Генетические изменения в процессе эволюции животных происходили намного раньше, чем внешние: в ходе крупного международного проекта расшифровки геномов группа российских и зарубежных ученых изобрела метод определения конкретных участков хромосом (или горячих точек), где происходили кардинальные перестройки геномов.
Фото: Юрий Мартьянов, Коммерсантъ / купить фото
Долгое время науке было неизвестно, как и почему за миллионы лет хищные животные становились травоядными копытными, как это произошло, например, с коровой и другими жвачными. Палеонтологи построили свою теорию эволюции, основываясь на постепенных морфологических изменениях, которые подтверждались останками скелетов древних животных. Однако с появлением генетических методов выяснилось, что животные, внешне похожие на ежей или землероек, кардинально отличались между собой по типу питания и образу жизни, поскольку уже тогда они были далекими предками разных современных животных — китов, дельфинов, жирафов, слонов и коров. Киты и дельфины до сих пор остаются плотоядными в отличие от других животных древней группы китопарнокопытных. Остальные, кроме свиней, стали травоядными. Почему это происходило — вполне очевидно, ведь доступность растительной пищи не сравнится с животной.
Но каким образом это стало возможным?
— Способность переваривать растительную пищу стала величайшим достижением эволюции,— объясняет один из авторов публикации, вышедшей в марте 2019 года в ведущем генетическом научном журнале Genome Research Александр Графодатский из Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН.
— У современной коровы в желудке целых четыре отдела, в части которых живут бактерии, которые помогают ей переваривать траву.
Хищники не способны ее переварить. Среди копытных их осталось немного. У кабарги, например, до сих пор сохранились способность есть животную пищу и массивные клыки. Один из древних предков копытных — крошечный зверь под названием оленек — до сих пор существует и проживает в южноазиатских странах, где питается крабами и мелкими грызунами.
В работе, поддержанной проектом РНФ № 16–14–10009, с помощью биоинформатики мы подбирали наборы BAC-клонов из районов, предположительно перестроенных, и которые мы не видели традиционными методами молекулярной цитогенетики. В ИМКБ СО РАН мы локализовали эти клоны на хромосомах видов парнокопытных и смотрели, какие именно «скрытые» перестройки происходили в эволюции. Партнеры из Китая пересеквенировали и анализировали эти районы и выявили многие ранее скрытые геномные события в эволюции китопарноколпытных. Самым интересным стало обнаружение возникающего при этих перестройках своего рода «волнения» геномов, существенным образом изменяющего регуляцию целых групп генов. Вполне вероятно,— и тех, что меняли функцию при изменении типа питания у жвачных. Это предположение окончательно подтвердится после детального и полного изучения именно этой геномно-эволюционной загадки.
За последние годы в отделе разнообразия и эволюции геномов ИМКБ СО РАН собрана коллекция клеток и ДНК более сотни важнейших с точки зрения эволюции видов нового таксона китопарнокопытных, включающего свиней и верблюдов, жирафа и окапи, оленей, антилоп, овец и коров, бегемотов и их родственников — китов и дельфинов. Хромосомы некоторых видов были отсортированы и использованы в качестве молекулярных проб для локализации на хромосомах других видов. Например, хромосома одной коровы метится определенным веществом и локализуется на хромосомах верблюда или кита. Этот метод, называемый хромосомной живописью (или ZooFISH), позволяет определять гомологичные районы хромосом, то есть участки геномов, идентичные по генному содержанию, и их перестройки. Кроме хромосом копытных ученые использовали в качестве зондов и хромосомы человека, что позволило сразу сравнивать гомологичные районы хромосом копытных и наиболее изученного генома человека. Таким образом им удалось определить сходство и различия геномов человека, свиньи, верблюдов, коровы, жирафы и окапи, косули и вилорога, бегемотов и китов, редчайших малазийских оленьков и даже саолы — «тянитолкая» из джунглей Вьетнама, единственный известный науке экземпляр которого есть в российской коллекции.