Слюнные железы легко могут эволюционировать в ядовитые при правильных условиях

Способность к ядовитому укусу многократно возникала у позвоночных в ходе эволюции. Как и когда эта способность появлялась — остается загадкой. Большинство ученых начинают распутывать этот клубок с самого яда. Но его состав быстро изменяется, а у генов, вырабатывающих токсин, сложные паттерны экспрессии. Поэтому ученые из Японии подошли к проблеме с другой стороны, исследовав сеть генов, регулирующих выработку яда у змеи. Эту сеть они назвали metavenom network.

Ученые использовали РНК-библиотеки, составленные при изучении острочешуйной куфии (Protobothrops mucrosquamatus). Они анализировали гены, экспрессирующиеся совместно. Всего изучили 18 313 генов, которые разделили на 29 модулей размером от 38 до 3 380. Все гены токсинов попали в самый большой модуль 1, который и назвали metavenom network. Туда входят гены домашнего хозяйства, которые ассоциированы с выработкой яда. Паттерны их экспрессии уникальны для ядовитых желез. Гены, входящие в эту сеть, связаны в том числе с модификацией, транспортом и деградацией белков.

В модуль 1 входили также гены сигнальных путей UPR и ERAD, консервативных у многих животных. Ученые искали ортологи других генов, входящих модуль, у разных видов и нашли 546 ортологов у человека, шимпанзе, мыши, собаки, анолиса, жёлто-зелёной куфии, кобры, курицы и лягушки. Таким образом, гены из metavenom network высококонсервативны.

Далее авторы изучили транскриптомы слюнных желез мышей и неядовитых рептилий, таких как королевский питон (Python regius), маисовый полоз (Pantherophis guttatus) и пятнистый леопардовый эублефар (Eublepharis macularius). Кластеризация экспрессирующихся генов была очень схожа у этих транскриптомов и у первоначальной РНК-библиотеки острочешуйной куфии. На основе всех полученных данных ученые установили, что паттерны экспрессии сохранялись в гомологичных тканях, особенно если сравнивать ядовитые железы змей и слюнные железы млекопитающих.

Филогенетический анализ показал, что семейства генов из metavenom network эволюционировали быстрее у ядовитых змей, чем у других видов. В основном это были гены, связанные с модификацией и убиквитинированием белков, секрецией и перестройками хроматина.

Таким образом, ученые обнаружили сеть генов, которые регулируют как выработку яда, так и слюны. Они очень консервативны, но определить вовлеченность генов в конкретные процессы пока не удалось. Однако авторы предположили, что гены calr, manf, pdia6 и pdia3 работают как «контроль качества» нарабатываемых белков.

Авторы отметили, что схожесть систем выработки яда и слюны позволит слюнным железам мышей легко перестроиться в ядовитые при благоприятных (или неблагоприятных) условиях. Так, калликреин-подобные сериновые протеазы находят в разных тканях животных, но особенно много их в слюне. Эти белки вызывают воспаление. Если калликреины из слюны неядовитых животных, например, мышей и крыс, ввести в кровь других грызунов, они могут вызвать гипотонический криз и даже привести к смерти. Еще в 1980-е годы было высказано предположение, что самцы мышей секретируют калликреин-подобные ферменты в слюну в качестве оружия.