Природа повторила редкую мутацию крови в двух линиях рыб

Фото из открытых источников

Две совершенно не связанные между собой группы рыб независимо друг от друга утратили функциональные эритроциты, что доказывает, что белые кровяные клетки возникали более одного раза в ходе эволюции позвоночных. Результаты исследования были опубликованы в журнале Current Biology.

Полученные данные пересматривают представление о том, как могут возникать экстремальные характеристики транспорта кислорода, и показывают, что идентичные результаты не обязательно требуют общей генетической истории.

Это осознание укрепилось, когда выяснилось, что у стройной линии тепловодных рыбок-лапши наблюдается то же самое состояние белой крови, которое долгое время ассоциировалось только с антарктическими ледяными рыбами.

Доказательства этой параллели появились после того, как Х. Уильям Детрич из Северо-восточного университета задокументировал, что бескровие у ледяных рыб является результатом потери генов, переносящих кислород. Затем он вместе с китайскими коллегами изучил, наблюдается ли подобная ситуация и в других местах.

Эти полногеномные сравнения показали, что рыба-лапша достигла бескровности благодаря иному механизму генетического повреждения, а не повторив путь рыбы-льда. 

В совокупности полученные результаты установили общий физиологический результат, сформированный различными эволюционными историями. Это позволяет провести более глубокое сравнение того, как каждой линии организмов удалось выжить без красных кровяных клеток.

Большинство рыб зависят от красных кровяных клеток, потому что эти клетки накапливают кислород в крошечных пространствах и быстро перемещают его по организму. Внутри каждой клетки гемоглобин, белок, связывающий кислород и высвобождающий его, захватывает кислород в жабрах и доставляет его в ткани организма.

Мышцы также используют миоглобин — белок, который удерживает кислород внутри клеток, поэтому пловцы могут продолжать работать, когда потребность в кислороде возрастает.

Когда гены деактивируют эти пигменты, рыбам приходится полагаться на растворенный кислород и перестраивать кровообращение, что сужает зону, в которой животные могут нормально развиваться.

У ледяных рыб целые блоки генов гемоглобина исчезли, поэтому животные перестали вырабатывать красные кровяные клетки на протяжении миллионов лет. Холодная вода Южного океана содержит больше растворенного кислорода, что снижает давление, необходимое для упаковки кислорода внутри клеток.

«Это означает, что антарктические ледяные рыбы могут полагаться на кислород, физически растворенный в их крови», — сказал Детрич.

Однако это преимущество холодной воды не могло объяснить, как рыба-лапша выживала без красных кровяных клеток в местах обитания, удаленных от полярных морей.

Исследователи секвенировали геномы 11 видов рыбы-лапши и отследили повреждения, вызванные изменением генов кислорода в их популяциях, обнаружив закономерность, которая не совпадала с той, что наблюдалась у рыбы-льда.

У всех 12 видов команда обнаружила отсутствие гена миоглобина, что указывает на единичную раннюю утрату этого гена у их общего предка.

Вместо удаления генов гемоглобина, каждая линия лапшевидных рыбок несла в себе более мелкие мутации, которые блокировали производство функциональных белков в красных кровяных клетках.

Эти несовпадающие повреждения привели к одному и тому же результату – появлению белых кровяных клеток, но оставили отчетливые генетические следы в геномах рыбы-лапши и рыбы-льда.

Азиатские лапшевидные рыбы живут всего один год, и этот короткий промежуток времени приводит к тому, что они впадают в своего рода неотению — состояние, при котором сохраняются ювенильные черты.

Взрослые особи размножаются ближе к концу года, но остаются худыми и прозрачными, а их кровь никогда не становится красной.

Исследования личинок рыб показали, что кожа может обеспечивать большую часть кислорода на ранних стадиях развития, до того, как жабры начнут переносить основную нагрузку.

Сохраняя ювенильные биологические функции во взрослом возрасте, рыбы-лапша сделали красные кровяные клетки необязательными, так что поврежденные гены, отвечающие за кислород, могли сохраняться, не вызывая их гибели.

При снижении содержания кислорода в крови обе группы рыб компенсировали это увеличением объема перекачиваемой жидкости и расширением сети мелких сосудов.

Новый анализ указал на ангиогенез, рост новых кровеносных сосудов и гены развития сердца, которые изменились под воздействием сильного отбора.

В более ранних исследованиях антарктических ледяных рыб были описаны увеличенные сердца и больший объем крови, которые помогали доставлять достаточное количество кислорода к тканям.

Эти усовершенствования требуют энергии и места, что отчасти объясняет, почему рыба, лишенная гемоглобина, остается редкой и ее популяция строго ограничена.

Биологи называют это конвергентной эволюцией — возникновением схожих признаков независимо друг от друга, поскольку две линии не унаследовали бескровность одновременно.

В статье также использовался подход, основанный на исторической случайности, на том, как случайные события влияют на дальнейшее развитие событий, чтобы объяснить, почему генетические повреждения выглядят настолько по-разному.

Одним из возможных триггеров был транспозон — генетическая последовательность, способная перемещаться и нарушать работу генов за один шаг.

После того как эти несчастные случаи произошли, естественный отбор мог работать только с остатками, отдавая предпочтение организмам, которые всё ещё удовлетворяли потребность в кислороде.

Ареал распространения азиатской рыбы-лапши простирался от восточной России до Вьетнама, пересекая Китай, Корею и Японию в более теплых прибрежных и речных водах.

«У них нет преимущества холодной и богатой кислородом среды, как в Южном океане», — сказал Детрич.

Рыба-лапша оставалась стройной, часто всего от пяти до 25 сантиметров в длину, что позволяло тканям находиться близко к кровеносным сосудам. Такая планировка тела уменьшает расстояние, на которое кислород может доставляться, однако в теплых средах может быть меньше кислорода, что создает дополнительный стресс.

Находка, связанная с рыбой-лапшой, позволяет предположить, что исследователи, возможно, упустили из виду других позвоночных, которые незаметно выделяют кислородсодержащие белки, когда условия позволяют им выживать.

Теперь команды могут сканировать геномы рыб на наличие нарушенных генов, отвечающих за транспорт кислорода, а затем проверять, как это влияет на работу сердца, объем крови и поведение.

«Оказывается, существует гораздо больше видов, чем мы думаем, которые не используют красные кровяные клетки для переноса кислорода», — сказал Детрич.

Каждый новый случай уточнял бы то, что биологи могут предсказывать, опираясь исключительно на генетику, и то, что по-прежнему зависит от истории.

Эти две группы рыб достигли одной и той же конечной точки — белой крови, однако их гены и жизненные циклы показали разные пути к этому.

Исследователям потребуются полевые исследования и лабораторные анализы, чтобы выяснить, какие компенсационные механизмы наиболее эффективны, а какие оказываются неэффективными.