Ведущий автор Тодд Кастоу, доцент биологии Техасского университета в Арлингтонском колледже науки, и 38 соавторов из четырех стран секвенировали и проанализировали геном бирманского питона, или Python molurus bivittatus. Их работа планируется опубликовать на этой неделе (2 декабря) в Proceedings of the National Academy of Sciences вместе с сопутствующей статьей о секвенировании и анализе королевской кобры (Ophiophagus hannah).
Документы представляют собой первые полные и аннотированные геномы змей.Поскольку змеи содержат многие из тех же генов, что и другие позвоночные животные, изучение того, как эти гены эволюционировали, чтобы произвести такие экстремальные и уникальные характеристики у змей, может в конечном итоге помочь объяснить, как эти гены функционируют, в том числе как они обеспечивают экстремальные подвиги ремоделирования органов. Такие знания в конечном итоге могут быть использованы для лечения болезней человека.«Один из фундаментальных вопросов эволюционной биологии — это то, как позвоночные животные со всеми одинаковыми генами демонстрируют такие совершенно разные характеристики.
Бирманский питон — отличный способ изучить это, потому что он настолько экстремален», — сказал Кастое, который начал работать над проектом питона как докторант Медицинской школы Университета Колорадо в лаборатории доцента и автора-корреспондента Дэвида Д. Поллока.Кастое сказал: «Мы хотели бы знать, как змея использует гены, которые мы все должны делать, чтобы делать то, что не могут сделать никакие другие позвоночные».
Новое исследование питонов ставит под сомнение предыдущие теории о том, что основные очевидные физические различия между видами вызваны в первую очередь изменениями в экспрессии генов. Вместо этого он утверждает, что адаптация белков, экспрессия генов и изменения в структуре организации самого генома работают вместе, определяя необычные характеристики, которые определяют змей и, возможно, других позвоночных.Поллок сказал, что исследования питона и королевской кобры представляют собой существенное дополнение к области «сравнительной системной геномики — эволюционного анализа геномов нескольких позвоночных, чтобы понять, как целые системы взаимодействующих генов могут развиваться от молекул и выше».
Он сказал: «Я считаю, что такие исследования будут иметь фундаментальное значение для нашей способности понять, что делают гены в геноме человека, их функциональные механизмы и как и почему они стали такими, как есть».По словам авторов, фенотип или физические характеристики бирманского питона представляют собой один из самых ярких примеров эволюционной адаптации. Как и у всех змей, его эволюционное происхождение включало снижение функции одного легкого и удлинение его средней части, скелета и органов. Он также обладает исключительной способностью к тому, что исследователи называют «физиологическим ремоделированием».
Физиологическое ремоделирование относится к процессу, с помощью которого питоны могут переваривать пищу, намного превышающую их размер, например цыплят или поросят, за счет ускорения их метаболизма и увеличения массы их сердца, печени, тонкой кишки и почек на 35–150 процентов. всего за 24-48 часов. По завершении пищеварения органы возвращаются к своему первоначальному размеру в течение нескольких дней. Авторы предполагают, что понимание того, как змеи совершают эти грандиозные подвиги, может дать важные подсказки для разработки методов лечения многих различных типов заболеваний человека.«Бирманский питон обладает удивительной физиологией.
Имея в своем распоряжении его геном, мы можем теперь изучить множество неиспользованных молекулярных механизмов, которые он использует для значительного увеличения скорости метаболизма, прекращения производства кислоты, улучшения функции кишечника и быстрого увеличения размера кишечника. его сердце, кишечник, поджелудочная железа, печень и почки », — сказал Стивен Секор, доцент биологических наук Университета Алабамы и соавтор статьи. «Польза от этих открытий выходит за рамки лечения метаболических заболеваний, язв, кишечной мальабсорбции, болезни Крона, гипертрофии сердца и потери работоспособности органов».Чтобы завершить свою работу, исследовательская группа сопоставила 7 442 гена питона и кобры с последовательностями генов, доступными в браузере генома Ensembl, от других земноводных, рептилий, птиц и млекопитающих. Они использовали статистический метод под названием «моделирование кодонов сайтов ветвления» для поиска генов, которые были положительно отобраны (или эволюционно изменены в результате естественного отбора) у питона, кобры и на ранних этапах эволюции змей у общего предка этих двух змей. . Они обнаружили изменения в сотнях генов. Они считают, что результаты демонстрируют, что вызванные естественным отбором изменения во многих генах, кодирующих белки, в значительной степени способствовали уникальным характеристикам змей.
Анализы показали замечательное соответствие между функцией выбранных генов и многими функционально уникальными аспектами биологии змей, такими как их уникальный метаболизм, форма позвоночника и черепа и регуляция клеточного цикла, сказал Кастое. Многие из измененных генов, которые наблюдала команда, также имеют важное медицинское значение. Например, геном питона показал некоторые изменения в гене GAB1, который, по мнению других исследований, играет роль в развитии рака груди, меланомы и лейкемии у детей.
Помимо изменений отдельных генов и их экспрессии, исследователи также обнаружили, что экстремальные характеристики змей также могут быть связаны с дупликациями или потерями в многогенных семьях. Некоторые из них включают древнюю утрату и недавнюю эволюцию зрения с высоким разрешением, а также их способность обнаруживать химические сигналы из окружающей среды.
Исследователи также заметили, что, хотя большинство полагает, что гены и геномы рептилий изменяются очень медленно, геномы змей развиваются с одной из самых быстрых скоростей среди всех позвоночных.