Яйцекладущие – самый древний и примитивный отряд млекопитающих. Они, как и остальные млекопитающие, ведут происхождение от рептилий, однако отделились от них достаточно рано, образовав собственную ветвь развития. Яйцекладущие сочетают в себе черты древних рептилий, птиц и звероящеров. В частности, представители отряда откладывают яйца, у них есть клюв, но при этом выкармливают потомство молоком. Этот подкласс представлен единственным отрядом под названием однопроходные, который в свою очередь объединяет два семейства: ехидновые и утконосовые. Эти уникальные животные обладают рядом особенностей: у них нет сосков - детеныши слизывают молоко, которое выделяется из трубчатых желез, прямо с шерсти матери. Они довольно ядовиты. Имеют специальную клоаку, в которую открываются и мочевой пузырь, и кишечник. Помимо этого, утконосы и ехидны являются безголосыми и беззубыми. Учёные под руководством профессора Аделаидского университета (Австралия) Франка Грутцнера проанализировали геном утконоса и ехидны и выяснили, как они стали одними из самых странных животных на Земле.

В общей сложности генетики выделили более 20 и 22 тысяч генов в ДНК утконосов и ехидн соответственно. Затем их распределили по хромосомам. Сопоставив наборы мелких мутаций и различия в устройстве генов у обоих животных, биологи пришли к выводу, что их предки разделились уже после вымирания динозавров, в начале эоцена, примерно 55 млн лет назад. Их общий предок отделился от предков плацентарных и сумчатых 187 млн лет назад, в первой половине юрского периода. Эти оценки, как отмечают ученые, хорошо согласуются с данными палеонтологов (Fig. 1).

Геном утконоса уже был частично расшифрован ещё в 2008 году (сборка генома OANA5). Благодаря его анализу ученые узнали, что у этих австралийских экзотов обилие половых хромосом: у утконоса имеется 10 половых хромосом, из которых 5 являются Х-хромосомами и 5 - Y-хромосомами, которые соединены друг с другом особым образом во время мейоза. Структура одной из "женских" хромосом оказалась похожа на Z-хромосому рептилий и птиц.

В ходе нового исследования генетики не просто полностью расшифровали геномы утконосов и ехидн, но и выяснили, каким образом он разбит на хромосомы и как они распределены внутри ядра их клеток (Fig. 2). Подобные сведения, по словам Грутцнера и его коллег, критически важны для изучения истории эволюции генома, в том числе и того, как возникли уникальные половые хромосомы утоконосов и ехидн.

Особый интерес представляют половые хромосомы яйцекладущих млекопитающих, которые возникли независимо от таковых у высших млекопитающих, за счет добавления аутосомы на предковую пару XY, в результате чего образуется система множественных половых хромосом, которая собирается в цепочку во время мейоза. Похожесть структуры и формы половых хромосом утконосов и ехидн показывает, что эта уникальная система появилась еще у их общего предка. Ученые предполагают, что изначально эти хромосомы были объединены в необычную кольцеобразную структуру, которая впоследствии распалась на связанные друг с другом части. В пользу этого, в частности, говорит то, что копии генов из последней "мужской" хромосомы Y5 есть и в первой "женской" хромосоме X1 (Fig. 3).

Напомним, что в мейозе гомологичные хромосомы объединяются и формируют биваленты. У человека Y-хромосома потеряла так много генов, что участков гомологии с X-хромосомой почти не осталось, поэтому рекомбинации между этими хромосомами практически не происходит. Но у многих видов различия между половыми хромосомами не столь значительны, и в мейозе они, как и аутосомы, соединяются с образованием бивалента. Однако, как ведут себя при мейозе несколько половых хромосом? У самцов, имеющих несколько Х-хромосом и несколько Y-хромосом, образуются не биваленты, а особые кольцевые структуры, в которых каждая хромосома взаимодействует с гомологичными участками двух своих соседей. Это возможно благодаря тому, что на всех X- и Y-хромосомах имеются гомологичные псевдоаутосомные районы. На финальных этапах мейоза кольцевая структура упорядоченно разделяется, и сперматозоиды получают либо n Х-хромосом, либо n Y-хромосом, где n — число хромосом в гаплоидном хромосомном наборе данного вида. Следовательно, наличие характерной кольцевой структуры в мейозе клеток-предшественников сперматозоидов является верным признаком наличия у вида нескольких половых хромосом.

