Как гремучие змеи приобрели и потеряли свой яд

Миллионы лет назад, по мере ветвления эволюционного древа змей, предок современных гремучих змей получил генетический арсенал токсичного оружия. В него входили гены токсинов, отравляющих кровь, повреждающих мышцы и воздействующих на нервную систему. Это установила исследовательская группа под руководством Шона Б. Кэрролла из Университета Висконсин-Мэдисон.

Однако за относительно короткий по эволюционным меркам период, по мере дальнейшего ветвления, гремучие змеи, такие как техасский (западный) и алмазный (восточный) гремучники Северной Америки, полностью утратили гены нейротоксинов, сохранив только гены токсинов, повреждающих мышцы и кровеносные сосуды их жертв. В то же время, мохавский гремучник сохранил нейротоксин, но утратил некоторые другие гены. Исследование было опубликовано 15 сентября 2016 года в журнале Current Biology.

Учёные изучили генетический код представителей семейства гремучих змей и восстановили их эволюционную историю. Они обнаружили, что гены нейротоксинов эволюционировали около 22 миллионов лет назад, ещё до появления первых гремучих змей (12–14 млн лет назад).

Изучая отдельные ветви эволюционного древа, они с удивлением обнаружили, что гремучие змеи быстро развили большое разнообразие за счёт потери генов, что привело к вариациям в количестве и типах генов яда.

Каждая линия гремучих змей удалила от двух до четырёх целых генов яда по сравнению с их общим предком, сохранив гены только для части типов токсинов. Причём этот набор генов у каждого вида разный. Только два из первоначальных семи полноразмерных генов яда являются общими для мохавского гремучника, техасского и алмазного гремучников.

Исследователи установили «порядок появления» генов токсинов, чтобы понять, когда они впервые возникли и когда каждый вид гремучих змей их удалил. Выяснилось, что:

• Техасский и алмазный гремучники независимо друг от друга удалили гены нейротоксинов примерно 6 миллионов лет назад.
• Мохавский гремучник потерял ген мышечного токсина около 4 миллионов лет назад.

Ключевым открытием стал механизм этих изменений. Гены, кодирующие токсичные белки, расположены внутри комплекса, содержащего транспозон (мобильный генетический элемент). Такие элементы облегчают дупликацию и делецию (удаление) генов в этом комплексе. Это создаёт динамичный процесс, при котором весь геномный локус постоянно «дышит» — расширяется и сжимается.

Исследователи также обнаружили вариативность генов яда внутри одного вида. При изучении четырёх особей техасского гремучника выяснилось, что у одной из змей было два дополнительных гена яда, которых не было у трёх других.

Точная причина, по которой змеи избавились от части своего оружия, неизвестна. Учёные предполагают, что это экологически связано с индивидуальными обстоятельствами, в которых оказывался каждый вид со временем. Возможно, их добыча была более уязвима к одному типу яда или выработала защиту против другого. Это часть «гонки вооружений» между хищником и жертвой.

Исследование открывает новые возможности для понимания того, как работают геномы в целом, и показывает, что змеи могут демонстрировать эволюционные механизмы, ранее не наблюдавшиеся.