Что скрывает геном гигантского кальмара: новое исследование ученых

Ученые секвенировали геном гигантского кальмара (Architeuthis dux) – животного, являющегося одним из самых крупных и столь же неуловимых. Расшифровка генома кальмара может пролить свет на эволюцию генов различных животных, а также человека.

Гигантский кальмар относится к головоногим моллюскам, это родственник осьминога. В древности исполинский морской монстр из скандинавского фольклора Кракен (ученые считают, что им как раз и был гигантский кальмар) пугал моряков, плывущих на кораблях вдоль прибрежных вод Норвегии и Гренландии. 

В современной неврологии используются гигантские аксоны обыкновенных кальмаров: от 0,5 до 1,5 миллиметра в диаметре и почти метр длиной – достаточно крупные для экспериментов, связанных с проводимостью нервных импульсов.

Неожиданная помощь от родственников головоногих

Довольно непросто получить достаточное количество останков гигантских кальмаров, чтобы изучить их ДНК, однако исследователи использовали анализ митохондриальной ДНК, который подтвердил тот факт, что гигантские и обычные кальмары принадлежат к одному и тому же виду. Однако для получения полного генома необходимо большое количество материала для ДНК, а гигантского кальмара не так просто найти.

При этом нельзя использовать музейные образцы: из подгнившей и законсервированной плоти трудно извлечь и сохранить нетронутую ДНК. К счастью, новозеландские рыбаки смогли отправить свежезамороженный образец ткани гигантского кальмара международной исследовательской группе, которая приступила к работе над геномом. 

«Новые результаты могут пролить свет на некоторые эволюционные вопросы, касающиеся гигантских кальмаров», – отметил ведущий исследователь Руте да Фонсека из Университета Копенгагена. 

Однако выяснилось, что многие гены кальмара были повреждены. Поэтому исследователи обратились к анализу РНК-мессенджеров (мРНК) и белков, взятых у родственников гигантского кальмара. 

В качестве представителей видов моллюсков были отобраны обыкновенный крючьеносный кальмар, или кальмар Бэнкса, кальмар Гумбольдта и уаланский летающий кальмар. Ученые взяли образцы из мозга, печени и гениталий, а также отобрали белки из мантии музейных особей калифорнийского двухточечного осьминога, тихоокеанской устрицы и гигантского морского блюдечка (род брюхоногих моллюсков).

Сопоставляя РНК и выводя последовательности нуклеотидов ДНК, исследователи смогли выделить геном гигантского кальмара.

Какие гены были обнаружены у гигантского кальмара

Геном гигантского кальмара включает в себя 33 406 генов и 2,7 млрд пар оснований ДНК, по сравнению с 20 000 генов человека и 3,2 млрд соответственно. Около половины генома кальмара – повторяющиеся последовательности, что не удивительно, поскольку геномы человека, кукурузы и насекомых также имеют повторяющиеся последовательности. Ученые считают, что они являются базой для эволюции.

Геном гигантского кальмара похож на геном других животных тем, что содержит группы генов со связанными функциями. Так, он имеет несколько генов WNT, которые кодируют секрецию факторов роста гликопротеина, участвующих в межклеточной передаче сигналов, контролирующей пролиферацию клеток на ранних этапах развития. Возможно, в этом кроется причина гигантского размера этих моллюсков.

Также в геноме обнаружили гены, кодирующие белки протокадгерины. Они контролируют клеточную адгезию, необходимую для функционирования нервной системы. Кроме того, были обнаружены гены рефлексины, свойственные исключительно головоногим моллюскам. Они обеспечивают способность к маскировке.

Гигантский кальмар может редактировать собственную РНК

Способность редактировать РНК дает возможность связывать различные белки, особенно участвующие в функционировании нервной системы.

Такие отредактированные участки РНК находятся в высококонсервативных последовательностях ДНК, а это означает, что они практически идентичны у многих видов. Высококонсервативные последовательности сохраняют стабильность, в то время как отредактированные участки РНК обеспечивают гибкость, что способствует образованию нейронов, химических соединений и возбудимости. 

Другой важной характеристикой генома гигантского кальмара является дисперсия его гомеотических (гомеозисных) генов. Эти гены определяют, в каком месте должны образоваться части тела по отношению друг к другу.

Мутации в гомеотических клетках могут вызвать превращение одной части тела в другую – в частности, они ответственны за некоторые болезни людей.

Самое удивительное в гомеотических генах – это то, что они расположены на одной (реже – четырех) хромосомах в строгом порядке. Впрочем, это не относится к геному гигантских кальмаров. Их гомеотические гены разбросаны среди хромосом. 

Ученые считают, что потеря (так же, как и появление) гомеотических генов в определенных хромосомах может сильно изменить тело животных. Например, потеря основного гомеотического гена у паутинных клещей вызывает уменьшение количества сегментов. Возможно, в древности у предка гигантского кальмара произошла какая-то мутация, которая привела к трансформации его тела до нынешних размеров. Пока это остается гипотезой, требующей подтверждения и дальнейших исследований.