Геном цихлид помогает рассказать историю адаптивной эволюции
Примерно 40 миллионов лет назад несколько видов рыб из реки Нил попали в три африканских озера и пережили необычайно быструю вспышку эволюции. В одном из этих озер появилось до 500 новых видов менее чем за 100 000 лет.
Международная команда ученых, включая биологов из Стэнфорда, секвенировала геномы пяти этих видов. Это дает уникальное представление о генетических механизмах диверсификации и адаптации у всех позвоночных. Результаты опубликованы в текущем выпуске журнала Nature.
Африканские цихлиды давно считаются интересным семейством для изучения видообразования. Более 2000 родственных видов в африканских озерах демонстрируют огромные морфологические вариации, позволяющие им жить в узких экологических нишах. Некоторые адаптировались поедать чешую других рыб, другие — жить среди камней и есть добычу вместе с раковинами. Несколько видов приспособились к размножению в бурной воде, вынашивая оплодотворенную икру во рту.
Чтобы понять, как эта впечатляющая «адаптивная радиация» произошла так быстро, ученые проанализировали геномы пяти видов:
- Нильская тиляпия (представляет предковую линию).
- Вид из реки возле озера Танганьика.
- Вид, колонизировавший озеро Танганьика 10–20 млн лет назад.
- Цихлида, попавшая в озеро Малави 5 млн лет назад.
- Вид из озера Виктория, где радиация произошла 15 000–100 000 лет назад.
Генетические ключи
Анализ выявил удивительно высокую скорость дупликации генов у всех видов. Дупликация генов — когда создаются две копии гена — является важным источником генетической новизны и эволюционных инноваций. Одна копия, свободная от давления отбора, может адаптироваться к новой функции, отключиться или служить «запасной». Либо исходная функция может разделиться между копиями.
«Это как иметь большую колоду карт для адаптации к новым обстоятельствам, — сказал соавтор Рассел Фернальд, профессор биологии в Стэнфорде. — Вид каким-то образом находит способ использовать расширенный геном для адаптации».
Ученые обнаружили шестикратное превышение нормальной скорости дупликации генов. Хотя точная причина неизвестна, они предполагают, что это стало драйвером невероятно быстрой диверсификации цихлид.
Кроме того, проект выявил 40 новых генов, кодирующих микроРНК — короткие последовательности, которые помогают регулировать экспрессию генов. Экспрессия этих микроРНК дополняла экспрессию генов, которые они предположительно регулируют. Это указывает на их возможную роль в стабилизации или уточнении паттернов экспрессии, возникших во время радиации.
Новые микроРНК, регулирующие консервативные гены, показывают, как они могут «захватить» установленную систему и использовать ее по-новому. И наоборот, некоторые консервативные предшественники микроРНК генерируют слегка отличающиеся зрелые последовательности, что может означать нацеливание на разные пути или тот же путь, но иным способом.
«Сейчас мы картируем экспрессию микроРНК в мозге цихлид и обнаруживаем, что некоторые из них специфически экспрессируются в областях, регулирующих социальное поведение», — сказала соавтор Роза Алькасар.
Понимание «созвездия генов»
История не заканчивается секвенированием геномов. «Мы поняли, что секвенирование генома, возможно, похоже на составление списка слов в пьесе Шекспира — это просто слова, которые не могут рассказать сюжет», — сказал Фернальд.
Главная задача — изучить конкретные события в эволюции вида и понять, что заставляет определенные гены экспрессироваться, как и почему они вызывают изменения. Например, какие гены включаются, чтобы заставить рыбу есть чешую, а затем модифицировать ее челюсть?
Фернальд отметил, что, вероятно, решение контролируется не одним геном, а «созвездием генов» — или микроРНК, или других факторов, — которые, экспрессируясь вместе, управляют поведением. Его группа сейчас скрещивает рыб с определенным брачным поведением, наблюдает, какие поведения сохраняются, а затем анализирует их геномы в поисках генов, контролирующих изменение поведения.
«Генетика настолько высоко консервативна у разных видов, что, проводя такой анализ на животных, где мы можем очень точно контролировать переменные, мы можем начать понимать, как гены контролируют поведение у других позвоночных», — заключил Фернальд.