Геном пауков при переходе к социальности изменился

Социальность неоднократно возникала у позвоночных, насекомых, пауков и ракообразных. Есть гипотеза, что социальное поведение эволюционирует через изменения в консервативном наборе генов. Многие исследования транскриптомов подчеркивают перекрывание генов, лежащих в основе социального поведения у разных линий, другие выводят на первое место специфичные для линий гены. В целом не очень ясно, насколько конвергентный переход к социальности у разных видов связан с изменениями в одних и тех же или похожих генах.

Среди 45 тысяч известных видов пауков большая часть живет одиночной жизнью и часто агрессивна по отношению к сородичам даже своего вида. Но есть и социальные виды: их менее 25 в шести семействах и девяти родах. Социальность пауков развивалась независимо около 15–16 раз; это происходило относительно недавно — несколько миллионов лет назад. Социальные пауки живут в группах, по мере рождения новых пауков их популяции растут — это позволяет захватывать все большую добычу и даже формировать новые дочерние колонии. Социальные пауки проявляют заботу о потомстве.

В новой работе исследователи из США, Канады и Австралии сравнили геномы 22 видов пауков — восьми социальных и 14 одиночных. Рода Anelosimus, Theridion и Stegodyphus включали и социальные, и одиночные виды, а семейство Sparassidae было представлено только одиночными видами. Ученые определили примерное время расхождения социальных и одиночных видов каждого рода. Ранее группа под руководством тех же ученых уже проводила сравнительный анализ геномов пауков с этой же целью, но тогда работа включала всего восемь видов, а социальные и одиночные виды относились к разным родам.

Выбранные в новом исследовании виды пауков охватывали весь спектр социальности: восемь социальных видов, шесть субсоциальных и восемь одиночных видов. Выяснилось, что полногеномные, генные и сайт-специфические изменения происходили неоднократно во время конвергентных переходов к социальной жизни у пауков. Кроме того, авторы обнаружили, что для социальных ветвей, как правило, характерно возрастание скорости молекулярной эволюции по всему геному (dN/dS) — для этого использовали тест относительной скорости эволюции (RER), реализованный в RERconverge.

Для идентификации генов, которые подвергались ослабленному или усиленному отбору во всех социальных ветвях, ученые использовали структуру проверки гипотез RELAX. Около 850 генов демонстрировали признаки ослабления отбора — то есть они становились менее важными при переходе к социальности. Это гены, связанные с репродукцией, транскрипцией и репликацией ДНК. Гены, отбор которых усилился (671 ген), были связаны, например, с иммунным ответом.

Для перехода к социальному образу жизни животное должно стать более толерантным к сородичам. Кроме того, необходимы изменения в репродуктивном поведении и поведении, связанном с расселением. Должны измениться определенные области мозга и органы чувств, важные для обработки социальных сигналов. Также предполагается, что социальность связана с большим риском заболеваний — значит, необходимо быть более защищенным от болезней. Все изменения в генах и сдвиги в скорости эволюции могут лежать в основе этих изменений.

Так, например, ген AUTS2, который подвергся усиленному отбору у социальных пауков, регулирует развитие нейронов и синапсов и влияет на социальное поведение у мышей. Мутации в этом гене связаны со множеством неврологических симптомов, включая расстройства аутистического спектра у людей. Ген дистрофина (Dys), который тоже подвергся усиленному отбору у социальных пауков, влияет на социальное поведение, общение и синаптическую пластичность у мышей. Мутации в Dys связаны с аутизмом и умственной отсталостью у людей. А вот с генами, связанными с иммунитетом, не все так однозначно: отбор каких-то генов у социальных пауков усиливается, других — ослабляется.

Авторы также идентифицировали сайты, в которых происходила одна и та же аминокислотная замена по крайней мере четыре раза в социальных ветвях. Так, например, такие замены обнаружились в гене, кодирующем бромодомен-содержащий белок 4 (Brd4) — они произошли у пяти социальных видов, а также у субсоциальных видов D. cancerides и A. arizona. Этот ген — регулятор транскрипции. У людей ингибирование Brd4 может облегчать транскрипционную дисфункцию и синдром ломкой X-хромосомы.

Авторы также обращают внимание на то, что они анализировали транскриптом, используя образцы, сохраненные в этаноле. По их мнению, потенциал такого метода недооценен.