У больших животных гены длиннее

Рис. 1. Китовые акулы обычно медленно плавают с открытой пастью, чтобы отфильтровывать планктон — свою основную пищу. Из-за своих размеров они не боятся людей и не обращают на попутчиков особого внимания. Фото с сайта thegardenisland.com

Международная группа ученых расшифровала геном китовой акулы и сравнила его с геномами 84 других организмов. Тщательный анализ разных характеристик генетического кода выявил ряд зависимостей между параметрами генома и биологическими особенностями организмов. Оказалось, что увеличенная продолжительность жизни положительно коррелирует с размерами тела и уровнем метаболизма, длина интронов и длина генома положительно скоррелированы с массой тела, а содержание гуанина и цитозина обратно пропорционально индексу адаптации кодонов.

Китовые акулы (Rhincodon typus) — самые крупные современные рыбы. Длина самого крупного экземпляра, замерам которого можно верить, достигал 18,8 м в длину (C. R. McClain et al., 2015. Sizing ocean giants: patterns of intraspecific size variation in marine megafauna). Регулярно встречаются сообщения и о более крупных особях, но их достоверность вызывает сомнения. По размерам китовые акулы вполне сравнимы с кашалотов, а крупнее них из современных животных только синие киты. Название китовых акул отражает не только исполинские размеры взрослых особей, но и крайне редкий для акул способ питания. Эти рыбы, как и усатые киты, — фильтраторы, они питаются планктоном. В отличие от китов, фильтрующих воду через растущий на верхнем нёбе китовый ус, акулы фильтруют воду через жаберные щели, прикрытые специальными хрящевыми пластинками и кожными зубцами. Среди акул такую пищевую стратегию используют еще лишь два вида: гигантская и большеротая акулы.

Численность китовой акулы неизвестна, но по некоторым оценкам она сейчас составляет лишь 1–2 тысячи особей. Раньше мясо этой рыбы употреблялось в пищу, а медлительность и размеры делали ее хорошей целью для рыбаков. Несмотря на введенный запрет промысла, восстановление численности китовой акулы идет крайне медленно.

Как правило, закономерности эволюции в царстве животных выявляются и исследуются на основе данных по очень небольшому числу видов, представителей которых удобно содержать в лаборатории (см., например, список модельных объектов в биологии). Также желательно, чтобы животные были многочисленными, не слишком прихотливыми, легко разводились и обладали высокой скоростью смены поколений. Китовые акулы всеми этими качествами, разумеется, не обладают, хотя данные по ним и другим обособленным с эволюционной точки зрения видам (а китовая акула — единственный вид в семействе Rhincodontidae) тоже крайне важны для ученых. При этом до недавних пор даже не был расшифрован геном китовой акулы.

Этот пробел в недавней статье удалось заполнить большой международной группе исследователей из научных учреждений Кореи, США, и Великобритании. Ученые отсеквенировали геном семилетнего самца китовой акулы, содержавшегося в корейском океанариуме и погибшего своей смертью. Затем эту расшифрованную генетическую последовательность сравнили с уже известными геномами 84 других организмов — одного вида дрожжей, нескольких видов беспозвоночных, а также с геномами разных рыб, птиц и млекопитающих.

Одна из важных генетических характеристик — доля гуанин-цитозиновых (GC) пар азотистых оснований в ДНК (см. GC-состав). Гуанин и цитозин — это комплементарные (то есть они могут располагаться друг напротив друга) составные части ДНК, две из четырех возможных «букв» нашего генетического кода. Встречаемость пар двух других азотистых оснований (аденина и тимина) можно получить, если вычесть долю пары GC из единицы. Оказалось, что на 42% геном китовой акулы состоит из пар GC.

