«Самое слизистое» животное увеличило свой геном в три раза

Позвоночные — это обширная группа сложноорганизованных и крупных животных, играющих важную роль во многих современных экосистемах. По названию нетрудно догадаться, что все они имеют позвоночник — осевой скелет, который тянется вдоль тела. Позвоночные наряду с ланцетниками, оболочниками и рядом вымерших существ относятся к типу хордовые, который появился в начале палеозойской эры.

Понимание первых этапов эволюции позвоночных чрезвычайно важно для того, чтобы вписать их в общую родословную животных и описать связь между отдельными группами. В ранней «биографии» позвоночных много пробелов, но современная геномика шаг за шагом решает такие задачи. Совсем недавно биологи выяснили, как у ранних позвоночных появилась голова — для этого они детально описали эмбриогенез миноги. Новая статья в журнале Nature Ecology & Evolution посвящена миксине — другому представителю бесчелюстных, то есть примитивных позвоночных, которые в отличие от более «продвинутых» собратьев не имеют челюстей. В каком-то смысле миксины устроены проще миног, так как имеют только рудиментарные позвонки и лишены полноценного позвоночника.

Миксины — это очень своеобразные морские животные, эффективные хищники и падальщики, которые способны прогрызть в своей жертве дыру и пробраться внутрь или с легкостью завязаться узлом и «выпутаться» из этого положения. В этом им помогает чрезвычайно гибкое тело и уникальная адаптация — выделение огромного количества слизи, которая образуется из особых белков. Среднее животное массой 60 граммов может создать до 24 литров «слизи быстрого приготовления» на основе окружающей воды.

Родственные связи миног с миксинами долго оставались под вопросом. Внутреннее устройство этих существ говорит о том, что они не находятся в близком родстве и не менее далеки друг от друга, чем от челюстноротых — то есть остальных, более сложных позвоночных. Однако сейчас все больше генетических данных и эволюционных реконструкций показывают, что миноги и миксины все же имели общего предка и их следует объединить в одну группу. Эту версию подтвердили и результаты, полученные в новой статье.

Авторы впервые полностью секвенировали геном миксины — а именно пиявкорота Eptatretus burgeri. Иными словами, биологи «прочитали» полную последовательность ДНК этого существа, а затем сравнили ее с последовательностями других позвоночных. Геном пиявкорота оказался довольно крупным — 3,12 миллиарда пар оснований, что близко к размеру человеческого генома. В ДНК E. burgeri обнаружили 16,5 тысячи предполагаемых белковых последовательностей.

В гаплоидных (то есть половых) клетках миксины 26 хромосом. Однако среди них восемь — это так называемые микрохромосомы, которые разрушаются по мере развития зародыша. Они кодируют лишь единичные белки (два процента от общего количества) и богаты повторяющимися последовательностями ДНК.

Ранее биологи выяснили, что в начале эволюции предки позвоночных пережили два эпизода полногеномного удвоения. Иными словами, весь набор их хромосом стал вдвое больше. Первое удвоение пришлось на начало кембрийского периода (время появления основных современных групп животных), второе произошло где-то в позднем кембрии или в раннем ордовике. Однако оставалось непонятно, как эти события соотносятся с появлением челюстноротых рыб.

Полный геном пиявкорота стал хорошим подспорьем для решения этого вопроса. Оказалось, что первое полногеномное удвоение пережил еще общий предок круглоротых (то есть современных бесчелюстных: миног и миксин) и прочих позвоночных, включая рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих. Затем их эволюционные пути разошлись — прародитель челюстноротых снова удвоил свой набор хромосом (второй эпизод полногеномного удвоения), а бесчелюстные образовали отдельную ветку на эволюционном древе и тоже увеличили свой геном — только не в два, а в три раза.

Полиплоидизация — редкая для животных и более стандартная для растений перестройка генома с кратным увеличением числа хромосом. Принято считать, что она стимулирует усложнение организации животных и увеличение морфологического разнообразия. Однако описанный в новой статье пример миксин, которые утроили свой геном, но так и остались примитивными и однообразными по строению, поставил эту гипотезу под вопрос.