Комодские драконы - самые большие ящерицы в мире. Эти хищники весом до 200 фунтов могут обнаружить свою добычу на расстоянии до 7,5 миль. И хотя они хладнокровны, они могут разогнать свой метаболизм почти до уровня млекопитающих, что дает им большую скорость и выносливость. Однако ученые мало что поняли о том, как ДНК этих замечательных ящериц кодирует такие поразительные характеристики.
Теперь новое исследование, проведенное учеными из Института Гладстона в тесном сотрудничестве с учеными из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) и Зоопарка Атланты, обеспечивает первую последовательность изображений дракона Комодо в высоком разрешении, а также понимание как он развивался.
«Мы начали проект 9 лет назад, чтобы посмотреть, как развиваются геномы, но для этого нам сначала понадобились последовательности генома», - сказал старший исследователь Gladstone Бенуа Брюно, доктор философии, старший автор исследования. «В то время другие группы секвенировали геном черепахи, генома змеи и птицы, а геном крокодила находился в процессе, но недостающей ветвью были варанидные ящерицы - семейство, к которому принадлежат драконы Комодо».
«Я ездила на остров Комодо много лет назад в качестве туриста и видела там комодских варанов в дикой природе», - сказала Кэтрин Поллард, доктор философии, старший исследователь и директор Гладстонского института науки о данных и биотехнологии. кто является другим старшим автором исследования. «Я никогда бы не догадался тогда, что когда-нибудь буду работать над их геномом. У нас тогда даже не было генома человека!»
Команда изучила ДНК двух драконов Комодо из зоопарка Атланты по имени Слэшер и Ринка, образцы крови которых были получены в рамках плановых ежегодных проверок.
«Этот проект дал нам прекрасную возможность узнать больше о драконах Комодо, используя новейшие и лучшие технологии, а затем внести свой вклад в общие знания о биологии ящериц», - сказал Джозеф Р. Мендельсон III., доктор философии, герпетолог и биолог-эволюционист позвоночных, а также директор по исследованиям зоопарка Атланты.
Исследование, которое было опубликовано в журнале Nature Ecology & Evolution и выпущено на BioRxiv в качестве препринта с хранилищем данных, предоставляет чрезвычайно качественную последовательность генома дракона Комодо, которую теперь можно использовать в качестве ссылка в попытках секвенировать геномы других позвоночных.
«Геномы позвоночных большие и содержат множество повторяющихся последовательностей», - объяснил Поллард, который также является профессором Калифорнийского университета в Сан-Франциско и исследователем Chan Zuckerberg Biohub. «Большинство технологий секвенирования производят только короткие отрезки последовательности за раз. Когда эти короткие отрезки включают повторяющиеся элементы, невозможно узнать, где они принадлежат и с чем они связаны, что затрудняет их объединение."
Чтобы обойти эту проблему, команда применила комплексный подход.
«Для сборки мы использовали несколько технологий, в том числе секвенирование на большом расстоянии и метод физического картирования», - сказал Брюно, который также является директором Гладстонского института сердечно-сосудистых заболеваний и профессором кафедры педиатрии. в UCSF. «В результате у нас получилась очень глубокая и качественная сцена для Комодо».
Как только ученые получили последовательность, они использовали вычислительные инструменты, чтобы сравнить ее с последовательностью других рептилий и посмотреть, что делает геном дракона Комодо уникальным.
В частности, они искали изменения в геноме, которые помогли дракону Комодо адаптироваться к окружающей среде, которые прошли эволюционный процесс, называемый положительным отбором. Замечательным открытием стало то, что положительный отбор сформировал несколько генов, участвующих в функционировании митохондрий, энергетических электростанций клетки, которые контролируют работу сердца и других мышц.
«Наш анализ показал, что у драконов Комодо многие гены, участвующие в том, как клетки вырабатывают и используют энергию, быстро изменились таким образом, что увеличили аэробные возможности ящерицы», - сказала Эбигейл Линд, доктор философии, научный сотрудник Полларда. лаборатории и первый автор исследования. «Эти изменения, вероятно, являются ключом к способности Комодо достичь метаболизма, близкого к метаболизму млекопитающих».
Ящерицы обычно не известны своей высокой аэробной способностью. Другими словами, они быстро устают после физических нагрузок.
«Однако, работая с драконами Комодо, мы знаем, что они способны к устойчивой аэробной активности, которая может заключаться в плавании, беге или ходьбе на очень большие расстояния», - объяснил Мендельсон, который также является адъюнкт-профессором в Технологический институт Джорджии. «Наше исследование показало нам, что секрет заключается в этих митохондриальных адаптациях для увеличения их сердечного выброса. Это дает нам понимание того, как эти животные способны делать то, что мы наблюдали."
Кроме того, исследователи обнаружили, что драконы Комодо, наряду с некоторыми другими ящерицами, имеют неожиданно большое количество генов, которые кодируют химические сенсоры, известные как вомероназальные рецепторы. Эти рецепторы являются частью сложной сенсорной системы, которая позволяет животным обнаруживать гормоны и феромоны.
Этот тип восприятия участвует в различных действиях, включая распознавание родственников, выбор партнера, избегание хищников и охоту. В геноме комодо команда обнаружила более 150 копий одного класса генов вомероназальных рецепторов. Команда также обнаружила, что многие из этих генов уникальны для каждого отдельного вида ящериц, что повышает вероятность того, что сошниково-носовые рецепторы комодского дракона могут функционировать специфичным для Комодо образом.
«Будет интересно определить, объясняет ли это способность драконов Комодо обнаруживать добычу на таких больших расстояниях», - сказал Брюно. «Одна из захватывающих особенностей этого проекта заключается в том, что мы не знали, чего ожидать. Это была возможность взглянуть на геном и сказать: «Расскажите мне историю вашего организма».
Затем Брюно и его команда с нетерпением ждут возможности использовать свои открытия для изучения того, как гены, контролирующие формирование сердца позвоночных, изменились в ходе эволюции, поскольку у большинства рептилий сердце только трехкамерное, в то время как у млекопитающих четыре камеры.
Полная последовательность генома также представляет собой бесценный ресурс для биологов-природоохранников, заинтересованных в отслеживании драконов Комодо для изучения их экологии, а также для многих ученых со всего мира, изучающих эволюцию позвоночных.
«Значение этого исследования намного превышает значение драконов Комодо», - сказал Мендельсон. «Это дает нам основу для сравнения других секвенированных животных и понимания генетической основы того, как развивались все их характеристики. Этот проект также выдвигает на первый план важность сохранения биоразнообразия и важную роль, которую зоопарки могут играть в широкомасштабных исследованиях без причинение вреда животным, находящимся под нашей опекой."