То, насколько часто пара GC встречается в генетическом коде, зависит от ряда факторов. Например, от того, какая буква чаще стоит в конце триплета, кодирующего аминокислоту будущего белка. Дело в том, что вдоль одной молекулы ДНК (без комплементарной цепочки) буквы расположены по три и образуют из себя «слова» — триплеты (или кодоны). Всего таких слов из четырех букв можно составить 4³ = 64 штуки. При этом в генетическом коде встречается всего 20 аминокислот. Добавим сюда еще стоп-кодон, сигнализирующий об остановке считывания. Выходит, что на 21 значение есть 64 слова. Поэтому генетический код, как говорят, вырожден: разные триплеты могут кодировать одну и ту же аминокислоту. Но распределение триплетов по аминокислотам вовсе не равномерное: какие-то кодируются только одним триплетом (метионин и триптофан), а какие-то — аж шестью (аргинин, лейцин, серин). Кроме того, неравномерно и использование триплетов, кодирующих одну и ту же аминокислоту. То есть, например, среди кодирующих серин триплетов одни встречаются в живой природе гораздо чаще других. Это явление называют предпочтением кодонов. Как правило, кодирующие одну и ту же аминокислоту триплеты, отличаются на последнюю букву, а предпочтение кодонов с ходом эволюции смещается в сторону преобладания пары GC (рис. 2). Долю, которую пары GC занимают в третьем положении кодонов, далее по тексту будем обозначать GC3.

Рис. 2. Изменение значения параметра GC3 (в процентах, горизонтальная ось) в генах у 33 видов плацентарных животных. Гены разбиты на пять групп (обозначенных разными цветами), исходя из соотношения между значением GC3 и средним отличием этого значения от доли GC3 у общего предка всех плацентарных. Видно, что наибольшие отличия от предковой формы в содержании гуанина и цитозина в третьем положении обусловлены именно увеличением GC3. Рисунок из статьи J. Romiguier et al., 2010. Contrasting GC-content dynamics across 33 mammalian genomes: Relationship with life-history traits and chromosome sizes

В обсуждаемой работе показано, что доли GC и GC3 в генах 85 исследованных видов положительно скоррелированы друг с другом. Однако оба этих показателя неожиданно оказались обратно пропорциональны индексу адаптации кодонов (codon adaptation index, CAI, рис. 3). Этот индекс позволяет оценить, какими вариантами триплетов в среднем представлен данный ген: частыми или редкими. Получается, что если в гене большое количество более предпочитаемых триплетов, заканчивающихся на GC, то это вовсе не повышает среднее предпочтение кодонов в гене, а наоборот снижает его.

Рис. 3. Обратная корреляция между значениями GC (левый график) и GC3 (правый график) и индексом адаптации кодонов (отложен по горизонтальной оси) по геномам 85 видов организмов. Графики из обсуждаемой статьи в PNAS

Ранее было показано, что скорость замещения азотистых оснований обратно пропорциональна весу тела (рис. 4, слева), то есть у мелких животных скорость эволюции выше, чем у крупных (см. новость Крупным млекопитающим может грозить вымирание из-за накопления вредных мутаций, «Элементы», 28.08.2007). При наличии тенденции к смещению в сторону преобладания пар GC в третьем положении в кодонах (см. рис. 2) логично было бы ожидать, что в ходе обсуждаемого исследования выяснится, что значение GC3 в геноме также обратно пропорционально массе тела (рис. 4, справа).

Рис. 4. Слева — зависимость скорости накопления изменений в митохондриальной ДНК (вертикальная ось, процент изменения мДНК за миллион лет) от размеров (горизонтальная ось, масса тела в кг) у теплокровных животных (верхняя линия) и холоднокровных животных (нижняя линия). График из статьи A. P. Martin, S. R. Palumbi, 1993. Body size, metabolic rate, generation time, and the molecular clock. Справа — зависимость доли GC3 (указана в процентах, вертикальная ось) в геноме 33 млекопитающих от массы их тела (по горизонтальной оси откладывается десятичный логарифм массы тела в кг). График из статьи J. Romiguier et al., 2010. Contrasting GC-content dynamics across 33 mammalian genomes: Relationship with life-history traits and chromosome sizes

Однако проведенное в обсуждаемой работе полногеномное исследование 85 видов организмов не выявило такой взаимосвязи: получилось, что содержание ГЦ3 не коррелирует ни с размерами тела, ни с продолжительностью жизни.

На левой части рис. 4 стоит обратить внимание на то, что хладнокровные животные имеют заметно более низкую скорость накопления изменений в мДНК по сравнению с теплокровными животными тех же размеров. Вероятно, здесь играет роль скорость метаболизма, во время которого высвобождаются способные повреждать ДНК активные формы кислорода.