Грутцнер и его коллеги объясняют, что раньше кольцеобразные объединения хромосом никогда не находили среди животных – их встречали только у растений. Однако справедливости ради отметим, что именно такую структуру удалось обнаружить в сперматоцитах лягушки - пятипалого свистуна - с помощью флуоресцентной микроскопии в 2018 г. (Fig. 4).

В рассматриваемой работе ученые провели детальный анализ контактов половых хромосом, используя технологию Hi-C (High conformation Capture –"конформации хромосом высокого порядка"), которая позволяет определять все хромосомные контакты в ядре клетки) (Fig. 5). Они надеются, что дальнейшее изучение геномов утконосов и ехидн поможет им понять, как возникла эта конфигурация хромосом.

Утконосы и ехидны радикально различаются в питании (плотоядные по сравнению с насекомоядными), сенсорной нейрофизиологии (ориентированные на электрорецепцию по сравнению с ориентированными на обоняние), а также в специфических внутривидовых отношениях и защитных адаптациях. Благодаря своим отчетливым экологическим, анатомическим и физиологическим особенностям, монотремы представляют собой млекопитающих, хорошо подходящих для изучения эволюции экологической адаптации. Например, у млекопитающих имеется более 25 копий генов рецепторов горького вкуса (гены TAS2R), тогда как это семейство генов значительно меньше у монотремов, только 7 у утконоса, у ехидны это число сокращается до трех (Fig. 6а). Подобное сокращение наблюдается у панголинов с похожей диетой (насекомоядные), говорящее о конвергентной эволюции. Исследователи надеются, что дальнейшее изучение геномов утконосов и ехидн поможет им понять, как яйцекладущие "потеряли" гены, которые отвечают за распознавание горького вкуса.

Как и у утконоса, «клюв» ехидны хорошо иннервирован. В его коже расположены как механорецепторы, так и особые клетки-электрорецепторы; с их помощью ехидна улавливает слабые колебания электрического поля, возникающие при движении мелких животных. Ни у одного млекопитающего, помимо ехидн и утконоса, подобного органа электролокации не обнаружено. Носовая полость утконоса закрывается во время ныряния, и размер основной обонятельной луковицы утконоса намного меньше, чем у ехидны. В соответствии с этим количество обонятельных рецепторов у утконоса (299) намного меньше, чем у ехидны (693) (гены OR - рис. 6a). Различия в размере обонятельной луковицы и обонятельных рецепторах OR у ехидны могут способствовать поиску по запаху подземной добычи, тогда как утконос полагается на электрорецепцию для обнаружения добычи в воде. Однако размеры добавочной обонятельной луковицы у утконоса больше, чем у ехидны. В дополнительную обонятельную луковицу идут проекции нейронов из вомероназального органа (периферический отдел дополнительной обонятельной системы некоторых позвоночных животных, который играет важную роль в формировании полового поведения), поэтому у утконоса наблюдается заметное увеличение количества вомероназальных рецепторов типа 1 (262) по сравнению с ехидной (28) (гены V1R - рис. 6a). «Вомероназальные рецепторы играют важную роль в ухаживании, заботе о потомстве, индукции лактации и выделении молока у однопроходных. Таким образом, диверсификация систем обонятельной луковицы и дополнительных обонятельных луковиц у яйцекладущих представляет собой интересный пример эко-эволюционного компромисса» - отмечают исследователи. Сильное развитие V1R связана с размером вомероназального органа и ночной активностью. Это также согласуется с тем фактом, что утконос закрывает глаза при нырянии и, следовательно, полностью полагается на другие чувства под водой и в норе.

Полуводный образ жизни утконоса поддерживается особенно высоким уровнем гемоглобина и большим количеством мелких красных кровяных телец. Система детоксикации гемоглобин-гем у млекопитающих обеспечивает эффективный клиренс для минимизации окислительного повреждения. В эту систему входит гаптоглобин - шаперон гемоглобина, и гемопексин с микроглобулином альфа-1, с которыми связывается свободный гем. Интересно, что и гемопексин, и гены микроглобулина альфа-1 обнаружены в монотремных геномах, тогда как ген гаптоглобина отсутствует (Fig. 6b). Это говорит о том, что у монотремов эволюционировала другая система деградации гемоглобина. Некоторые позвоночные, не являющиеся млекопитающими, также потеряли ген гаптоглобина, включая курицу (Fig. 6b), но у них есть альтернативный секретируемый шаперон PIT54, связывающийся с гемоглобином.

