Новости в мире технологий Все интересное про технологии. Актуальные новости и статьи.
Рис. 1. Три современных вида слонов: азиатский (Elephas maximus), африканский саванный (Loxodonta africana) и африканский лесной (L. cyclotis). Изображение с сайта elephantaidinternational.org
Многолетние исследования показали, что азиатские слоны (Elephas maximus) слабее защищены от рака и некоторых инфекций, чем их африканские собратья — саванный (Loxodonta africana) и лесной слоны (L. cyclotis). Ученые отсеквенировали и описали геномы всех трех живых ныне видов слонов (между прочим, для азиатского слона впервые была проведена полная сборка и аннотация генома). Далее они сравнили геномы современных и некоторых вымерших слонов с геномами других групп млекопитающих — с тем, чтобы найти характерные для слонов специфические отличия. Выявилось, во-первых, что все представители хоботных имеют много функциональных ретрокопий гена TP53 — главного стражника в деле предотвращения трансформации здоровых клеток в опухолевые у всех млекопитающих. Во-вторых, были обнаружены тысячи специфичных для слонов участков «ускоренной эволюции» — маркеров действия движущего отбора. Как и ожидалось, многие из этих участков содержат гены или регуляторные последовательности, которые имеют отношение к работе клеток иммунной системы. Между тем, среди них есть и такие участки, которые заметно различаются у азиатских и африканских слонов, определяя, предположительно, разную восприимчивость к заболеваниям. Авторы выражают надежду, что новые данные, полученные в их работе, помогут усовершенствовать меры ветеринарной помощи слонам, тем самым содействуя сохранению этих животных.
Инфекции и рак — серьезный фактор смертности для животных. Каждый вид существует в режиме эволюционной «гонки вооружений»: эволюционируют паразиты и патогены, эволюционируют и механизмы защиты от них, в первую очередь — системы иммунитета. Гены, вовлеченные в работу иммунной системы, практически всегда попадают в списки наиболее быстро изменяющихся. Она же защищает и от тех врагов, которые время от времени появляются изнутри организма: от перерождающихся клеток, перестающих нормально функционировать. Такие клетки, если им удается не попасть под действие собственных программ самоуничтожения и ускользнуть от внимания иммунной системы организма, могут перейти к эгоистичному и бесконтрольному размножению, формируя опухоли.
Особенно острой становится проблема предотвращения образования опухолей для долгоживущих и крупных животных — рост и обновление таких организмов подразумевает большое число клеточных делений. Это повышает шанс того, что рано или поздно появятся клетки с мутациями (поломками в генах), которые начнут в результате работать не так, как надо. В список животных «группы риска» попадают и люди, и слоны, и киты, и гигантские черепахи (кстати, геномы двух видов гигантских черепах были секвенированы и проанализированы совсем недавно, см. V. Quesada et al., 2018. Giant tortoise genomes provide insights into longevity and age-related disease). Каждый вид, пошедший по пути увеличения размера тела и продолжительности жизни, должен найти свое эволюционное решение для защиты от рака. Этот эволюционный процесс лежит в основе так называемого парадокса Пето — отсутствия ожидаемой прямой зависимости частоты встречаемости рака от размера тела у животных.
Слоны интересны и привлекательны тем, что они во многом так похожи на нас: умные, социальные, эмоциональные, способные долго помнить хорошее и плохое и платить благодарностью. В конце концов, просто тем, что у них есть заботливые бабушки, помогающие матерям в воспитании детенышей… Ну как тут оставаться равнодушными! А между тем численность слонов неуклонно сокращается. Большая часть вины тут лежит на людях. Но люди же и ищут пути сохранения этих удивительных великанов на нашей планете. Чтобы знать, как помочь, нужно как следует понимать того, кому помогаешь.
Исследование, которое провел большой коллектив ученых из США, нацелено на изучение особенностей системы защиты слонов от инфекций и от рака. А основным средством в руках ученых стала биоинформатика — сравнение последовательностей геномов слонов и других млекопитающих. В работе с такими редкими и крупными животными не всегда есть возможность проведения экспериментов вроде тех, что легко доступны, когда речь, скажем, идет о лабораторных мышках. Но современные биоинформатические методы позволяют немало выведать у природы и без таких экспериментов.
Для оценки предрасположенности к образованию опухолей авторы собрали данные из 26 зоопарков США за 26 лет. В анализ оказались включены сведения по 76 животным. Неоплазии (доброкачественные или злокачественные опухоли) были диагностированы у 17 из 41 азиатских слонов (41,5%), в том числе было 6 случаев злокачественных (раковых) опухолей. У африканских слонов, которых было 35, за то же время были выявлены только две доброкачественные опухоли (и ни одного случая рака).
