Гены хитиназ рассказали о расширении рациона млекопитающих после вымирания динозавров

Считается, что плацентарные млекопитающие в кайнозое резко расширили свой рацион, заняв ниши хищников и фитофагов, освободившиеся после вымирания динозавров. До сих пор об изменениях диеты древних млекопитающих судили по палеонтологическим данным. Новое исследование американских и французских биологов показало, что для этого можно использовать также и данные по генам хитиназ (ферментов, расщепляющих хитин), количество которых коррелирует с долей беспозвоночных в рационе. У большинства мезозойских плацентарных было целых пять таких генов, унаследованных от общего предка, что указывает на насекомоядность. После вымирания динозавров многие группы плацентарных независимо стали терять свои хитиназы, что согласуется с переходом этих групп к хищничеству или растительноядности. В геномах многих плацентарных, включая человека, сохранились псевдогены — остатки испорченных мутациями генов хитиназ. Эти «генетические ископаемые» свидетельствуют о насекомоядности далеких предков.

Еще недавно многие специалисты полагали, что у млекопитающих нет специализированных ферментов для переваривания хитина. Считалось, что функции ферментов-хитиназ, гены которых присутствуют в геномах млекопитающих, не связаны с пищеварением. Было показано, что хитиназы вносят вклад в защиту от патогенных грибов, нематод и других паразитов, в регуляцию апоптоза и работу иммунной системы. Предполагалось, что этим дело и ограничивается. Например, если мы посмотрим перечень функций человеческого фермента Acidic mammalian chitinase в базе данных UniProt, то никаких упоминаний о переваривании съеденных членистоногих мы там не найдем.

Однако в последние годы выяснилось, что «кислые хитиназы млекопитающих», кодируемые генами CHIA, всё-таки участвуют в пищеварении. Для некоторых групп, таких как грызуны и летучие мыши, это было доказано экспериментально (S. Strobel et al., 2013. Insectivorous Bats Digest Chitin in the Stomach Using Acidic Mammalian Chitinase). Было также замечено, что у приматов доля насекомых в рационе коррелирует с числом копий (паралогов) гена CHIA в геноме (M. C. Janiak et al., 2017. Evolution of acidic mammalian chitinase genes (CHIA) is related to body mass and insectivory in primates). Постепенно стало ясно, что, хотя хитиназы млекопитающих в ходе эволюции могли привлекаться для выполнения защитных и регуляторных функций, их пищеварительную функцию (возможно, очень древнюю) никто не отменял. Кроме того, появились основания предполагать, что по числу работающих (не испорченных мутациями) генов хитиназ в геноме можно в какой-то мере судить о диете изучаемого вида или группы.

Эволюционные биологи из Франции и США использовали данные по хитиназам, чтобы лучше разобраться в эволюции пищевых предпочтений плацентарных в кайнозое. Судя по палеонтологическим данным, после вымирания динозавров плацентарные млекопитающие претерпели бурную адаптивную радиацию, освоив много разных трофических ниш. Привлечение геномных данных по хитиназам позволило уточнить представления о кайнозойской диверсификации плацентарных.

Сравнение генов CHIA, присутствующих в геномах 107 видов плацентарных, показало, что варианты этого гена делятся на пять больших ветвей (клад), обозначенных авторами CHIA1, CHIA2, ..., CHIA5. В каждом из четырех надотрядов плацентарных (Xenarthra, Afrotheria, Euarchontoglires, Laurasiatheria) встречаются гены из всех пяти клад (рис. 1). Это значит, что у последнего общего предка современных плацентарных, который жил около 100 млн лет назад (в середине мелового периода), было пять паралогов гена CHIA (паралогами называют копии гена, возникшие в результате генных дупликаций).

