Вымирание стеллеровой коровы началось задолго до ее встречи с человеком

Стеллерова корова (Hydrodamalis gigas) — это вымерший вид, населявший прибрежную зону северной части Тихого океана в плейстоцене и голоцене. В позднем плейстоцене популяция стеллеровых коров процветала ее: ареал простирался от Японии до Калифорнии через Алеутские острова. Однако в раннем голоцене, по данным палеонтологических исследований, ареал значительно сократился и фрагментировался. Последняя популяция стеллеровых коров была обнаружена на Командорских островах — архипелаге в юго-западной части Берингова моря — во время Великой Северной экспедиции Витуса Беринга (1741 год). Одной из основных причин исчезновения H. gigas до сих пор считалось истребление человеком, от палеолитических охотников до мореплавателей XVIII века. Однако есть и другая гипотеза, выдвигающая на передний план потепление, которое произошло на стыке позднего плейстоцена и раннего голоцена.

В новой работе ученые из России собрали de novo ядерный геном одного из последних представителей H. gigas с Командорских островов и с его помощью восстановили историю всего вида. ДНК была получена из каменистой кости черепа стеллеровой коровы, хранившейся в Музее Мирового океана (Калининград, Россия). Сначала кость обрабатывали ультрафиолетом, затем превращали ее в порошок с помощью стоматологической бормашины и немедленно проводили выделение ДНК.

Ученые создали несколько ДНК-библиотек. Сначала они провели тестовое секвенирование с низким покрытием, чтобы отобрать библиотеки с относительно высоким содержанием эндогенной ДНК (принадлежащей H. gigas). Для четырех библиотек с долей эндогенных прочтений более 40% было проведено глубокое секвенирование. Хорошая сохранность черепа и древней ДНК позволила получить 25,4-кратное покрытие генома. Секвенирование проводилось на платформе Illumina.

Анализ SNP в геноме H. gigas проводили в сравнении с геномом американского ламантина (Trichechus manatus), современного представителя отряда сирен, к которому относится и стеллерова корова. Ученые обнаружили 39 300 780 SNP и 2 161 427 инделов. Они описали 8 514 вариантов, затрагивающих структуру белков и 30 956 вариантов, потенциально изменяющих функциональную эффективность белков. Эти варианты находились в генах, связанных с метаболическими, иммунными и гормональными путями. Гетерозиготность по аутосомным генам для H. gigas была значительно ниже, чем у дюгоня — современного родственника стеллеровой коровы. Она составила в среднем 1,19 гетерозиготных сайтов на 1 000 нуклеотидов.

Ученые составили список локусов в геноме H. gigas, находившихся под положительным отбором положительный отбор. В список среди прочих попали PEA15, SIRT6, LEP и VIMP, отвечающие за отрицательную регуляцию импорта глюкозы и связанные с диабетом и ожирением у людей, ген лептина LEP и ген ENAM, вовлеченный в формирование зубной эмали. Многие из этих локусов подвергались давлению положительного отбора и у других морских млекопитающих, что говорит о конвергентном характере их эволюции.

Частичная de novo сборка генома H. gigas состоит из 998 083 скаффолдов, показатель N50 равен 1345 нуклеотидам. Общий размер сборки — 1 239 млн. пар оснований. Размер митохондриального генома, определенного при сборке, — 16 896 пар оснований. Для филогенетической реконструкции видов клады Tethytheria, к которой относится H. gigas, использовали два митогенома: новый и более ранний, опубликованный этой же командой в 2018 году. Виды кластеризовались по классической схеме (положение стеллеровой коровы на филогенетическом древе не изменилось).

Популяционную историю H. gigas в сравнении с другими животными, пережившими период между поздним плейстоценом и ранним голоценом, изучили, применив к геномной сборке модель PSMC. Выяснилось, что стеллерова корова, как и родственный ей и доживший до наших дней дюгонь, прошли только одно бутылочное горлышко в процессе эволюции, тогда как ее современники — шерстистый мамонт и ленская лошадь — пережили два бутылочных горлышка в среднем и раннем плейстоцене.

Изменение климата на стыке позднего плейстоцена и раннего голоцена вызвало подъем уровня Мирового океана. Это привело к потере лежбищ и сокращению кормовой базы H. gigas. Результаты анализа геномных данных, приведенные в новой работе, в том числе относительно низкая гетерозиготность, подтверждают гипотезу о том, что стеллеровы коровы — в большей степени жертвы смены климата, а не людей. Этот вид находился в процессе вымирания задолго до встречи с палеолитическими охотниками, которая, вероятно, произошла 25 000—30 000 лет назад. Экспедиция Беринга наткнулась лишь на маленький осколок исчезающей популяции.

На вопросы PCR.NEWS отвечает руководитель исследования Артем Недолужко, кандидат биологических наук, научный сотрудник Нурландского университета (Nord University) в Норвегии.

Всегда ли используют бормашину при получении ДНК из образца кости?

Бормашина — один из вариантов. Иногда, если кость трудная, используется молоток. Мы работаем не только с костями. Для образца шкуры или мышечной ткани мы берем немножко другие методы. Все зависит от образца. В случае зубов или костей бормашина предпочтительна.

Почему геном стеллеровой коровы сравнивали с геномом американского ламантина?

Дело в том, что ближайшим видом к стеллеровой корове является дюгонь. Но к тому времени, когда мы проводили анализ, геномной сборки дюгоня не было. Поэтому мы использовали ламантина как наиболее близкий организм.

При этом анализ гетерозиготности можно было провести в сравнении с дюгонем?

Да, потому что сырые данные отсеквенированного дюгоня доступны в базе NCBI, и мы их использовали. Но сборки нет. Конечно, можно было взять чужие данные и сделать сборку, но мы решили не делать. У нас группа маленькая, это удлинило бы работу, а там очень большая конкуренция была. Нас немцы преследовали, впрочем, как и другие группы.

Вы успели первыми?

Да. Это первый геном стеллеровой коровы и первый для России палеогеном, сделанный в России. Археологический и палеонтологический материала сейчас принято обрабатывать за рубежом. Но геном стеллеровой коровы показывает, что работу можно проводить и в России.

Показатель гетерозиготности говорит о вымирании стеллеровой коровы?

Мы работали с образцом из последней популяции, с Командорских островов. Есть некоторые археологические находки на Алеутских островах и на Аляске, но считается, что популяция стеллеровой коровы на Командорских островах была последней. Мы показываем, что гетерозиготность была понижена относительно современного дюгоня в целом. По описаниям Стеллера, который участвовал в экспедиции Беринга, в популяции было 2 000 особей, но все они, по-видимому, были инбредные. Мы предполагаем, что они были обречены.

Какое значение имеют данные о конвергентной эволюции H. gigas?

Если мы сравниваем стеллерову корову с выжившими морскими млекопитающими по генам, которые находились под положительным отбором, мы видим, что некоторые гены совпадают. Но современные морские млекопитающие выжили, поскольку они были более приспособленными. У стеллеровой коровы так устроено тело, что она не могла глубоко нырять. Когда уровень океана повысился, она потеряла много пастбищ. Ламинария растет на разных глубинах, но где-то стеллерова корова просто не могла до нее донырнуть. То, что у H. gigas и других морских млекопитающих совпадает часть генов, находящихся под положительным отбором, — это нормально. Они обитают в одинаковых условиях и, естественно, часть генов эволюционирует сонаправленно, конвергентно.