Рыбка с «украденной» люциферазой так и не научилась ее синтезировать

В большинстве случаев фенотип напрямую зависит от генотипа. Однако есть ряд ярких исключений — некоторые организмы используют компоненты других видов, чтобы «дополнить» собственный фенотип. Например, голожаберные моллюски способны накапливать в теле стрекательные клетки из съеденной добычи, а Elysia chlorotica — морской брюхоногий моллюск — интегрирует в свои клетки хлоропласты водорослей и использует их для фотосинтеза. 

Похожий процесс недавно обнаружили у биолюминесцентной рыбы Parapriacanthus ransonneti, которая поглощает люциферазу — фермент, отвечающий за биолюминесценцию, — из своей пищи. Параприакантусы — род тропических рыбок из семейства большеглазовых, обитающие в Индийском океане и западной части Тихого. Ранее японские ученые показали, что P. ransonneti накапливает люциферазу биолюминесцентного рачка Cypridina noctiluca, которым питается. Однако оставалось неясным, действительно ли рыбка неспособна синтезировать люциферазу самостоятельно, поскольку гипотетически она могла приобрести ее ген путем горизонтального переноса от рачка. Теперь эта же группа исследователей получила полный геном P. ransonneti и доказала, что ген люциферазы у нее отсутствует. 

Биолюминесценция P. ransonetti (вид с брюшной стороны).
Credit:
Government Park (Ocean Expo Park)/Okinawa Churaumi Aquarium | пресс-релиз

Ученые содержали в аквариуме особей P. ransonneti, выловленных местными рыбаками вблизи Окинавы в 2021 году. Чтобы избежать контаминации люциферазой другого вида, рыбок кормили исключительно измельченной рыбой или рачками, неспособными к биолюминесценции. 

Размер генома P. ransonneti ученые рассчитали по данным сортировки флуоресцентно-активированных клеток (FACS), окрасив ДНК в ядре флуоресцентным красителем. Он составил около 613 млн пар оснований. 

Затем авторы провели секвенирование длинных прочтений, используя технологию PacBio, и собрали геном рыбки de novo. Из более чем 1,8 млн прочтений они составили высококачественный черновик генома P. ransonneti с 52-кратным покрытием. Общий размер генома в полученной сборке — 625 млн пар оснований — соответствует расчетному размеру. 

Чтобы проверить гипотезу об отсутствии генов люциферазы рачков в геноме P. ransonneti, авторы провели поиск гомологии. Они искали соответствия с люциферазами трех видов ракообразных — C. noctiluca, Vargula hilgendorfii и V. tsujii. Поиск на белковом и на транскриптомном уровне не выявил генов люциферазы в геноме рыбы. 

Реакция биолюминесценции у P. ransonneti происходит с участием люциферина и люциферазы. Ученые предположили, что рыбка могла приобрести гены, связанные с накоплением люциферина, путем горизонтального переноса. Это могло бы быть адаптацией к биолюминесценции даже в отсутствие собственной люциферазы. Однако поиск потенциальных ксенологов — горизонтально перенесенных генов — не выявил генов ракообразных и в этом случае. 

Таким образом, никаких признаков горизонтального переноса генов от ракообразных в геноме P. ransonneti авторы не обнаружили. Они пришли к выводу, что как люциферазу, так и люциферин рыбка получает из биолюминесцентной добычи. Полученные данные подтверждают существование редкой биологической стратегии — клептопротеинизма. 

Биолюминесценция жуков-светляков оказалась способом защиты от окислительного стресса