Гены, которые потеряли вампиры

У летучих мышей-вампиров экстравагантная диета. Как следует из названия, они питаются исключительно кровью других животных, на которых охотятся в темноте. Однако получить все питательные вещества из этого кровавого источника не так-то просто. В крови много белка, но мало жиров и сахаров. Предыдущие исследования, включая более ранний эталонный геном, пытались понять, как летучие мыши-вампиры приспособились жить за счет такой своеобразной диеты, но анализ новой, еще более полной и точной последовательности генома этого вида, позволяет по-новому взглянуть на этот вопрос.

Сравнение недавно собранного генома обыкновенной летучей мыши-вампира(Desmodus rotundus) - одного из трех сохранившихся видов летучих мышей-вампиров, с 25 геномами других видов летучих мышей выявило 13 генов, отсутствующих только у этого вида. Возможно, эти потери способствовали тому, что летучие мыши-вампиры предпочитают и способны питаться кровью, а также другим признакам, например, их замечательным когнитивным способностям. Даже среди летучих мышей летучие мыши-вампиры считаются умными, социальными животными; известно, что они отрыгивают кровь сородичам, которым грозит голод, особенно тем, кто делился с ними кровью в прошлом.

Первый геном этого вида, секвенированный вместе с метагеномом кишечника животных, выявил некоторые геномные сигнатуры, связанные с кровопусканием, и подчеркнул роль микробов кишечника в обеспечении питательными веществами, которые не так легко получить из крови. "Но хотя это исследование дало нам много информации", - сказала The Scientist биоинформатик Университета Калифорнии в Беркли Йоселин Гутьеррес-Герреро(которая не участвовала ни в одном из этих геномных анализов), - более высокое разрешение и глубина секвенирования нового генома, достигнутые благодаря усовершенствованным технологиям секвенирования, позволяют более детально изучить геномный ландшафт и лучше понять адаптацию летучей мыши к питанию кровью".

В новом анализе, который еще не прошел экспертную оценку, D. rotundus сравнивается с 25 видами летучих мышей, что на 16 видов больше, чем было доступно на момент составления предыдущей последовательности генома. В частности, в новое исследование были включены шесть недавно секвенированных видов из семейства летучих мышей-вампиров - листоносых летучих мышей(Phyllostomidae). Включение этих родственников, особенно некоторых ближайших родственных линий вида, "позволяет нам точно определить, что именно произошло на этой ветви, приведшей к появлению летучих мышей-вампиров", - говорит Майкл Хиллер, генетик из Центра трансляционной геномики биоразнообразия LOEWE в Германии и соавтор статьи.

"Потеря гена означает отсутствие его функциональной копии. Это может произойти в результате полного удаления гена из генома или наличия его остатков, для которых рамка считывания настолько разрушена сдвигами кадров, ранними стоп-кодонами и другими мутациями, что ген вряд ли сможет кодировать функциональный белок", - говорит Хиллер.

Разработка методов обнаружения потерь генов - сложная задача. Ошибки секвенирования, проблемы выравнивания или эволюционные изменения, которые изменяют гены, но не инактивируют их, могут привести к неправильному определению того, является ли ген функциональным или нет. Ранние исследования потерь генов предполагали много ручной работы.
В последние годы Хиллер и его команда работали над точным определением потерь генов в более широком масштабе у млекопитающих, выявляя роль этих геномных изменений в различных фенотипических адаптациях. Хиллер объясняет, что сейчас его команда хотела исследовать, "могла ли потеря генов предков способствовать физиологическим и метаболическим изменениям, связанным с очень специальной диетой летучей мыши-вампира".

"Потери генов часто следуют за диетической специализацией, когда некоторые гены больше не нужны в повседневной жизни животного", пишет Хуабин Чжао, молекулярный эволюционный биолог из Уханьского университета в Китае, который не принимал участия в новом исследовании. До секвенирования первого генома летучей мыши-вампира Чжао и его коллеги выявили у летучих мышей потерю генов вкусовых рецепторов для сладкого и горького вкусов, на которые приходится 3 из 13 потерь, отмеченных в научной работе.

Рисунок 1: Иллюстрация органов и анатомических участков, в которых 10 недавно обнаруженных отсутствующих генов играют важную роль.

По словам авторов, остальные 10 ранее не были описаны. По словам Гутьеррес-Герреро, многие из них дают подсказки о том, как летучие мыши получают максимум питания из крови, которая, как известно, бедна питательными веществами.

Среди генов, утраченных D. rotundus, есть два, вероятно, участвующих в усилении секреции инсулина. Летучие мыши, возможно, не нуждаются в большом количестве инсулина, учитывая низкое содержание сахара в их рационе. По словам Хиллера, ранее было показано, что они не выделяют много инсулина, что может быть связано с необходимостью поддерживать ограниченное количество глюкозы, получаемой из их рациона, в кровеносной системе.

У летучих мышей также отсутствует ген, который, как считается, участвует в ингибировании трипсина - фермента, участвующего в переваривании и усвоении белка. Более высокий уровень активности трипсина мог бы в конечном итоге помочь им переварить богатую белком пищу. Между тем, потеря гена REP15 может способствовать выделению железа, не позволяя летучим мышам отравиться этим металлом, который в изобилии содержится в крови.

Некоторые из вновь выявленных потерь генов связаны с другими аспектами образа жизни животных, предполагают авторы. Один из них, по-видимому, связан с социальными способностями летучих мышей: у них отсутствует ген, разрушающий 24S-гидроксихолестерин, метаболит холестерина, который, как известно, играет различную роль в развитии и функционировании мозга. Эта потеря может означать, что в мозге летучих мышей повышен уровень этого метаболита, что, как было показано, улучшает пространственную память у мышей и может объяснять исключительную социальную память летучих мышей.

"Несмотря на то, что D. rotundus является культовым видом, хорошо изученным на физиологическом и морфологическом уровне, предостережения и неопределенности относительно функциональных последствий потери генов остаются, потому что у нас все еще много пробелов в наших знаниях", - говорит Хиллер.

Например, новый анализ показал, что антимикробный ген RNASE7 функционально отсутствует у вампиров, тогда как предыдущий геномный анализ показал, что он находится под положительным отбором - обнаруженные мутации были интерпретированы как повышающие его бактерицидную способность. Противоречивые выводы порождают новые вопросы.
Чжао предполагает, что это может означать, что инактивирующие мутации, обнаруженные группой Хиллера, присутствуют не у всех особей вида; Хиллер говорит, что это "очень маловероятно", учитывая количество мутаций, присутствующих в RNASE7. Но если RNASE7 действительно нефункциональна у D. rotundus, будущие исследования должны будут точно определить, против каких патогенов направлен ее белок и что он делает у других видов летучих мышей.

Хиллер говорит, что он и его команда также хотели бы в будущем изучить отбор, дупликацию генов, расширение семейств генов и различия в экспрессии генов, чтобы получить "более полную картину геномных изменений, которые вовлечены в кровяное питание". Кроме того, Хиллер говорит, что он и его коллеги работают над сборками геномов двух других видов летучих мышей-вампиров, чтобы выяснить, разделяют ли они потери генов с D. rotundus.