Геном шпорцевой лягушки подивил сходствами с млекопитающими

Объектом изучения стала африканская шпорцевая лягушка вида Xenopus tropicalis. Теперь она стоит в одном ряду с такими распространёнными модельными организмами как мышь, крыса, рыбка данио рерио, круглый червь, дрозофила и гидра.

X. tropicalis стал пользоваться особенной популярностью у биологов в последние десять лет. Однако самой известной модельной лягушкой был и остаётся вид X. laevis (обыкновенная шпорцевая лягушка). Она используется учёными ещё с 40-х годов прошлого века, когда её начали широко применять в качестве теста на беременность.

Некогда обнаружилось, что лягушки необычайно чувствительны к гонадотропину хориона человека (HCG), гормону, свидетельствующему о наступлении беременности (его же "ищет" стандартная аптечная тест-полоска). Если в присутствии женской мочи земноводное производило икру в течение 8-10 часов, то это считалось положительным результатом анализа.

Геном X. tropicalis (слева) расположен на 10 парах хромосом, у X. laevis (справа) по четыре копии каждого гена и к тому же 18 пар хромосом (фото Science/AAAS).

Со временем же выяснилось, что на примере X. laevis очень удобно изучать развитие эмбрионов и клеток. Оба вида шпорцевых лягушек легко размножаются в неволе, у них крупные икринки и прозрачные головастики, что облегчает наблюдение за происходящим в организме земноводных.

Поначалу в претенденты на секвенирование генома предлагали именно X. laevis. Но X. tropicalis всё же оказалась удобнее: она чуть меньше по размеру и взрослеет всего лишь за четыре месяца (обыкновенной шпорцевой на это нужно два года). Всё это упрощает мониторинг фенотипов и индивидуальных генетических мутаций.

С точки зрения нынешнего исследования она была выгодна ещё и тем, что обладает геномом с двойным набором хромосом, а у X. laevis их ещё в два раза больше, что, конечно же, затрудняет изучение. Как говорит один из авторов работы Джон Уоллингфорд (John Wallingford) из университета Техаса в Остине, "в те времена нам было страшно подумать, что мы возьмёмся за подобную головоломку".

Дело в том, что анализ ДНК земноводного начали ещё в 2002 году, до того как появились новые техники секвенирования. К 2005 году был получен черновой вариант последовательности генов. Теперь же на руках у учёных не только код ДНК, но и некоторые первые выводы (читайте статью в журнале Science).

Крупные икринки позволяют легко ввести внутрь них нужные вещества, что фактически превращает их в своеобразные большие сферические пробирки (фото Richard Harland/UC Berkeley).

Самое интересное, что выяснили учёные – это множественные соответствия кусков кода земноводного таковым у мыши и человека: большие последовательности генов на нескольких хромосомах были выстроены в том же порядке, что и у млекопитающих.

"Мы обнаружили, что целые мегабазы в некоторых генах почти не изменили своё строение с тех пор, как амфибии, птицы и млекопитающие разошлись на отдельные ветви эволюционного древа", — рассказывает Уффе Хелстен (Uffe Hellsten) из Объединённого института генома (Joint Genome Institute).

По подсчётам учёных, общий предок упомянутых существ существовал на Земле около 360 миллионов лет назад. Однако данные выводы нельзя распространить на всех позвоночных: так последовательность генов данио рерио весьма отличается.

Тем не менее, "наши данные свидетельствуют: хромосомные перестройки в процессе эволюции были не так уж и часты", — добавляет Ричард Харлэнд (Richard Harland) из университета Калифорнии в Беркли. Кстати, ввели учёных в заблуждение быстро эволюционирующие грызуны.

Некоторые биологи сравнивают нынешние генетические исследования с археологическими раскопками: теперь можно судить о предках современных существ и об истории эволюционного развития ДНК, как у млекопитающих, так и у амфибий.

Головастик X. tropicalis с появившимися задними конечностями. Сквозь кожу головы видны нервы, парная вилочковая железа и крупные кровеносные сосуды. Подобные "подарки природы" – редкость, чаще всего прозрачных животных приходится специально выводить (фото Siwei Zhang, Jingjing Li, Enrique Amaya/Science).

Что касается применения полученных данных, то прежде всего они пригодятся в изучении человеческих заболеваний: установлено, что около 1700 из более чем 20 тысяч генов X. tropicalis идентичны "болезнетворным" генам людей. Это означает, что на лягушках можно будет моделировать болезни и опробовать их лечение.

"Доступ к коду Xenopus позволит изучить влияние на их гены химикатов, встречающихся в воде озёр и рек и имитирующих гормоны земноводных", — говорит в пресс-релизе университета Калифорнии в Беркли Уффе.

Эти вещества нарушают обменные процессы в организме животных и приводят к уменьшению их популяции. Кстати, не меньший вред они могут наносить и человеку, так что исследования в этой области станут не лишними.

В лаборатории Харлэнда сейчас проводятся опыты по изучению функций генов земноводных: биологи вводят в икринки нуклеиновые кислоты для активации и "отключения" тех или иных составляющих ДНК, а затем смотрят, как это отражается на выработке белков и остальных процессах.

А ещё учёные взялись за расшифровку ДНК X. laevis, построить который теперь будет проще. Современные технологии позволят также снизить затраты до одного миллиона долларов США (что в 20 раз меньше средств, использованных в нынешнем проекте).

Чуть позже планируется сравнить полученную информацию с геномом "тропического" собрата. Возможно, это прольёт свет на вопрос о том, зачем природа придумала увеличивать количество копий генов, и что этот процесс даёт организму.