У лягушки при метаморфозе меняется активность 42% генов

Молекулярные механизмы приспособления зрения амфибий при переходе из водной среды в наземную до недавнего времени были плохо изучены. Это связано с тем, что основной модельный вид — шпорцевая лягушка (Xenopus laevis) — всю жизнь проводит в воде. В отличие от нее, у южной леопардовой лягушки (Lithobates sphenocephalus) только головастики ведут водный и преимущественно дневной образ жизни, взрослые же особи живут на суше и активны ночью. Международная группа ученых решила выяснить, что позволяет южной леопардовой лягушке одинаково хорошо видеть в разных условиях среды на разных стадиях развития. Для этого исследователи изучили глаза 12 особей L. sphenocephalus из одной популяции в Арлингтоне (штат Техас) — по шесть головастиков и ювенильных особей. Половину из них в течение трех часов содержали при нормальном дневном освещении, остальных — 12 часов в полной темноте, соблюдая такой режим и при дальнейших манипуляциях. Затем РНК экстрагировали из глаз и секвенировали. Для сравнения спектра воспринимаемого света (микроспектрофотометрии) использовали дополнительно по одной лягушке и по одному головастику из той же популяции.

В результате транскриптомного анализа всего глаза выяснилось, что после метаморфоза у южной леопардовой лягушки меняется уровень экспрессии 42% генов (11 026 из 23 019 генов), причем наибольшее число транскриптов пришлось на 24 признака. Три из них связаны с развитием зрительной системы: метаболизмом ретинола и ретиноевой кислоты, а также с регуляцией структуры и активности синапсов. Из 170 зрительных генов по уровню экспрессии отличались 111 генов (69%) лягушек на разных стадиях развития. Эти гены влияют на широкий спектр зрительных функций, включая гены развития, такие как CRX и OTX2, которые важны для дифференцировки и поддержания фоторецепторных клеток палочек и колбочек. Разная активность генов опсинов, включая меланопсин (OPN4m) и пинопсин (PIN), свидетельствует о различиях в регуляции циркадных ритмов у головастиков и молодых особей. Некоторые зрительные гены, вероятно, способствовали частичной независимой адаптации зрительной системы леопардовой лягушки к водной и воздушной средам, а также к разным световым условиям.

Кроме того, результаты микроспектрофотометрии подтвердили разницу в спектрах воспринимаемого света, связанную с тем, что в водной среде, особенно в стоячей воде со множеством взвешенных частиц, спектр сдвинут в красную сторону, а в воздушной среде — в синюю. Ученые предполагают, что изменение экспрессии генов в условиях света и темноты может представлять собой форму адаптивной пластичности к кратковременным изменениям уровня света, что требует дальнейшего изучения как у лягушек, так и у других позвоночных животных.

Интересно, что у особей, содержавшихся в темноте и на свету, различалась активность 122 генов (всего 5% от общего числа). Это означает, что изменение условий освещения во время отбора проб (например, в полевых условиях) вряд ли окажет большое влияние на сравнительные исследования при молекулярно-эволюционном анализе. Обнаруженная большая разница в уровне экспрессии зрительных генов у головастиков и взрослых особей южной леопардовой лягушки — пример того, что в эволюции бесхвостых амфибий важную роль играет адаптивное расхождение разных стадий жизненного цикла.