Геном окинавской куфии раскрывает эволюцию змеиного яда
Укус ямкоголовой гадюки, известной на Окинаве как хабу, может привести к инвалидности и смерти. Однако состав её яда остаётся загадкой: он крайне изменчив даже среди особей из одного выводка и продолжает меняться от поколения к поколению.
Новое исследование в журнале Genome Biology and Evolution проливает свет на эволюцию змеиных ядов. Впервые учёные секвенировали геном хабу — тайваньской куфии (Protobothrops mucrosquamatus) — и сравнили его с геномом родственного вида, сакисимской куфии (Protobothrops elegans).
Только на Окинаве за прошлый год зафиксировано более 50 укусов. По данным ВОЗ, в мире от укусов змей ежегодно погибает от 81 000 до 138 000 человек. В развивающихся странах и сельских районах с ограниченным доступом к медицине эта проблема стоит особенно остро, и создание эффективных антидотов становится вопросом жизни и смерти.
«Долгое время считалось, что змеиные яды эволюционируют очень быстро, и основным объяснением этому был естественный отбор, — говорит старший автор работы Александр Михеев, руководитель подразделения экологии и эволюции Окинавского института науки и технологий (OIST). — Но есть основания полагать, что это не единственная эволюционная сила».
Исследователи из OIST и Института здоровья и окружающей среды префектуры Окинава взяли пробы яда и мягких тканей у более чем 30 особей тайваньской и сакисимской куфий. Это позволило им полностью картировать последовательности генов, отвечающих за яд. Их работа показывает, что в эволюции яда задействовано более одного фактора.
Ключ к эволюции — избыточность яда
Чтобы понять, как меняется химический состав яда, важно учитывать его избыточность. Как несколько двигателей позволяют самолёту лететь, если один откажет, яд атакует несколько систем жертвы одновременно. Этот сложный коктейль из белков и органических молекул воздействует на ключевые физиологические процессы — например, кровяное давление или свёртываемость крови — по нескольким направлениям. Даже если один компонент не сработает оптимально, другие довершат дело.
Обычно хабу впрыскивает крошечную каплю яда, но её более чем достаточно, чтобы парализовать грызуна. Эволюционные биологи называют эту избыточную мощь, защищающую змею от контратаки жертвы, «сверхубойной силой» (overkill).
Со временем, в процессе естественного отбора, полезные свойства яда передаются потомству. Однако потомки наследуют и другие черты — не обязательно полезные. Поскольку средняя доза яда настолько высока (в некоторых случаях убивая жертву почти мгновенно), она может маскировать неэффективность отдельных его компонентов. Эти неэффективные элементы могут передаваться из поколения в поколение, почти не влияя на общую функцию яда.
«Можно представить, что яды эволюционируют по двум осям, — объясняет Михеев. — Одна ось толкает их к большей эффективности, а другая, на самом деле, — к меньшей».
«Только сейчас у нас появляются аналитические методы для всестороннего изучения ядов, — добавляет первый автор статьи Стивен Эйрд. — Нас ждёт множество открытий».
Работа исследователей открывает путь для новых научных направлений и медицинских применений.