В геноме древесной лягушки обнаружены адаптации к полету

Китайские ученые проанализировали геномы планирующей древесной лягушки Rhacophorus kio и ее нелетающего собрата Rhacophorus dugritei. Результаты говорит о том, что способность к лазанию и планированию на межпальцевых перепонках обеспечила эволюция генов, отвечающих за развитие конечностей и клеток кожи, а также за рост сосудов.

Изображение:

Rhacophorus nigropalmatus

Credit:

123rf.com

Команда под руководством исследователей из Китайской академии наук, описала адаптации летающих лягушек (род Rhacophorus) к древесному образу жизни. Среди них — ускоренную эволюцию генов, регулирующих развитие конечностей, замену в гене кератинового цитоскелета, а также участие сигнального пути Wnt и генов развития сосудов.

Древесные лягушки способны лазать и планировать с ветки на ветку. Развитие присосок, а также бугорков на пястных костях и Y-образных элементов внутри концевых фаланг пальцев, поддерживающих клейкие подушечки, позволяет им удерживаться на ветках за счет капиллярных сил и трения. А полет между ветками, вероятно, связан с наличием межпальцевых перепонок. Подобное строение конечностей позволило древесным лягушкам освоить экологическую нишу, недоступную для большинства земноводных. Например, лягушка Rhacophorus kio обитает в кронах деревьев высотой до 57 м. На такой высоте ей не угрожают наземные хищники и доступны новые пищевые ресурсы. Для этого вида характерны ошбирные межпальцевые перепонки.

В то же время молекулярные механизмы, лежащие в основе этих адаптаций, оставались нераскрытыми. Для их изучения исследователи выбрали лягушек двух видов: Rhacophorus kio, способную к полету, и нелетающую Rhacophorus dugritei со слабо развитыми перепонками, которая живет на земле, среди кустарников и болот.

Ожидаемо, лягушки R. dugritei при падении с высоты 1–2 м не вытягивали лапки и покти не планировали, в отличие от R. kio. Ученые отметили, что способность к полету зависит не только от наличия перепонок, но и от размера и массы тела земноводных.

Исследователи секвенировали и собрали de novo геномы этих двух видов. Дальнейший анализ и сравнение с генетическими данными лягушек Xenopus, Nanorana parkeri, Rhinella marina, а также рептилий, птиц и млекопитающих позволил выделить гены, которые эволюционировали у Rhacophorus быстрее или подверглись положительному отбору. В их число вошли гены, необходимые для формирования конечностей, как, например, Fgfr2, C2d2a, Zak, Dlx5, Sf3b4 и Bbs.

Ген Ppl содержал замену, консервативную в пределах рода Rhacophorus. Этот ген кодирует белок периплакин, который регулирует организацию цитоскелета в клетках кожи, в том числе на подушечках пальцев, через взаимодействие с кератиновыми белками. Альфа-кератины в подушечках пальцев у летающих лягушек весьма разнообразны: идентифицировано 48 генов, кодирующих кератины I типа, и 23 гена кератинов II типа. Эти генетические особенности представляют собой адаптацию для лазания и хватания — обеспечивают прочное сцепление лапки с субстратом.

Строение перепонки, очевидно, определяется на ранних этапах развития. Ученые проследили за формированием задней конечности у головастиков R. kio и R. dugritei и определили ключевой период формирования межпальцевых перепонок. Анализсети коэкспрессии генов, упорядоченной во времени (time-ordered gene coexpression network, TO-GCN) выявил различия в экспрессии генов, принадлежащих сигнальному пути Wnt и регулирующих формирование конечности, на стадии дифференцировки пяти пальцев. По мнению авторов, эти гены могут регулировать размеры перепонки у амфибий, что согласуется с данными по морфологии саламандр.

На последующих стадиях ученые заметили активацию сети генов, включающей Hes5 и Ednrb и связанной с организацией сосудов в конечности. Вероятно, активация способствует росту перепонки за счет увеличения числа сосудов, переносящих питательные вещества и сигнальных молекул.

Таким образом, важную роль в эволюции лазания и планирования у древесных лягушек сыграли гены, управляющие формированием скелета конечностей и клеток кожи пальцев. Исследователи выявили ключевую сеть генов, совместная экспрессия которых участвует в формировании перепончатых задних конечностей, и раскрыли молекулярные основы этих необычных особенностей. Авторы, однако, отметили, что они не провели транскриптомное исследование передней лапки, хотя перепонки на них должны быть еще более важными для освоения высот, чем перепонки задних лапок, которые помогают лягушке плавать. было бы интересно сравнить паттерны экспрессии в передней и задней конечности.

Источник

Wu Wei, et al. Genomic adaptations for arboreal locomotion in Asian flying treefrogs. // PNAS, 2022, published 14 March 2022. DOI: 10.1073/pnas.2116342119

Добавить в избранное

Вам будет интересно