Ученые лаборатории Колд Спринг Харбор устанавливают последовательность генома утконоса
В любом случае утконос – странное животное. У него имеется широкий, нетвердый клюв, что представляет утку, но он плавает больше как бобер, и все же он откладывает яйца и может впрыскивать токсичный яд, как рептилия. Не удивительно, что ученые сочли его за искусный розыгрыш, изучив шкуру первого образца, отправленного в Англию из колонии Новый Южный Уэльс в 1799 г.
В выпуске журнала Nature за 9 мая консорциум ученых, включая работника лаборатории Колд Спринг Харбор (CSHL) Грегори Ханнон, кандидата наук, опубликовал результаты международной работы по установлению последовательности генома утконоса. Они открывают секреты эволюции, которые выходят далеко за пределы очевидного факта, что это существо, найденное исключительно в Восточной и Южной Австралии, включая островной штат Тасмания, ни типичное млекопитающее, ни типичное пресмыкающееся.
В действительности утконос относится к виду млекопитающих отряда однопроходных, в число которых входят только четыре других подвида из семейства ехидновых (ехидна австралийская и проехидна). Однопроходные произошли от других примитивных млекопитающих около 166 миллионов лет назад в конце юрского периода – этот факт был косвенно подтвержден геномом, последовательность которого была недавно установлена.
Открытие разгадок эволюции в последовательности генома.
«Целью нашего консорциума было понять свойства, характерные только утконосам и другим однопроходным, выделяя в его геноме различные эволюционные новообразования, сформировавшиеся за миллионы лет», - сказал доктор Ханнон, профессор при лаборатории Колд Спринг Харбор. «Данные по происхождению этих новообразований совершенно точно записаны в последовательности нуклеотидов в геноме утконоса».Взять хотя бы особый способ воспитания потомства утконоса. Всех млекопитающих, кроме того, что они теплокровные животные, можно сгруппировать согласно их способу беременности. Сумчатые, как, к примеру, кенгуру, длительный период вынашивают незрелых детенышей в наружных сумках. Такие плацентарные млекопитающие, как мыши и люди, защищают свое потомство длительный период во внутренней утробе до родов. В отличие от этого, утконосы и другие однопроходные сохраняют способ беременности рептилий, откладывая яйца, и все же, как другие млекоптающие, самка утконоса кормит своих новорожденных молоком, хотя и тем, которое выделяется через расширенные поры, а не соски.
«Тот факт, что однопроходные выделяют молоко и все же откладывают яйца, является лишь одним примером захватывающей комбинации из свойств рептилий и млекопитающих, которую они собой представляют», - сказал доктор Ханнон. Еще одно наследство, доставшееся утконосам от рептилий, - это шпоры, располагающиеся у самцов этого вида на задних лапах, через которые они могут выпускать яд. Консорциум выявил, что протеины яда рептилий и утконосов «были кооптированы из одних тех же семейств генов». Ученые также вывели из полученных геномных данных, что утконос, несмотря на то, что он откладывает яйца, разделяет гены молочного белка со всеми другими млекопитающими.
Будучи ученым по геномике, доктор Ханнон заинтересовался, обнаружив, что комбинация хромосом у утконосов кариотипна, что наиболее необычно для млекопитающих. «Всего имеется 52 хромосомы, многие из них очень малы, подобно микрохромосомам рептилий. Как и рептилии, они также обладают многочисленными половыми хромосомами», - отметил он.
Исследование лаборатории Колд Спринг Харбор показывает, что роли маленьких РНК у утконосов сохранились.
В своей статье, опубликованной он-лайн до выхода в печать 7 мая в журнале Genome Research, доктор Ханнон и Елизабет Мерчисон, кандидат наук, постдок в лаборатории первоначально из Тасмании, предлагают другие интригующие эволюционные данные исследований утконоса, основанные на анализе класса молекул под название маленькие РНК. За последнее десятилетие доктор Ханнон руководил исследованием маленьких РНК, помогая открыть их роль в экспрессии регулирующего гена и в защите генома от внедряющихся паразитических видов.Ханнон и Мерчисон обработали шесть образцов тканей утконоса и ехидны, и обнаружили наявность одних и тех же классов маленьких РНК и внутриклеточного механизма, наблюдаемого у других животных, который позволяет маленьким РНК модулировать экспрессию генов и защищать геном – так званый процесс интерференции РНК (RNAi). То, что механизм RNAi сохранился в ходе эволюции у однопроходных, едва удивляет, наделяющий отдельные организмы, и таким образом вид, способностью регулировать свои системы и защищать свой генетический материал.
Лаборатория Колд Спринг Харбор обнаружила некоторые маленькие РНК, которые встречались только у однопроходных, являясь отображением уникального отпечатка эволюции; и некоторые маленькие РНК, встречающиеся у некотрых других животных, например, четыре микроРНК (miRNAs) до этого встречались у кур, но не у других млекопитающих. «И снова всплывает глубоко захороненная история про эволюцию: эти специфические miRNAs, вероятно, были задействованы в биологических функциях, котрые или стали лишними, или малоупотребительными на некоторых етапах эволюции млекопитающих», - сказал доктор Ханнон.
В общей сложности, команда установила 180 новых miRNAs, которые, по-видимому, своеобразны у утконосов и однопроходных, но самым примечательным было крупное скопление miRNAs на хромосоме утконоса X1. По-видимому, комок быстро развивался, что явялется характерной чертой быстро развивающегося репродуктивного механизма самцов млекопитающих. Также особый интерес представлял тот факт, что геном утконоса кодирует три белка так называемого семейства PIWI , которое задействовано в происхождении недавно открытого класса маленьких РНК, которые называются piwi- или пиРНК (piRNAs). У утконоса, в отличие от других млекопитающих, изученных на сегодняшний день, система пиРНК, очевидно, играет активную роль в защите гамет всередине зрелой половой железы самцов.
В общем, доктор Ханнон отметил, что «дополнение из маленьких РНК у утконоса высветили как уникальные, так и сохраненные роли микроРНК и пиРНК у однопроходных; и в то же время это дало нам понимание эволюции путей маленьких РНК у млекопитающих».