Прежде всего, утконосы и ехидны – единственные современные млекопитающие, откладывающие яйца (поэтому их выделяют в подкласс яйцекладущих). И теперь понятно, как им это удаётся. У этих двух животных всё ещё работают гены, отвечающие за формирование вителлогенина – предшественника яичного желтка (VTG). Правда, не в полном составе. У общего предка млекопитающих и птиц таких генов было три. Птицы и рептилии сохранили все три функциональные копии, у монотремов авторы обнаружили только одну его функциональную копию (VTG2) (два других было потеряно примерно 130 миллионов лет назад). Человек и почти все остальные млекопитающие полностью утратили эти гены. Вместо выключившихся генов, отвечающих за вителлогенин, все млекопитающие приобрели гены синтеза казеина – основного белка молока. То же самое произошло с утконосом и ехидной, хотя у них были заменены не все "вителлогениновые" гены.

Подобно сумчатым, у яйцекладущих млекопитающих длительный период лактации, и состав молока меняется по мере развития, в соответствии с потребностями потомства. SPINT3, основной специфический для молока белок, который присутствует в ранней лактации млекопитающих и играет роль в иммунной защите потомства сумчатых животных. У однопроходных он отсутствует. Анализ синтении подтвердил, что эта область является консервативной у утконоса, но содержит две копии генов, кодирующих новые белки с доменом Kunitz. Kunitz–белки это быстро эволюционировавшее семейство, и один из его новых членов у монотремов имеет иммунопротекторную функцию, аналогичную SPINT3. В геноме монотрем, как и в геномах остальных млекопитающих есть множество генов, кодирующих белки молока. У большинства млекопитающих три казеиновых гена, которые кодируют секретируемые молочные белки (Fig. 6c). У монотрем есть дополнительные гены казеинов с неизвестными функциями: копия CSN2 (CSN2B) и копия CSN3 (CSN3B). Все казеины принадлежат семейству секреторных кальций-связывающих фосфопротеинов (SCPP) и, предполагается, что гены казеина произошли от гена ODAM, связанного с развитием зубов, через его предшественников FDCSP и SCPPPQ. Предок монотрем (яйцекладущих) имел зубы, но у обоих современных монотрем нет зубов. Ученые в этом исследовании показали, что из восьми генов, участвующих в развитии зубов, четыре гена были потеряны (Fig. 6с), что согласуется с данными по другим беззубым или лишенным эмали плацентарными животными. Ехидны (но не утконосы) в дальнейшем потеряли два гена эмали: ODAM, и FDCSP. Анализ синтении показал, что дополнительные гены казеина у монотерм (CSN2B и CSN3B) обнаружены в той же области хромосомы млекопитающих, что и ODAM и FDCSP, т.е. внутри локуса, кодирующего казеины (Fig. 6c), что является дополнительным доказательством того, что казеины произошли от одонтогенных генов, контролирующих развитие зубов.

В итоге авторы исследования заключили, что полные и точные аннотации геномов имеют решающее значение для эволюционного и функционального анализа. По-прежнему существует проблема их высокоточной сборки на уровне хромосом, особенно для дифференцированных половых хромосом. Генетики получили высококачественный геном утконоса, используя комбинацию технологии одномолекулярного секвенирования и нескольких методов физического картирования, чтобы как можно точнее собрать прочтённые последовательности на хромосомах. Авторы уделили особое внимание анализу древней сенсорной системы и специфике её изменений, деградации гемоглобина и репродуктивной функции, которые представляют самые интересные биологические особенности утконоса и ехидны. Новые геномы обоих видов позволят глубже понять приобретенные свойства плацентарных и сумчатых млекопитающих, а также биологию и эволюцию необычных млекопитающих, откладывающих яйца.

Новость подготовилa © Симонова О.Б.
19.01.2021