Геном двоякодышащей рыбы в 30 раз больше человеческого из-за накопления транспозонов

Двоякодышащие рыбы, наряду с латимериями, — единственные сохранившиеся по сей день представители класса лопастеперых рыб (саркоптеригий), от которого произошли тетраподы (амфибии, рептилии, птицы и млекопитающие). К настоящему моменту уже установлено, что двоякодышащие ближе к тетраподам, чем латимерии. Геномы их современных представителей могут дать информацию о молекулярных процессах, лежавших в основе перехода от лопастеперых рыб к тетраподам, и авторы публикации в Nature отсеквенировали de novo геномы африканских (Protopterus annectens) и южноамериканских (Lepidosiren paradoxa) двоякодышащих рыб.

Наивысшего разнообразия двоякодышащие достигли в девонском периоде около 425 млн лет назад — тогда их насчитывалось от 70 до 100 видов, которые обитали сначала в морских, а впоследствии и в пресных водах Гондваны. После девонского вымирания сохранились лишь немногочисленные представители, которые обитают в Африке, Австралии и Южной Америке. Изучение их биологии позволит уточнить геномные и молекулярные особенности, которые способствовали переходу позвоночных из водной среды на сушу.

Для двоякодышащих характерны одни из самых больших геномов среди животных. Секвенирование с длинными прочтениями и последующая сборка генома на хромосомном уровне показали, что геном L. paradoxa содержит около 87,2 млрд п.н., а P. annectens — порядка 40,5. Около 90% их генома составляют некодирующие участки, содержащие крайне высокую долю транспозонов (приблизительно 85 млрд. п. н. у L. paradoxa и 40 — у P. annectens). Интересно, что 18 из 19 хромосом южноамериканской двоякодышащей рыбы превышают по длине полный геном человека — каждая из них содержит более 3,05 млрд. п.н. При этом для хромосом южноамериканской и африканской двоякодышащих рыб оказалась характерна высокая степень синтении, хотя эти виды и разделились около 200 млн лет назад — именно тогда существовал их последний общий предок.

Чтобы проанализировать изменения размеров генома, происходившие в процессе эволюции, авторы работы воспользовались байесовским подходом. На разнообразном наборе таксонов они показали, что масштабное расширение генома случилось в ходе эволюции дважды — у двоякодышащих и у саламандр, причем эти события произошли независимо. Первоначальный рост геномов двоякодышащих рыб, вероятно, происходил еще до вымирания их общего предка, и его скорость ученые оценивают в 124 млн. п. н. на каждый миллион лет. Процесс ускорился в группе Lepidosirenidae, достигая скорости прироста в 152 млн. п. н. за миллион лет, и приобрел еще большие темпы в роде Lepidosiren (371 млн. п. н. за миллион лет). Это наибольшая известная на сегодняшний день скорость увеличения размера диплоидного генома. Дальнейший анализ показал, что она была достигнута за счет накопления транспозонов, а именно длинных диспергированных повторов (LINE). Что интересно, многие транспозоны до сих пор экспрессируются в геномах современных двоякодышащих рыб — это ученые подтвердили с помощью транскриптомного анализа. При этом более «молодые» копии экспрессируются активнее, чем приобретенные на более ранних этапах эволюции.

Важную роль в регуляции экспрессии транспозонов, а именно в ее подавлении, играют piРНК. Как у L. paradoxa, так и у P. annectens эти некодирующие РНК преимущественно деградировали. Их низкий уровень исследователи связывают с масштабной экспансией транспозонов. Кроме того, у южноамериканской двоякодышащей рыбы в геноме содержалось намного меньшее количество генов, кодирующих белковые компоненты системы сайленсинга транспозонов (KRAB-содержащие цинковые пальцы, KZFP). Эта особенность также может объяснять рекордные размеры генома L. paradoxa.

Важно отметить, что, хотя высокое содержание транспозонов способно дестабилизировать геном, этого не наблюдается у двоякодышащих.

Другой аспект биологии двоякодышащих рыб, заинтересовавший ученых, — это особенности строения их конечностей. У африканских и южноамериканских двоякодышащих произошло вторичное упрощение грудных и брюшных плавников, связанное с отсутствием в них радиальных элементов. Анализ кластеров hox-генов, контролирующих формирование частей тела в ходе эмбриогенеза, выявил утрату некоторых hoxa генов, связанных с формированием конечностей, а именно e10 и mm406. С редукцией плавников была связана и потеря некоторых других генов — PRKG2 (его делеция у мышей, человека или крупного рогатого скота уменьшает длину костей), RASGEF1B (мишень сигнального пути sonic hedgehog, или shh), TTC23 (участвует во внеклеточной передаче сигнала shh) и hoxd12. Дальнейшее исследование особенностей сигналинга ssh у двоякодышащих рыб показало, что он действительно нарушен у африканских и южноамериканских представителей этого надотряда, но не у их австралийских родственников, сохранивших предковый вариант строения плавников. Модулирование сигналинга shh с помощью агониста Smoothered (SAG) в регенерирующих плавниках африканской и южноамериканской двоякодышащих рыб изменяло их фенотип — в плавниках формировались более выраженные радиальные элементы, свойственные австралийской двоякодышащей рыбе. Кроме того, транскриптомный анализ выявил, что редукция плавников связана с утратой функции энхансера ZRS, который контролирует экспрессию shh. Именно нарушение его работы авторы работы называют предполагаемой причиной вторичного упрощения конечностей L. paradoxa и P. annectens.

Таким образом, исследователи установили, что рекордные среди животных размеры генома двоякодышащих рыб связаны с высоким уровнем транспозонов — у южноамериканского представителя этого надотряда геном почти вдвое больше, чем у его африканского родственника, и протяженность транспозонов демонстрирует аналогичное соотношение. Авторы работы надеются, что теперь, когда геномы всех ныне живущих двоякодышащих рыб собраны на уровне хромосом, изучение эволюции лопастеперых продолжится и даст больше информации о том, как эти предки тетрапод освоили сушу в девонском периоде.

Эволюция плавников ската сопровождалась реорганизацией генома