Скелет утконоса в музеї.
Австралійський утконос (Ornithorhynchus anatinus) - найбільш незвичайний з ссавців. Ця тварина, яка відкладає яйця, потіє молоком, має отруйні «шпори», а підлога його визначається десятьма статевими хромосомами. Міжнародна група дослідників провела картування генома утконоса і, ймовірно, знайшла відповіді на питання про походження деяких його і наших з вами особливостей.
Утконос підкидає питання вченим з часу його відкриття - а відомий європейцям він з XVIII століття. Деякі запитання залишалися без відповіді до останнього часу. Тепер же в справі вивчення утконосу зроблено важливий крок - вперше міжнародна група дослідників, очолювана біологами Копенгагенського університету, провела генетичне картування повного геному утконоса.
Матеріали дослідження опубліковані в Nature.
"Повний геном дав нам відповіді на питання, як з'явилися деякі химерні риси утконоса. У той же час розшифровка генома утконоса важлива для поліпшення розуміння того, як еволюціонували інші ссавці, включаючи нас, людей. У ньому міститься ключ до розуміння того, чому ми та інші плацентарні ссавці еволюціонували, щоб стати тваринами, які народжують живих дитинчат, а не яйцекладущими ", - пояснює професор Гоцзе Чжан (Guojie Zhang) з кафедри біології Копенгагенського університету.
Утконос належить до стародавньої групи однопрохідних (монотрем), що з'явилася на древі еволюції за мільйони років до виникнення будь-якої іншої групи нині існуючих ссавців. Філогеномна реконструкція показує, що монотреми розійшлися з теріями (власне звірами, тобто плацентарними і сумчастими ссавцями) 187 мільйонів років тому, а еволюційні шляхи утконоса і єхидні пішли в різні боки близько 55 мільйонів років тому. Утконос. Ілюстрація середини XIX століття.
"Утконос відноситься до класу ссавців. Але генетично це суміш ссавців, птахів і рептилій. Він зберіг багато оригінальних рис своїх предків, які, ймовірно, сприяють його успішній адаптації до навколишнього його середовища ", - говорить професор Чжан.
Утконос незвичайний тим, що відкладає яйця, але вигодовує дитинчат молоком. До того ж самки утконосів не мають сосків, а виділяють молоко з потових залоз.
Ми (і власне люди, і в цілому плацентарні) в ході еволюції втратили всі три гена гліколіпопротеїну вителлогеніна, кожен з яких важливий для формування яєчного жовтка. У птахів всі три гена збереглися. Утконоси, як показало дослідження, зберегли один з трьох генів вителлогеніна, а два інших втратили приблизно 130 мільйонів років тому. Утконос продовжує відкладати яйця завдяки цьому єдиному гену, що залишився. Ймовірно, йому не потрібні деякі білки жовтка, необхідні птахам і рептиліям, оскільки утконоси навчилися виробляти молоко для своїх дитинчат.
У всіх інших ссавців гени вителлогеніна замінені генами казеїну, які відповідають за нашу здатність виробляти казеїновий білок, основний компонент молока ссавців. Дослідження професора Чжана і його команди показує, що утконоси також несуть в собі гени казеїну - їхнє молоко схоже на молоко корів, людей та інших ссавців.
«Це говорить нам, що виробництво молока у всіх існуючих видів ссавців розвивалося на основі одного і того ж набору генів, отриманих від загального предка, який жив понад 170 мільйонів років тому - разом з ранніми динозаврами в юрський період», - говорить Гоцзе Чжан.
Ще одна особливість утконоса - відсутність зубів. Так було не завжди - предки його були зубастими.
У сучасного утконоса є дві рогові пластини, які використовуються для розминання їжі (у зовсім молодих утконосів є 8 зубів, проте вони неміцні і швидко стираються, змінюючись ороговілими платівками). Генетичний аналіз показав, що утконос втратив зуби приблизно 120 мільйонів років тому - тоді зникли чотири з восьми «зубних» генів.
Ще одна «дивина» утконосів - те, як визначається їх пол. У людини (як і у будь-якої іншої ссавця, крім єхидн і утконосів) є дві статеві хромосоми (X і Y), які визначають стать - XX це жінка, а XY - чоловік. У однопрохідних система складніша - вони мають 10 статевих хромосом, з п'ятьма Y- і п'ятьма X-хромосомами.
