены у обоих видов черепах. Это говорит о том, что черепахи развили превосходное обоняние для широкого спектра гидрофильных веществ. Кроме того, многие гены, участвующие в восприятии вкуса, стимуляции голода и регуляции энергетического гомеостаза (гормон грелин), были уникальным образом утеряны у черепах. Исследователи предполагают, что потеря этих генов может быть связана с их низкой скоростью метаболизма.
Консорциум также исследовал связь профилей экспрессии генов (GXP) эмбрионов и их морфологической эволюции на основе набора генов дальневосточной черепахи из ENSEMBL. Интегрировав технологию RNA-seq, метод сравнительной геномики и математико-статистические подходы, исследователи подтвердили, что расхождение GXP во время эмбриогенеза дальневосточной черепахи и курицы действительно следует модели "песочных часов" развития. Они также выявили, что стадия максимальной консервации происходит примерно в период фенотипической стадии позвоночных, а не на более поздней стадии, демонстрирующей общий для амниот паттерн.
Чтобы прояснить морфологические особенности эмбриогенеза черепах на поздних стадиях развития, особенно формирование карапакального гребня (CR), исследователи изучили специфичную для CR экспрессию miRNA. Они обнаружили наличие тканеспецифичных miRNA и вовлечённость сигнального пути Wnt. Также они выявили, что экспрессия Wnt задействована в формировании карапакального гребня (CR) панциря черепахи. Учёные аннотировали все гены Wnt в двух геномах черепах, идентифицировав в общей сложности 20 генов Wnt. Интересно, что они обнаружили, что Wnt5a — единственный ген Wnt, экспрессирующийся в области CR черепахи, что подтверждает возможное заимствование (кооптацию) связанного с конечностями Wnt-сигналинга для приобретения этой уникальной для черепах новизны.
Чжо Ван, менеджер проекта из BGI, сказал: "Филогенетический анализ на уровне всего генома двух черепах в нашем проекте, вместе с дополнительными геномными данными двух крокодилов, проясняет эволюционную историю черепах в плане дивергенции от других видов и разрешает споры о филогенетическом положении рептилий. Геномный анализ и профили экспрессии эмбриональных генов были объединены, чтобы раскрыть фундаментальные вопросы эво-дево об эволюции и развитии черепах. Эти работы были высоко оценены редакцией и рецензентами. Помимо интересной истории, опубликованные нами геномные данные предоставят платформу для большего числа учёных, чтобы начать свои исследования черепах на уровне генома."
Доктор Хунъянь Чжан, региональный директор BGI Tech Solutions Co., Ltd. в Японии, сказал: "Завершённое секвенирование генома дальневосточной и зелёной морской черепах даёт важную подсказку для раскрытия механизмов развития и эволюции черепах. Это научное достижение — результат совместных усилий, поддержанных передовыми технологиями секвенирования BGI и отличными биоинформатическими возможностями, глубокой базой фундаментальных исследований в области биологии развития от RIKEN и большим вкладом других партнёров. Мы надеемся на большее сотрудничество с другими учёными для совместного изучения тайн жизни в ближайшем будущем."