Быстрая эволюция обеспечивает пластичность транскрипции у рифовых рыб

Закисление океана происходит из-за повышения уровня углекислого газа в атмосфере и его растворения в воде. По оценкам специалистов, pH океанических вод снижается примерно на 0,02 единицы в десятилетие. Увеличение парциального давления CO₂ (pCO₂) в воде сказывается на многих водных организмах, включая рыб, несмотря на наличие у них компенсаторных ионообменных механизмов, препятствующих ацидозу. В частности, закисление воды влияет на функционирование рецепторов ГАМКА, которые необходимы для нормального функционирования мозга, активности нейронов и обработки информации.

Авторы нового исследования, опубликованного в журнале Global Change Biology, получили транскриптомы клеток мозга шести видов рыб, населяющих коралловые рифы: Acanthochromis polyacanthus, Amblyglyphidodon curacao, Dascyllus aruanus, Pomacentrus adelus, Pomacentrus moluccensis и Ostorhinchus compressus. В анализ были включены особи, обитающие на территории рифа Упа-Упасина (Папуа — Новая Гвинея) возле источника (сипа) углекислого газа (pCO₂ составляет 846 микроатмосфер при pH 7,7), и особи с соседнего рифа, где pCO₂ составляет 443 микроатмосферы при pH 8,01. Для вида Ac. polyacanthus также был получен транскриптом особей, живущих в рифе с источником CO₂, после шторма, из-за которого обогащенная углекислотой вода была замещена менее кислой.

Анализ дифференциальной экспрессии генов показал, что у всех шести видов при обитании в более кислой воде происходят одинаковые изменения в экспрессии генов, связанных с циркадными ритмами (в частности, PER1, CLOCK и BMAL1) и работой иммунной системы (например, RF1, IRF4, NFIL3). Однако степень выраженности этих изменений была неодинакова. Различия в экспрессии генов, связанных с циркадными ритмами, были наиболее существенными у D. aruanus, P. moluccensis и Ac. polyacanthus. Изменения в экспрессии генов, связанных с иммунной системой, были наиболее выражены у Ac. polyacanthus, D. aruanus и O. compressus. У Ac. polyacanthus в ответ на закисление воды происходит ослабление экспрессии генов, вовлеченных в ГАМКергический путь, в том числе гена рецептора ГАМКА.

У Ac. polyacanthus транскрипция генов, связанных с коровыми циркадными ритмами и потому влияющих на поддержание внутриклеточного pH и активности нейронов, оказалась наиболее пластичной. Как показали ученые, временное повышение pH воды вблизи сипа после шторма возвращает паттерны экспрессии этих генов к таковым у рыб, постоянно живущих в незакисленной воде. Этот вид отличается и наиболее высокой скоростью эволюции по сравнению с другими рифовыми рыбами — такой вывод ученые сделали, проанализировав отношение несинонимичных замен к синонимичным в генах циркадных ритмов. Авторы работы считают, что исключительная пластичность транскрипции Ac. polyacanthus, которая позволяет виду адаптироваться к закислению воды, стала результатом быстрой эволюции.