Гены хитиназ рассказали о расширении рациона млекопитающих после вымирания динозавров

Рис. 1. Филогенетическое дерево вариантов гена кислой хитиназы млекопитающих (CHIA). Дерево состоит из пяти ветвей (CHIA1, ..., CHIA5), которые соответствуют пяти вариантам (паралогам) CHIA, имевшимся у последнего общего предка плацентарных. Черные кружки на концах веточек соответствуют функциональным хитиназам, способным расщеплять хитин в пищеварительном тракте. Белые кружки — псевдогенизированные (выведенные мутациями из строя) или сменившие функцию (потерявшие хитин-связывающий или хитинолитический участок) хитиназы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Считается, что плацентарные млекопитающие в кайнозое резко расширили свой рацион, заняв ниши хищников и фитофагов, освободившиеся после вымирания динозавров. До сих пор об изменениях диеты древних млекопитающих судили по палеонтологическим данным. Новое исследование американских и французских биологов показало, что для этого можно использовать также и данные по генам хитиназ (ферментов, расщепляющих хитин), количество которых коррелирует с долей беспозвоночных в рационе. У большинства мезозойских плацентарных было целых пять таких генов, унаследованных от общего предка, что указывает на насекомоядность. После вымирания динозавров многие группы плацентарных независимо стали терять свои хитиназы, что согласуется с переходом этих групп к хищничеству или растительноядности. В геномах многих плацентарных, включая человека, сохранились псевдогены — остатки испорченных мутациями генов хитиназ. Эти «генетические ископаемые» свидетельствуют о насекомоядности далеких предков.

Еще недавно многие специалисты полагали, что у млекопитающих нет специализированных ферментов для переваривания хитина. Считалось, что функции ферментов-хитиназ, гены которых присутствуют в геномах млекопитающих, не связаны с пищеварением. Было показано, что хитиназы вносят вклад в защиту от патогенных грибов, нематод и других паразитов, в регуляцию апоптоза и работу иммунной системы. Предполагалось, что этим дело и ограничивается. Например, если мы посмотрим перечень функций человеческого фермента Acidic mammalian chitinase в базе данных UniProt, то никаких упоминаний о переваривании съеденных членистоногих мы там не найдем.

Однако в последние годы выяснилось, что «кислые хитиназы млекопитающих», кодируемые генами CHIA, всё-таки участвуют в пищеварении. Для некоторых групп, таких как грызуны и летучие мыши, это было доказано экспериментально (S. Strobel et al., 2013. Insectivorous Bats Digest Chitin in the Stomach Using Acidic Mammalian Chitinase). Было также замечено, что у приматов доля насекомых в рационе коррелирует с числом копий (паралогов) гена CHIA в геноме (M. C. Janiak et al., 2017. Evolution of acidic mammalian chitinase genes (CHIA) is related to body mass and insectivory in primates). Постепенно стало ясно, что, хотя хитиназы млекопитающих в ходе эволюции могли привлекаться для выполнения защитных и регуляторных функций, их пищеварительную функцию (возможно, очень древнюю) никто не отменял. Кроме того, появились основания предполагать, что по числу работающих (не испорченных мутациями) генов хитиназ в геноме можно в какой-то мере судить о диете изучаемого вида или группы.

Эволюционные биологи из Франции и США использовали данные по хитиназам, чтобы лучше разобраться в эволюции пищевых предпочтений плацентарных в кайнозое. Судя по палеонтологическим данным, после вымирания динозавров плацентарные млекопитающие претерпели бурную адаптивную радиацию, освоив много разных трофических ниш. Привлечение геномных данных по хитиназам позволило уточнить представления о кайнозойской диверсификации плацентарных.

Сравнение генов CHIA, присутствующих в геномах 107 видов плацентарных, показало, что варианты этого гена делятся на пять больших ветвей (клад), обозначенных авторами CHIA1, CHIA2, ..., CHIA5. В каждом из четырех надотрядов плацентарных (Xenarthra, Afrotheria, Euarchontoglires, Laurasiatheria) встречаются гены из всех пяти клад (рис. 1). Это значит, что у последнего общего предка современных плацентарных, который жил около 100 млн лет назад (в середине мелового периода), было пять паралогов гена CHIA (паралогами называют копии гена, возникшие в результате генных дупликаций).