Локализация опухолей, встречающихся у слонов, столь же разнообразна, как и у людей: в описанной выборке это были опухоли матки, влагалища, молочной железы, кожи, хобота, ноги, гипофиза, паращитовидной железы, легкого, желудка, печени. Опухоли были выявлены у животных в возрасте от 28 до 59 лет (обычная продолжительность жизни слона близка к человеческой — 60–70 лет).
Ранее опубликованные данные также указывают на повышенную чувствительность азиатских слонов (в сравнении с африканскими) к некоторым инфекциям. В особенности это касается двух возбудителей — туберкулезной палочки и эндотелиотропного вируса герпеса слонов (EEHV).
Бактерия Mycobacterium tuberculosis, именуемая туберкулезной палочкой (или палочкой Коха), может вызывать заболевание легких у слонов точно так же, как и у людей. Слон вполне может заразиться от человека, а человек — от слона. И точно так же, как и люди, слоны различаются по устойчивости к этой бактерии: у одних развивается тяжелая форма заболевания, а другие могут носить возбудителя в своем организме, но не проявлять никаких симптомов болезни. Лечат слонов от туберкулеза теми же лекарствами, что и людей. В 2009 году были опубликованы результаты обследования 236 содержащихся в неволе слонов, из которых следует, что у представителей азиатского вида выявляемая в организме туберкулезная палочка гораздо чаще вызывает проявление симптомов патологии, чем у африканских слонов (R. Greenwald et al., 2009. Highly accurate antibody assays for early and rapid detection of tuberculosis in African and Asian elephants).
Эндотелиотропный вирус герпеса слонов для человека безвреден, он поражает только слонов, вызывая у них геморрагическое заболевание с высокой смертностью. Первый случай смерти от него был зарегистрирован в 1988 году как раз у азиатского слона в одном из зоопарков штата Флорида. Лишь к 1999 году удалось идентифицировать непосредственно возбудителя, оказавшегося одним из герпесвирусов. Впоследствии оказалось, что речь идет сразу о нескольких разных герпесвирусах, которые могут встречаться в слюне, крови, образцах кожи и легких как здоровых, так и заболевших животных, причем — и у азиатских, и у африканских слонов.
Заболевают обычно слонята в возрасте от 1 до 4–8 лет (до года, пока слонята пьют материнское молоко, их, вероятно защищают антитела, присутствующие в молоке). Однако проявляет инфекция себя у этих видов по-разному. У африканских слонов заболевание, если и проявляется, то обычно в форме гнойничков на коже, которые со временем бесследно исчезают. За всю историю наблюдений было отмечено лишь два случая смерти африканских слонов от герпесвирусной инфекции. А вот у азиатских слонов нет описанной кожной реакции, зато наблюдаются обширные поражения тканей легких и стенок кровеносных сосудов (как следствие — геморрагия, то есть кровоточивость). В отсутствие лечения это обычно заканчивается смертью. Восприимчивость к тяжелому течению герпесвирусной инфекции характерна для примерно 20% слонят азиатского вида слонов. В неволе именно герпесвирусная инфекция составляет основную долю случаев преждевременной смерти азиатских слонов.
Сначала очень правдоподобной казалась версия, что этот вирус до последнего времени существовал только в популяциях африканских слонов, — так что в ходе длительного сосуществования африканские виды выработали эффективную иммунную защиту от него. Когда же в условиях совместного содержания в зоопарках уже в недавнее время инфекция перекинулась на азиатских слонов, иммунный ответ животных оказался неадекватным. Но более внимательное изучение разнообразия вирусов герпеса слонов в зоопарках и дикой природе вынудило отказаться от этой гипотезы: похоже, что история сосуществования вирусов герпеса с азиатскими слонами не менее продолжительна, чем с африканскими. В чем причина такого разного уровня патогенности герпесвируса для разных видов слонов — все еще остается для ученых загадкой. Подробный обзор исследований распространения этого слоновьего недуга можно найти в статье S. Long et al., 2016. Review of Elephant Endotheliotropic Herpesviruses and Acute Hemorrhagic Disease.
Авторы обсуждаемого исследования поставили перед собой следующие цели:
1) Найти различия в геномах азиатских и африканских слонов, которые бы объясняли различия в их предрасположенности к инфекционным заболеваниям и опухолям.
2) Проанализировать различия в количестве копий гена p53 у современных и вымерших видов хоботных, чтобы понять их функциональное значение.
3) Выявить области, несущие следы движущего отбора, и определить, в реализации каких функций задействованы эти области.