Интересно, что и базальная скорость метаболизма (см. Basal metabolic rate), и продолжительность жизни оказались в прямой зависимости от веса животного (рис. 5). Значит, размеры тела животного и его температура позволяют предсказать уровень метаболизма, а также продолжительность жизни. Китовые акулы обитают в основном в тропических регионах, где температура воды не опускается ниже 21 °С, а благодаря своим габаритам они не успевают остывать при нырянии на большие глубины в поисках пищи. Продолжительность жизни китовой акулы составляет до 80 лет.

Рис. 5. Слева — зависимость между весом тела (вертикальная ось) и базальной скоростью метаболизма (горизонтальная ось). Справа — зависимость между максимальной продолжительностью жизни (вертикальная ось) и весом (горизонтальная ось). Графики из обсуждаемой статьи в PNAS и дополнительных материалов к ней

Кроме того, с размерами тела животного оказались положительно скоррелированы и такие показатели, как размер генома и относительная длина интронов (некодирующих участков ДНК, рис. 6). Оказалось, что в среднем чем больше организм, тем больше у него геном и тем больше у него интроны. Сходная взаимосвязь показана и для продолжительности жизни и уровня метаболизма, которые как уже говорилось, скоррелированы с размерами тела. Выходит, что у более долгоживущих животных длиннее и гены, и геномы в целом.

Рис. 6. Слева — зависимость между размерами тела (вертикальная ось) и длиной интронов (горизонтальная ось). Справа — зависимость между размером генома (вертикальная ось) и размером тела (горизонтальная ось). Графики из обсуждаемой статьи в PNAS

Исследователи задались вопросом, за счет чего геном китовой акулы значительно больше, чем у более мелких животных. Было показано, что длина экзонов (кодирующие части ДНК) — очень консервативный признак. Большинство генов также имеют сходную длину у всех 85 рассмотренных видов. Исключение составляют гены, связанные с нервными контактами, — эти гены заметно длиннее, чем в среднем гены организма. И как раз у долгоживущих организмов некоторые из генов, связанных с нервной системой, заметно длиннее среднего показателя.

Но не за счет же одних генов нервной системы геном китовой акулы составил 3,2 млрд п. о., что сравнимо с длиной человеческого генома. Выяснилось, что 50% акульего генома составляют участки ДНК, способные к передвижению и размножению в пределах генома — так называемые транспозоны. Из всех рассмотренных видов китовая акула на четвертом месте по длине повторяющихся элементов ДНК после японской кошачьей акулы, коричневополосой кошачьей акулы и опоссума. Именно они и удлиняют ее геном. В чем заключается эволюционный смысл такого способа удлинения генома — пока неясно.

Также было показано, что гены китовой акулы в большинстве своем (58%) являются древними (старше 684 млн лет). Очень немного (5,4%) генов имеют возраст 684–199 млн лет. Еще меньше — всего 2% — «молодых» генов (возрастом 199–93 млн лет). Но при этом в ее геноме больше трети (34,6%) совсем новых генов, возраст которых составляет 93 и менее млн лет. Тем не менее, среди всех исследованных животных китовая акула оказалась самой медленно эволюционирующим видом.

Обсуждаемая работа не только демонстрирует важность большой выборки как генов, так и организмов, но и показывает ряд неожиданных корреляций, которые еще только предстоит объяснить. Например, почему масса тела, продолжительность жизни и длина генома скоррелированы? Неужели наличие большого количества повторов в генах позволяет увеличить продолжительность жизни? Вряд ли все так просто. Остается только продолжать исследования и расширять выборку геномов.

Источник: Jessica A. Weber, Seung Gu Park, Victor Luria, Sungwon Jeon, Hak-Min Kim, Yeonsu Jeon, Youngjune Bhak, Je Hun Jun, Sang Wha Kim, Won Hee Hong, Semin Lee, Yun Sung Cho, Amir Karger, John W. Cain, Andrea Manica, Soonok Kim, Jae-Hoon Kim, Jeremy S. Edwards, Jong Bhak, and George M. Church. The whale shark genome reveals how genomic and physiological properties scale with body size // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2020. DOI: 10.1073/pnas.1922576117.

Алёна Сухопутова