Медиатека

Тандемные повторы, «внутренние часы» и много миозина: как криль адаптируется к условиям Антарктики

Криль, ракообразное отряда Euphausiacea, обитает в пелагической зоне океанов и играет важную роль в пищевой цепочке: он участвует в поддержании трофических связей между первичными продуцентами и организмами на более высоких уровнях пищевой цепи – от водорослей до морских млекопитающих. Несмотря на небольшой размер, биомасса антарктического криля (Euphausia superba; Рис. 1) превышает биомассу любого другого вида животных на планете (500 млн тонн).

Рисунок. 1. Фотография Euphausia superba 1.

Как показали результаты нового исследования, опубликованного в журнале Cell, размер генома антарктического криля составляет 48 Гб (гигабаз или млн пар оснований) – в 16,5 раз больше, чем у человека, – и содержит 28 834 функциональных гена 1, 2. По всей видимости, в прошлом размер генома Euphausia superba был ещё больше. Приблизительно 10 млн и 100 тыс. лет назад, в период глобальных изменений климата, количество генов криля значительно сократилось. Однако несмотря на потери, геном современных представителей этого вида все ещё один из самых больших (на 50% больше, чем у мексиканского аксолотля, и на 20–30%, – чем у двоякодышащих рыб) 1, 3, 4. Учёные предполагают, что это связано с увеличением количества и длины тандемных повторов и копий генов, отвечающих за сезонные изменения физиологических и биохимических процессов 1. Другой особенностью антарктического криля является наличие уникальной внутренней системы «отсчёта времени», которая помогает ему выживать в экстремальных погодных условиях (Рис. 2).

Рисунок 2. А. Эволюционные потери (красным) и приобретения (синим) семейств генов у 12 видов беспозвоночных. Время расхождения для каждой ветви указано в млн лет. Б. Сравнение размера генома у родственных беспозвоночных. 1

Чтобы узнать, какие особенности генома позволили небольшому ракообразному столь успешно адаптироваться к резким изменениям климата, учёные провели ДНК- и РНК-секвенирование. Длинные и короткие риды (фрагменты ДНК от 25 до 20 тыс. нуклеотидов) получали из ДНК-клеток мышечной ткани с помощью полногеномного секвенирования, высокоточного консенсусного секвенирования и метода захвата конформации хромосомы Hi-C (chromosome conformation capture) 5. Полученные после выделения библиотеки секвенировали на платформе MGI. Секвенирование РНК проводили из образцов клеток головы, глаз, жабр, мышц и придатков.

Оказалось, что экспрессия некоторых генов зависела от сезонных изменений светового и температурного режимов: повышалась зимой, снижалась летом и наоборот. Например, в условиях изобилия пищи и длинного светового дня у криля повышалась экспрессия генов вителлогенина (белок предшественник желтка) и вителлогенеза, а также генов, запускающих линьку. В зимний период активировалась экспрессия гена липазы для сохранения энергетических ресурсов и гена NEMO. У мушек Drosophila NEMO кодирует серин/треонин киназу, которая играет важную роль в регуляции циркадных ритмов (Рис. 3) 6.

Рисунок 3. Схема регуляции генов циркадных ритмов у Euphausia superba в летний (слева) и зимний (справа) периоды. Розовый – гены с сезонными изменениями экспрессии («внутренние часы»; CRY1, CLK, PDP1, NEMO); жёлтый – гены без сезонных изменений активности. E-box (Е-боксы) – последовательности ДНК в промоторах генов, способные связываться с факторами транскрипции, в том числе факторами транскрипции генов циркадных ритмов CLOCK (CLK) и CYCLE (CYC), и облегчать присоединение других регуляторных молекул. 1

Атлантический криль стал лидером по длине сателлитных повторов (по сравнению с близкородственными ракообразными Procambarus virginalis и Litopenaeus vannamei) и по количеству генов миозина. Последних оказалось в 16 раз больше, чем у других видов (69 генов). Учёные связывают это с необходимостью длительное время поддерживать повышенный тонус мышц в зимний период.

С помощью уже привычных нам методов молекулярной биологии и генетики исследователям удалось пролить свет на ещё один уникальный эволюционный механизм, который обеспечивает скоординированные сезонные изменения физиологических, биохимических и генетических процессов, помогая небольшому ракообразному эффективно адаптироваться к суровому климату Антарктики и оставаться одним из самых многочисленных диких животных на Земле.



Литература

1. Shao et al. The enormous repetitive Antarctic krill genome reveals environmental adaptations and population insightsCell, 2023.

2. Gonzaga-Jauregui C. et al. Human genome sequencing in health and disease. Annual Review of Medicine, 2022.

3. Schloissnig S. et al. The giant axolotl genome uncovers the evolution, scaling, and transcriptional control of complex gene loci. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2021.

4. Wang K. et al. African lungfish genome sheds light on the vertebrate water-to-land transitionCell, 2021.

5. van Berkum N.L. et al. Hi-C: a method to study the three-dimensional architecture of genomes. Journal of visualized experiments, 2010.

6. Hayasaka N. et al. Salt-inducible kinase 3 regulates the mammalian circadian clock by destabilizing PER2 protein. eLife, 2017