Бактерии, жизненно важные для здоровья всех животных, также сыграли важную роль в эволюции животных и их тканей. Пытаясь понять, как животные со временем эволюционировали вместе с бактериями, исследователи обратились к гавайскому кальмару-бобтейлу Euprymna scolopes.
В новом исследовании, опубликованном на этой неделе в Proceedings of the National Academy of Sciences, международная группа исследователей во главе с доцентом молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Коннектикуте Спенсером Найхолмом секвенировала геном этого маленького кальмара, чтобы идентифицировать уникальные эволюционные следы в симбиотических органах, дающие представление о том, как органы, в которых обитают бактерии, особенно подходят для этого партнерства.
Первый геном кальмара был секвенирован Нихолмом вместе с Джейми Фостером из Университета Флориды, Олегом Симаковым из Венского университета и Махди Белкейдом из Гавайского университета. Команда обнаружила несколько сюрпризов, например, то, что геном гавайского бобтейла кальмара в 1,5 раза превышает размер генома человека.
Сравнивая геном E. scolopes с его двоюродным братом, осьминогом, исследователи показывают, что общий предок как осьминога, так и гавайского бобтейла претерпел серьезные генетические изменения, реорганизовав и увеличив размер генома. Это «обновление», вероятно, дало головоногим возможность усложниться, включая новые органы, подобные тем, в которых обитают бактерии.
«Гавайский бобтейл-кальмар служил модельным организмом для изучения симбиоза более 30 лет», - отмечает Нихольм. «Наличие генома поможет исследователям, изучающим эти взаимодействия, а также тем, кто изучает различные области биологии, такие как развитие животных и сравнительная эволюция."
У многих животных есть органы, в которых живут бактерии. В кишечнике человека обитают триллионы бактерий, которые играют важную роль в пищеварении, иммунной функции и общем состоянии здоровья. Понимание того, как эти отношения поддерживаются путем выявления генов, которые помогают животным сотрудничать с бактериями, закладывает основу для дальнейшего изучения человеческого тела. Гавайский кальмар-куцехвост является отличной моделью для идентификации этих генов из-за его симбиотических отношений с полезными микробами и использования рядом ученых для изучения коммуникации между бактериями и животными..
Гавайский бобтейл-кальмар имеет два разных симбиотических органа, и исследователи смогли показать, что каждый из них пошел разными путями в своей эволюции. У этого конкретного вида кальмаров есть световой орган, в котором находится светящаяся или биолюминесцентная бактерия, которая позволяет кальмару маскироваться от хищников. В какой-то момент в прошлом произошло крупное «событие дупликации», которое привело к повторению копий генов, которые обычно существуют в глазу. Эти гены позволили кальмарам манипулировать светом, генерируемым бактериями.
Другое открытие заключалось в том, что в добавочной нидаментальной железе, женском репродуктивном органе, было обогащено генами, которые являются «сиротскими генами» или генами, которые были обнаружены только у кальмара бобтейла, но не у других организмов.
«Кальмары и осьминоги показали очень уникальную структуру генома, в отличие от любых других животных, - говорит Симаков, - подтверждая предыдущие сообщения об их необычной природе и сложности».
Фостер отмечает, что выявление этих необычных и сложных деталей напрямую применимо к изучению взаимоотношений других бактерий и животных.
«Микробы являются основными движущими силами эволюции животных и их тканей», - говорит она. «Результаты нашего исследования помогли определить «историю происхождения» тех тканей, в которых живут микробы животных, и помогут разобраться в генетических процессах, посредством которых эти различные типы инноваций могут происходить у животных."