Для анализа были использованы данные о геномах 13 слонов: четырех саванных, двух лесных и семи азиатских. В ход пошли как собственноручно прочитанные геномы (по одному для каждого вида), так и те, что уже были размещены в общедоступных базах данных. Также ученые использовали палеогеномные данные: расшифрованные последовательности одной особи вымершего примерно 34 000 лет назад прямобивневого лесного слона (Palaeoloxodon antiquus) и двух особей шерстистого мамонта (Mammuthus primigenius; этот вид вымер около 4300 лет назад).
Для описания генов в геномах слонов ученые провели поиск гомологов среди известных генов человека и других млекопитающих. Также они просканировали возможные консервативные регуляторные участки (промоторы и энхансеры), — общие с теми, что присутствуют у других млекопитающих. Внутри этих участков выявили потенциальные сайты связывания транскрипционных факторов — белков, регулирующих активность считывания гена.
Целью дальнейшего анализа было обнаружение в геноме участков с признаками ускоренной эволюции. Слоновьи геномы в этом исследовании сравнивали с геномами десяти других видов млекопитающих из разных отрядов (опоссум, мышь, дельфин, корова, собака, лошадь, летучая мышь, тенрек, даман и человек). Ускоренная эволюция может говорить о появлении движущего отбора или об ослаблении влияния очищающего отбора. И в том, и в другом случае, можно делать вывод об изменении функциональной роли соответствующего участка (движущий отбор проявляется в том, что функция сохраняется, но что-то начинает работать иначе, чем раньше; ослабление очищающего отбора бывает связано просто с утратой функционального значения такого участка).
Обнаружилось 3622 участка ускоренной эволюции у азиатского слона и 3777 — у африканского. Из них 2418 были общими для обоих видов (рис. 2).
Рис. 2. (a) — филогенетические отношения между всеми видами, геномы которых были использованы при проведении сравнительного анализа и поиске участков ускоренной эволюции у слонов. Длины ветвей отображают среднюю по геному скорость накопления мутаций в эволюции каждого вида. Как видим, слоны накапливают мутации медленнее многих других млекопитающих — это связано с их большими размерами и долгожительством: геномы грызунов, наоборот, накапливают мутации очень быстро. (b) — количество выявленных участков ускоренной эволюции у слонов (AR — accelerated regions): 2418 участков совпали у двух видов, 862 участка ускоренно эволюционировали у азиатских, но не у африканских слонов, 1017 участков, наоборот, эволюционировали только у африканских слонов. Рисунок из обсуждаемой статьи в Molecular Biology and Evolution
В публичных данных по РНК лейкоцитов крови азиатских и африканских слонов ученые выявили 5034 гена с различающейся экспрессией. Участки генома с ускоренной эволюцией с высокой вероятностью оказывались лежащими внутри или вблизи генов с различающейся экспрессией в лейкоцитах азиатских и африканских слонов.
Все гены тем или иным образом аннотированы в особой базе данных — по категориям генной онтологии (GO), определяемой на основе участия в реализации тех или иных функций внутри клетки или внутри организма. Ученые проверили, каким категориям GO преимущественно соответствуют гены, ассоциированные с областями ускоренной эволюции у слонов, и привели первые десять в рейтинге для каждой выделенной группы.
Для категорий участков ускоренной эволюции, специфичных для африканских слонов, получился такой список: связывание фосфатных групп; зависимый от убиквитина эндоцитоз; метаболизм липидов мембран; рецепция химических сигналов в обонятельном эпителии; передача обонятельных сигналов; ответ клеток на эстрогены; связывание белков, зависимое от меди; АТФ-азная активность; транспорт ионов меди; гидролазная активность.
Для азиатских слонов — такой: организация синапсов; адгезия клеток; зависимый от убиквитина эндоцитоз; врожденный иммунный ответ; рецепция химических сигналов; иммунные реакции; передача обонятельных сигналов; ответ клеток на эстрогены; восприятие запахов; негативная регуляция пролиферации Т лимфоцитов. Как видим, в этом списке трижды фигурируют категории, связанные с функциями иммунной системы. Среди участков ускоренной эволюции, специфичных для африканских слонов, такие категории тоже присутствовали, но они не вошли в первую десятку.
Общими для африканских и азиатских слонов оказались такие категории: отщепление везикул от эндоплазматической сети; секреция белков; синтез белков полирибосомами; синтез белков в цитоплазме; большая субъединица рибосомы; кератиновые филаменты; метаболизм липидов мембран; инициация трансляции; дифференцировка кератиноцитов; мечение белков, транспортируемых к цитоплазматической мембране.