У 2004 році вчені з Австралійського національного університету в Канберрі виявили, що утконос має 10 статевих хромосом, а не дві (XY), як більшість ссавців. Відповідно, комбінація XXXXXXXXXX дає самку, а XYXYXYXYXY - самця. Всі статеві хромосоми пов'язані в єдиний комплекс, який веде себе в мейозі як єдине ціле. Тому у самців утворюються сперматозоїди, що мають ланцюжки XXXXX і YYYYY. Коли сперматозоїд XXXXX запліднює яйцеклітину, народжуються утконоси жіночої статі, якщо сперматозоїд YYYYY - утконоси чоловічої статі.
Генетичний аналіз дозволяє припустити, що 10 статевих хромосом у предків однопрохідних були організовані в кільцеву форму, яка пізніше виявилася розбита на безліч дрібних шматочків X і Y хромосом.
Загалом у системи статевих хромосом утконоса не так вже й багато спільного з аналогічною системою у людини та інших плацентарних. Зокрема, якщо наша, плацентарних ссавців, X-хромосома утворилася в результаті злиття оригінальної X-хромосоми теріїв з частиною однієї з аутосом в процесі відділення від сумчастих, то п'ять X-хромосом утконоса вийшли в результаті множинного злиття і перемішування різних аутосом, предкових для всіх ссавців. При цьому цікаво, що гена SRY, що знаходиться у теріїв на Y-хромосомі і власне визначальної стать (докладніше про нього читайте, наприклад, у статті "Це хлопчик! Як народжувався CRISPR-теля "), у утконоса немає. Передбачається, що найважливіший ген для визначення статі у утконосів локалізований на хромосомі X1. І це дуже цікавий ген. Справа в тому, що у людини і взагалі у всіх плацентарних ссавців, а також у багатьох інших хребетних є ген AMH, що кодує так званий антимюллерів гормон. У нас він, як і ген SRY, розташований на Y-хромосомі, і експресований ним під час ембріогенезу гормон перешкоджає розвитку мюллерових протоків в матку і фалопієві труби, одночасно сприяючи розвитку вольфова каналу в семявиносний проток. Біля утконоса ж ген AMH розташований на одній з X-хромосом, X1. До речі, на іншій X-хромосомі утконоса, X5, локалізовано ген DMRT1, який визначає стать у багатьох птахів, зокрема у домашньої курки. На перший погляд це здається дивним: обидві ці X-хромосоми, і X1, і X5, є і у самок, і у самців, і якщо гени, що визначають стать, локалізовані на ній, то як же власне визначається стать? Вчені припускають, що справа в механізмі неповної дозової компенсації. У самок справжніх звірів, включаючи людину, одна з парних статевих хромосом відключається. Таким чином, у самок і самців, у жінок і чоловіків експресія більшості генів, розташованих на X-ромосомі, в цілому однакова. У монотрем же дозова компесація - неповна. Тобто заглушені тільки деякі з парних алелей на статевих хромосомах, інші ж експресують на повну потужність. Тобто у самок утконосів експресія багатьох генів, локалізованих на X-хромосомах, істотно вища, ніж у самців. У цьому сенсі механізм визначення статі у однопрхідних схожий з таким у птахів. А картування повного геному утконоса і його порівняльний аналіз з геномами інших тварин показав, як на статевих хромосомах монотрем, так і на їхніх аутосомах, безліч довгих послідовностей, гомологічних хромосомам птахів, що зайвий раз свідчить про еволюційне споріднення синапсид, тобто ссавців, і завропсид, тобто птахів і рептилій.
Оскільки нинішній аналіз геному утконоса - повніше і точніше всіх попередніх, він дозволив уточнити приблизний час розбіжності різних груп тварин на філогенетичному древі. Так, за підрахунками авторів роботи, останній загальний предок людини і миші жив 85 - 94 млн років тому, людини і опосума - 150 - 167 млн років тому, людини і утконоса - 163 - 191 млн років тому, людини і курки - 297 - 326 млн років тому.
Вам може бути цікаво:
Геном гаттерії розкриває подробиці еволюції хребетних.