Первый геном головоногого содержит уникальные гены, участвующие в работе нервной системы и камуфляже
Международная команда учёных секвенировала геном осьминога, приблизив исследователей к обнаружению генов, отвечающих за необычную биологию этого существа. Речь идёт о способности менять цвет и текстуру кожи, а также о распределённом мозге, позволяющем восьми щупальцам двигаться независимо.
Команда, секвенировавшая и аннотировавшая геном обыкновенного калифорнийского двупятнистого осьминога (Octopus bimaculoides), состояла из учёных Калифорнийского университета в Беркли, Окинавского института науки и технологий (OIST) и Чикагского университета. Результаты опубликованы в выпуске журнала Nature от 13 августа.
Исследователи обнаружили разительные отличия генома осьминога от геномов других беспозвоночных, включая масштабную перестройку генов и драматическое расширение семейства генов, участвующих в нейрональном развитии, которое ранее считалось уникальным для позвоночных.
«Нервная система осьминога организована совершенно иначе, чем наша: центральный мозг окружает пищевод, что типично для беспозвоночных, но также у него есть группы нейронов в щупальцах, способные работать относительно автономно, плюс огромные зрительные доли, задействованные в зрении», — отметил со-руководитель проекта Дэниел Роксар. — «Секвенирование стало возможностью изучить геном и понять, что мы можем узнать об уникальном мозге и морфологии осьминога».
Понимание того, как распределённый мозг осьминога взаимодействует с его восемью щупальцами, может, например, помочь инженерам в создании гибких, хватательных манипуляторов для роботов. В некоторых средах, например под водой, они могут работать лучше, чем сочленённые руки и ноги.
Самый интеллектуальный беспозвоночный
Имея крупный, высокоразвитый мозг, головоногие являются самыми умными беспозвоночными на Земле и демонстрируют сложное поведение в решении задач и обучении.
«Мы уже обнаружили несколько типов генов, которые значительно расширены у осьминога по сравнению с другими позвоночными, и мы считаем, что они играют критическую роль, позволяя достичь нового уровня нейрональной сложности у беспозвоночных», — сказал Роксар.
К ним относятся семейство сигнальных молекул протокадгеринов, регулирующих нейрональное развитие и кратковременные взаимодействия между нейронами, и семейство факторов транскрипции цинковых пальцев, экспрессирующихся в основном в эмбриональных и нервных тканях и предположительно играющих роль в развитии мозга.
«Геном осьминога делает изучение черт головоногих гораздо более доступным и теперь представляет важную точку на древе жизни для сравнительных эволюционных исследований», — отметил со-руководитель проекта Клифтон Рагсдейл. — «Это невероятный ресурс, который открывает новые вопросы, которые раньше нельзя было задать об этих удивительных животных».
Проект был инициирован нобелевским лауреатом Сидни Бреннером.
Первая разумная жизнь на Земле
Головоногие, к которым относятся не только осьминоги, но и кальмары, каракатицы и наутилусы, появились как хищники в древних океанах более 400 миллионов лет назад. Среди наиболее успешных были аммониты, доминировавшие в океанах в девонский период. Они вымерли 66 миллионов лет назад в том же массовом вымирании, что и динозавры.
«Они были первыми разумными существами на планете», — сказал Бреннер. В будущем OIST планирует секвенировать геномы нескольких видов кальмаров и окинавского осьминога, который, как надеется Роксар, станет модельным организмом для изучения биологии головоногих.
«Причина для широкого изучения нескольких разных типов головоногих — увидеть, что среди них консервативно», — пояснил он. — «То, что сходно у всех головоногих, вероятно, важно для того, чтобы быть головоногим».
Исследователи также использовали геном, чтобы отследить гены, участвующие в адаптивной окраске, которая позволяет осьминогу менять цвет и текстуру кожи, чтобы слиться с окружающей средой и избежать хищников.
«Мы нашли сотни новых генов, у которых нет аналогов у других животных и которые могут быть задействованы в этом уникальном процессе камуфляжа», — сказал Роксар.
Геном также может помочь раскрыть генетическую основу других инноваций осьминога: сложных хватательных щупалец с присосками для ощущения химических веществ в воде, а также осязания и хватания; способности регенерировать конечности; двигательной системы, позволяющей реактивно перемещаться под водой; камероподобных глаз, более похожих на человеческие, чем у других беспозвоночных; и наличия трёх сердец для перекачки крови через жабры.