Категорий, связанных с иммунитетом, в списке общих категорий не оказалось. Эти списки, конечно, позволяют делать некоторые выводы о множественных направлениях адаптации в ходе эволюции слонов, которые, конечно, не ограничиваются только лишь выработкой защиты от инфекций и рака. Любопытно, что большой вес (7 из 10 пунктов) явно имеют преобразования в компонентах системы трансляции (синтеза белка) и транспортирования белков к цитоплазматической мембране. Такие базовые системы обычно весьма консервативны. Было бы очень любопытно выяснить, что же особенного появилось тут у слонов и с какими адаптивными преимуществами это связано.
Вторым пунктом в списке поставленных задач следует вопрос о вариации количества копий гена TP53. Этот ген кодирует важный транскрипционный фактор, общий для всех позвоночных. Родственные белки со схожим назначением есть не только у всех вообще животных, но даже у ближайших к животным одноклеточных — хоанофлагеллят. Главная функция этого белка — останавливать клеточный цикл и запускать программу апоптоза в клетках, которые по тем или иным причинам содержат множественные повреждения в ДНК (например, возникающие под действием ионизирующего облучения или активных форм кислорода). Без такого механизма клетки с поврежденным геномом могут быстро накапливать мутации, нарушающие их нормальное функционирование, зачастую превращаясь в опухолеобразующие клетки. Ранее уже сообщалось о наличии у азиатских и африканских слонов избыточного числа копий гена TP53 в геноме — около 20 на гаплоидный набор хромосом (L. Abegglen et al., 2015. Potential Mechanisms for Cancer Resistance in Elephants and Comparative Cellular Response to DNA Damage in Humans).
Копии гена TP53 в геномах слонов образовались по механизму ретродупликации (то есть в результате образования ДНК-копии с мРНК первичного гена и ее встраивания в геном). Как следствие, эти копии отличаются от первичного гена отсутствием в них интронов. В том же исследовании 2015 года было показано и что ретрокопии TP53 действительно служат матрицами для синтеза мРНК и белка в лейкоцитах крови слонов, а также то, что лейкоциты слонов запускают апоптоз быстрее и при меньшей дозе ионизирующего облучения, чем это происходит у людей, у которых этот ген имеется в единственном экземпляре (два аллельных гена на диплоидную клетку). В рамках обсуждаемого исследования авторы решили получить более полные данные, проанализировав геномы большего числа особей слонов, а также большего числа видов хоботных — включив в анализ вымерших прямобивневого лесного слона и мамонта.
Результаты можно видеть на рис. 3. У особей африканского саванного слона имеется от 19 до 23 копий гена TP53, а у африканского лесного слона их 21–24. То есть достоверных различий нет, хотя размер тела у лесного слона существенно меньше, чем у саванного (на схеме это отражено). У семи проанализированных особей азиатского слона число копий TP53 сильно варьировало: от 10 до 37. Это очень любопытный результат — если только это не следствие технического артефакта (авторы осторожно упоминают и такую возможность). У двух мамонтов число копий оказалось равным 19 и 28, а предполагаемое число копий у прямобивневого лесного слона — от 22 до 25 (качество прочтения с учетом возраста образца ДНК тут не слишком хорошее, поэтому оценка неточная).
Рис. 3. Данные о числе копий гена TP53 в геномах разных видов хоботных. Слева — филогенетическое дерево, построенное для выяснения истории накопления копий гена. В верхней и в нижней части дерева размещаются гены-ортологи первичного гена TP53 у слонов и родственных им млекопитающих из группы афротериев. Ветви, объединенные рамкой, — это новообразованные копии гена TP53 в геномах слонов и мамонтов, появившиеся посредством механизма ретродупликации. Справа показаны результаты оценки числа копий гена TP53 в геномах у исследованных животных. Рисунок из обсуждаемой статьи в Molecular Biology and Evolution
Для всех обнаруженных генов TP53 и их ретрокопий в геномах всех исследованных видов было построено общее филогенетическое дерево с целью понять, когда и в какой очередности возникали новые копии. История роста копийности гена TP53 у слонов представляется в итоге следующим образом. Первый эпизод образования ретрокопии гена TP53 случился еще у общего предка всех хоботных 55–60 млн лет назад. Затем новые копии появились уже у общего предка африканских и азиатских слонов около 45 млн лет назад. Далее увеличение числа копий продолжалось по ходу дальнейшей эволюции в каждой ветви. Ученые ожидали увидеть корреляцию между размерами тела взрослых животных и числом функциональных копий гена TP53, но этой корреляции не обнаружилось.