Все рабочие (не выведенные из строя мутациями) копии CHIA имеют почти одинаковую длину и содержат 11 экзонов с хитин-связывающим участком в 11-м экзоне и хитинолитическим участком в 5-м экзоне. Обычно гены CHIA располагаются на одной и той же хромосоме недалеко друг от друга, и даже порядок их расположения сходен в разных группах плацентарных. Судя по структуре кодируемых белков и транскриптомным данным, все пять паралогов CHIA могут экспрессироваться в пищеварительном тракте и участвовать в переваривании хитина. Исходно, по-видимому, все они выполняли пищеварительную функцию, хотя детали их работы и специфику каждого из пяти вариантов еще предстоит выяснить.

В ходе дальнейшей эволюции число рабочих генов CHIA в разных группах плацентарных неоднократно менялось. Иногда оно увеличивалось благодаря дупликациям, а иногда уменьшалось из-за мутаций, выводящих ген из строя (это называют псевдогенизацией, см. Pseudogene); кроме того, гены могли полностью утрачиваться в результате делеций.

Дупликации генов CHIA в эволюции плацентарных происходили намного реже, чем потери. При этом вновь возникающие паралоги никогда не сохраняли за собой пищеварительную функцию. Они либо деградировали за ненадобностью, превращаясь в псевдогены, либо приобретали новые функции, связанные, например, с иммунной защитой (о потере пищеварительной функции можно судить по повреждению или утрате хитин-связывающего и хитинолитического участков). По-видимому, плацентарные просто не нуждались в новых пищеварительных хитиназах. Пяти ферментов, унаследованных от предков, им было более чем достаточно.

Преобладающей тенденцией в эволюции генов CHIA у плацентарных было сокращение их числа путем псевдогенизации или делеции. Такие события происходили многократно, особенно в группах, перешедших к хищничеству или фитофагии.

Между числом генов CHIA, сохранивших пищеварительную функцию, и долей беспозвоночных в рационе обнаружилась четкая положительная корреляция (рис. 2). У видов с пятью работающими хитиназами беспозвоночные составляют в среднем 88,3% рациона, с четырьмя — 85%, с тремя — 80%, с двумя — 63%, с одной — 22%. Наконец, у видов, не имеющих ни одной пищеварительной хитиназы, беспозвоночные составляют лишь 7% рациона.

Рис. 2. Число генов пищеварительных хитиназ (по вертикальной оси) положительно коррелирует с долей беспозвоночных в рационе (по горизонтальной оси). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Из этого правила есть исключения, три из которых отмечены на рис. 2 фигурками животных (морж, кит и панголин). У моржа, например, нет функциональных генов CHIA, хотя его рацион на 80% состоит из беспозвоночных. Несоответствие объясняется просто: авторы использовали имеющиеся в литературе оценки доли беспозвоночных, потому что не смогли найти аналогичных оценок доли членистоногих или просто хитина в рационе изучаемых видов. В большинстве случаев беспозвоночные, поедаемые млекопитающими, — это одетые в хитин насекомые. Морж, однако, питается в основном двустворчатыми моллюсками, для переваривания которых хитиназы не нужны. Авторы предполагают, что если собрать данные по количеству хитина (а не беспозвоночных) в пище, то выявленная корреляция станет строже.

Усатые киты и панголины едят много хитина (первые питаются в основном ракообразными, вторые — муравьями и термитами), но имеют лишь по одной рабочей копии CHIA. Возможно, дело в том, что и усатые киты, и панголины происходят от предков, в рационе которых членистоногие играли незначительную роль. Усатые киты унаследовали мутации, выводящие хитиназы из строя, от общих предков с зубатыми китами. Эти предки питались скорее рыбой и кальмарами (как современные зубатые киты), чем ракообразными. Панголины унаследовали аналогичные мутации от общих предков с хищными, причем эти предки вряд ли были специализированными поедателями муравьев и термитов. Пока остается открытым вопрос, почему у усатых китов и панголинов не дуплицировались сохранившиеся гены CHIA, раз уж они перешли к богатой хитином диете. Возможно, эволюция решила эту проблему каким-то другим способом.

