Раскрыта тайна быстрой модификации яда у змей

Группа биологов из Великобритании и США смогла расшифровать геномы двух змей — тигрового питона и королевской кобры. В результате выяснилось, что активность генов питона меняется в зависимости от того, сыт он или голоден. А у кобры имеется множество копий участков ДНК, отвечающих за производства яда, - это нужно для быстрой модификации токсинов.

Фото:

Во время нынешнего года Черной Водяной Змеи, который, как мы помним, закончится 31 января 2014 года, ученые сделали несколько интересных открытий, которые были напрямую связаны с этими рептилиями. И самым крупным из них была, несомненно, расшифровка генома двух змей — тигрового питона (Python bivittatus) и королевской кобры (Ophiophagus hannah). Интересно, что это первое масштабное исследование ДНК данной группы животных — до этого молекулярные биологи почему-то уделяли змеям мало внимания. И, как выяснилось, совершенно напрасно.

Геномом питона занималась группа биологов из Техасского университета в Остине (США), которой руководил герпетолог Тодд Кэстроу. Интересно, что исследователи не просто прочитали ДНК этой змеи, но еще и сравнили активность питоньих генов в сердце, печени, почках и тонком кишечнике до еды и после, то есть через сутки, через четыре дня после угощения. В результате они обнаружили, что проглоченная пища заставляла работать иначе почти половину этих участков ДНК, и изменения эти происходили в течение 48 часов. Итогом этой смены активности было ускорение метаболизма змеи почти в 40 раз, а внутренние органы питона, то есть кишечник, почки и печень за три дня вдвое увеличивались в размерах.

Однако куда более сенсационные открытия сделала группа ученых под руководством Николаса Кэйсвелла из Бангорского университета (Великобритания), которая занималась расшифровкой генома королевской кобры. Здесь исследователей в первую очередь интересовали те участки ДНК змеи, которые отвечают за выработку страшного яда королевской кобры (напомню, что человек, которому эта змея ввела всего 7 мл своего нейротоксина, умирает от остановки дыхания через 15-20 минут). Уже давно было известно, что эта "адская смесь" состоит из 73 различных пептидов и белков. Ученые хотели узнать, сколько же генов "руководят" созданием данного смертоносного "коктейля".

В конечном итоге было установлено, что в производстве яда у кобр задействовано 20 семейств генов. Однако самое интересное заключалось в том, что все эти участки ДНК имели множество копий — и такая ситуация наблюдалась не только в клетках ядовитых желез, но и вообще во всех клетках тела рептилии. Биологи предположили, что такой "запас" нужен был змее для того, чтобы при надобности изменить формулу яда — ведь если хотя бы одна из копий в процессе эволюции мутирует, то состав токсичного вещества будет уже несколько другим.

Такая стратегия является достаточно выгодной для змеи — в процессе эволюции ядовитые рептилии вынуждены постоянно совершенствовать свой яд, поскольку их жертвы одновременно становятся более устойчивыми к тем токсинам, которыми они их травят. Особенно это актуально для королевской кобры, которая питается в основном другими ядовитыми змеями (то есть является змеиным "сверххищником"), а уже давно известно, что те, кто имеет собственный токсин, достаточно быстро привыкают и к действию чужого. Вот и получается, что жизнь змеи в буквальном смысле зависит от яда, поскольку ничего, кроме него, она противопоставить противнику не может — и именно поэтому для обеспечения надежности главного оружия королевской кобры выделены столь масштабные генетические ресурсы.

Под конец ученые из обоих групп решили провести еще одно исследование — они захотели сравнить между собой геномы питона и кобры, а также сопоставить результат с ДНК других позвоночных, в том числе с наследственным веществом одного из ядовитых видов млекопитающих, то есть утконоса. Для этого из геномов обеих рептилий выбрали около семи с половиной тысяч генов, присутствующих в их ядрах в одном экземпляре. В итоге выяснилось, что генетические изменения в ДНК змей шли с огромной скоростью, намного превышающей показатели других животных.

Любопытно также, что общее количество генетических модификаций у змей тоже было намного больше, чем у других позвоночных, в том числе и у утконоса. В статье, опубликованной в журнале PNAS ученые высказывают предположение, что все эти особенности могут быть связаны с тем, что форма тела, образ жизни и прочее у змей настолько необычны, что без масштабных генетических изменений, без сильнейших перестроек, которые позволили бы приспособиться к выбранной нише, в процессе их эволюции было не обойтись.

Авторы работы также отметили одну интересную особенность молекулярной эволюции змей: многие изменения их генома заключались не столько в том, как происходило управление уже существующими генами, сколько в появлении новых участков ДНК. Это весьма нетипично — считается, что основным молекулярным инструментом эволюции является перенастройка регуляции генов, то есть внесение изменений в регуляторные области, но совсем не появление новых кодирующих блоков ДНК. Однако змеи оказываются некоторым исключением — и все из-за склонности их генома множить копии генов, которые в дальнейшем могут изменяться, как захотят.

Тем не менее авторы работы отмечают, что столь глобальные выводы не следует делать на таком весьма ограниченном материале. Для того, чтобы подтвердить или опровергнуть данную гипотезу, по их мнению, нужно разобраться еще по меньшей мере с десятью змеиными геномами. Они надеются, что к следующему году змеи им удастся успеть выполнить этот достаточно большой объем работы…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"