Множественные ретрокопии гена TP53 в геноме каждого вида слонов полностью сохранили рамку считывания белка и оказались либо абсолютно одинаковыми по последовательности, либо содержали единичные синонимичные замены нуклеотидов (то есть все равно кодировали одинаковый белок). Участки вблизи этих копий (в промоторной области) также содержат лишь небольшое число однонуклеотидных различий, обеспечивая эффективную транскрипцию.
Конечно, было бы очень интересно разобраться детальнее в том, как происходит регуляция работы гена TP53 и его копий внутри клеток различных тканей слонов. Не произошло ли какой-то функциональной специализации? Есть ли специфичность работы копий в разных тканях, при разной силе действия каких-либо стрессовых стимулов? И главное, есть ли действительно какая-то ассоциация между числом рабочих копий гена TP53 у слонов и развитием неоплазий? Все это может (и должно) стать предметом будущей исследовательской работы для «мокрых» биологов.
В третьей части обсуждаемой работы ученые применили поиск следов «селективного выметания» как еще один альтернативный путь поиска генов, на которые в течение некоторого отрезка эволюции, действовал движущий отбор. Суть этого подхода состоит в том, чтобы найти такие области внутри генома, где встречаемость гетерозиготных сайтов среди животных одного вида (или одного рода), заметно снижена в сравнении с большинством других таких же областей. То есть подразумевается, что где-то внутри этой области в не очень далеком прошлом появилась очень полезная новая мутация, и этот вариант, распространяясь при поддержке отбора, стал замещать собой все прочие, создавая эффект «выметания» вариаций из данной области в пределах группы сцепления.
У азиатского слона нашли 24 394 участка с признаками селективного выметания, они охватывают 0,07% генома и расположены внутри или вблизи 1611 генов. У африканского саванного слона таких участков нашлось 41 204 (около 1,3% генома, 2882 ассоциированных гена), а у лесного — 51 249 (1,6% генома, 4099 кодирующих белок генов). Среди затронутых движущим отбором генов 229 оказались общими для всех трех видов. В этот список ожидаемо вошли гены, задействованные в развитии хобота, защите от рака, контроле поведения и памяти. Согласно системе GO повышенную долю в этой группе составили гены, связанные с клеточной адгезией, работой синапсов и другими формами межклеточной коммуникации, в том числе опосредованной эпидермальным фактором роста. Известно, что этот фактор играет важную роль в запуске программированной клеточной гибели измененных (предраковых) клеток в многоклеточном организме. Таким образом, результаты первой и третьей частей исследования взаимодополняют друг друга, давая развернутую картину того, изменения каких участков генома имеют отношение к формированию защитных механизмов, снижающих риск развития рака у слонов.
В заключение авторы предлагают поразмышлять над практическим приложением полученных знаний. Предки азиатских слонов, судя по оценкам «молекулярных часов», мигрировали из Африки 2,7–3,6 миллионов лет назад. В новом ареале они стали контактировать с новыми возбудителями. Это могло стимулировать движущий отбор и эволюционные изменения в иммунной системе. У азиатского слона особенно много участков ускоренной эволюции оказались связаны с генами врожденного иммунитета: интерлейкинами, регуляторами функции нейтрофилов, фактором некроза опухоли. А между тем, у детенышей азиатского слона при инфицировании EEHV часто запускается цитокиновый шторм. Гиперактивация этих компонентов иммунной системы у людей и других млекопитающих бывает связана с развитием чрезмерных иммунных реакций. Так что дальнейшая работа уже за рамками биоинформатики — проверить, действительно ли гены, которые оказались мишенями движущего отбора, вовлекаются в иммунный ответ при развитии заболевания, и каково их влияние на самом деле. А отсюда уже логично перейти к поиску стратегии купирования нежелательных осложнений течения болезней у слонов.
Но во всех подобных исследованиях, связанных с поиском адаптаций разных животных для защиты от рака, преследуется и наш собственный шкурный интерес: все они являются попыткой лучше понять, как работает эта защита в том числе и у людей, и где искать слабые места в системе обороны нашего собственного организма.
Источник: Marc Tollis, Elliott Ferris, Michael S. Campbell, Valerie K. Harris, Shawn M. Rupp, Tara M. Harrison, Wendy K. Kiso, Dennis L. Schmitt, Michael M. Garner, Christina Athena Aktipis, Carlo C. Maley, Amy M. Boddy, Mark Yandell, Christopher Gregg, Joshua D. Schiffman, Lisa M. Abegglen. Elephant Genomes Reveal Accelerated Evolution in Mechanisms Underlying Disease Defenses // Molecular Biology and Evolution. 2021. DOI: 10.1093/molbev/msab127.
Татьяна Романовская