Авторы использовали богатый арсенал методов сравнительной геномики и биоинформатики, чтобы датировать моменты выхода из строя тех или иных генов CHIA в разных группах плацентарных (рис. 3). Получилось, что вплоть до вымирания динозавров (которое произошло 66 млн лет назад, на рубеже мела и палеогена) пищеварительные хитиназы терялись очень редко. Подавляющее большинство мезозойских плацентарных имело пять рабочих копий CHIA, что указывает на довольно-таки строгую насекомоядность. Этот вывод хорошо согласуется с палеонтологическими данными. Другие, вымершие ветви млекопитающих могли осваивать другие трофические ниши: например, триконодонты могли переходить к хищничеству, а мультитуберкуляты — к фитофагии (см.: Экспансия растительноядных млекопитающих началась задолго до вымирания динозавров, «Элементы», 23.03.2012). Но плацентарные, по-видимому, вплоть до конца мезозоя питались в основном насекомыми.

Рис. 3. Хронология утраты хитиназ плацентарными млекопитающими. Вверху — хронологическая шкала. Синими и красными прямоугольничками отмечены моменты выхода из строя тех или иных генов CHIA. Цвет прямоугольничка отражает метод датирования: красные соответствуют более точным датировкам, основанным на скорости накопления значимых и синонимичных замен; синие — минимальные датировки, основанные на том, что у нескольких групп ген CHIA выведен из строя одной и той же мутацией (которая точно произошла не позже, чем разделились предки этих групп). Слева внизу — общее филогенетическое дерево плацентарных, на котором красным цветом отмечены ветви, учтенные в исследовании. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Сразу после вымирания динозавров, в палеоцене, процесс потери хитиназ резко ускорился, причем хитиназы терялись независимо в разных линиях плацентарных (рис. 3). Логично предположить, что это было напрямую связано с переходом многих групп кайнозойских плацентарных от исходной насекомоядности к хищничеству или фитофагии.

Интересно, что утрата хитиназ предками современных отрядов плацентарных происходила в основном уже после того, как эти отряды обособились друг от друга. Например, рис. 3 показывает, что предки хищных, непарнокопытных и парнокопытных с китами разделились еще в мелу, а гены хитиназ утрачивались всеми тремя группами позже — в палеоцене и эоцене. Это важная деталь, помогающая примирить молекулярную филогенетику с палеонтологией. Дело в том, что эволюционные деревья, основанные на ДНК, упорно показывают, что практически все современные отряды плацентарных обособились еще в мелу, тогда как данные палеонтологии не менее упорно утверждают, что в мелу этих отрядов еще не было.

Эволюционная история хитиназ показывает, что разделение предков современных отрядов и их расхождение по трофическим нишам могли быть сильно разнесены во времени. А пока трофическая ниша оставалась прежней, не было и причин для серьезной морфологической дивергенции. Иными словами, предки носорогов и тигров еще много миллионов лет после своего разделения могли оставаться мелкими насекомоядными зверьками, похожими друг на друга как по диете, так и по морфологии. Между прочим, Ричард Докинз примерно так и описывал раннюю эволюцию плацентарных в своих научно-популярных книгах. Наблюдатель, заброшенный в позднемеловую эпоху на машине времени, едва ли смог бы догадаться, что от этой «землеройки» произойдут лошади и носороги, а вон от той — тигры и моржи. В таком же положении находятся и палеонтологи — специалисты по меловым млекопитающим.

До сих пор наши представления о трофической диверсификации плацентарных в кайнозое основывались почти исключительно на данных палеонтологии. Теперь к ним начинают добавляться данные сравнительной геномики. Именно в этом состоит важность обсуждаемой работы. Кроме того, исследование показало, что в геномах многих не насекомоядных млекопитающих, включая нас с вами, сохранилась интереснейшие «генетические ископаемые» — псевдогены хитиназ, свидетельствующие о насекомоядности далеких предков.

Источник: Christopher A. Emerling, Frédéric Delsuc and Michael W. Nachman. Chitinase genes (CHIAs) provide genomic footprints of a post-Cretaceous dietary radiation in placental mammals // Science Advances. 2018. DOI: 10.1126/sciadv.aar6478.

См. также:
1) Максимальный размер наземных млекопитающих рос по экспоненте, «Элементы», 02.12.2010.
2) Экспансия растительноядных млекопитающих началась задолго до вымирания динозавров, «Элементы», 23.03.2012.
3) Новое филогенетическое древо млекопитающих примирило палеонтологические и молекулярные данные, «Элементы», 07.11.2011.

Александр Марков