Все рабочие (не выведенные из строя мутациями) копии CHIA имеют почти одинаковую длину и содержат 11 экзонов с хитин-связывающим участком в 11-м экзоне и хитинолитическим участком в 5-м экзоне. Обычно гены CHIA располагаются на одной и той же хромосоме недалеко друг от друга, и даже порядок их расположения сходен в разных группах плацентарных. Судя по структуре кодируемых белков и транскриптомным данным, все пять паралогов CHIA могут экспрессироваться в пищеварительном тракте и участвовать в переваривании хитина. Исходно, по-видимому, все они выполняли пищеварительную функцию, хотя детали их работы и специфику каждого из пяти вариантов еще предстоит выяснить.

В ходе дальнейшей эволюции число рабочих генов CHIA в разных группах плацентарных неоднократно менялось. Иногда оно увеличивалось благодаря дупликациям, а иногда уменьшалось из-за мутаций, выводящих ген из строя (это называют псевдогенизацией, см. Pseudogene); кроме того, гены могли полностью утрачиваться в результате делеций.

Дупликации генов CHIA в эволюции плацентарных происходили намного реже, чем потери. При этом вновь возникающие паралоги никогда не сохраняли за собой пищеварительную функцию. Они либо деградировали за ненадобностью, превращаясь в псевдогены, либо приобретали новые функции, связанные, например, с иммунной защитой (о потере пищеварительной функции можно судить по повреждению или утрате хитин-связывающего и хитинолитического участков). По-видимому, плацентарные просто не нуждались в новых пищеварительных хитиназах. Пяти ферментов, унаследованных от предков, им было более чем достаточно.

Преобладающей тенденцией в эволюции генов CHIA у плацентарных было сокращение их числа путем псевдогенизации или делеции. Такие события происходили многократно, особенно в группах, перешедших к хищничеству или фитофагии.

Между числом генов CHIA, сохранивших пищеварительную функцию, и долей беспозвоночных в рационе обнаружилась четкая положительная корреляция (рис. 2). У видов с пятью работающими хитиназами беспозвоночные составляют в среднем 88,3% рациона, с четырьмя — 85%, с тремя — 80%, с двумя — 63%, с одной — 22%. Наконец, у видов, не имеющих ни одной пищеварительной хитиназы, беспозвоночные составляют лишь 7% рациона.

Рис. 2. Число генов пищеварительных хитиназ (по вертикальной оси) положительно коррелирует с долей беспозвоночных в рационе (по горизонтальной оси). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Из этого правила есть исключения, три из которых отмечены на рис. 2 фигурками животных (морж, кит и панголин). У моржа, например, нет функциональных генов CHIA, хотя его рацион на 80% состоит из беспозвоночных. Несоответствие объясняется просто: авторы использовали имеющиеся в литературе оценки доли беспозвоночных, потому что не смогли найти аналогичных оценок доли членистоногих или просто хитина в рационе изучаемых видов. В большинстве случаев беспозвоночные, поедаемые млекопитающими, — это одетые в хитин насекомые. Морж, однако, питается в основном двустворчатыми моллюсками, для переваривания которых хитиназы не нужны. Авторы предполагают, что если собрать данные по количеству хитина (а не беспозвоночных) в пище, то выявленная корреляция станет строже.

Усатые киты и панголины едят много хитина (первые питаются в основном ракообразными, вторые — муравьями и термитами), но имеют лишь по одной рабочей копии CHIA. Возможно, дело в том, что и усатые киты, и панголины происходят от предков, в рационе которых членистоногие играли незначительную роль. Усатые киты унаследовали мутации, выводящие хитиназы из строя, от общих предков с зубатыми китами. Эти предки питались скорее рыбой и кальмарами (как современные зубатые киты), чем ракообразными. Панголины унаследовали аналогичные мутации от общих предков с хищными, причем эти предки вряд ли были специализированными поедателями муравьев и термитов. Пока остается открытым вопрос, почему у усатых китов и панголинов не дуплицировались сохранившиеся гены CHIA, раз уж они перешли к богатой хитином диете. Возможно, эволюция решила эту проблему каким-то другим способом.

Авторы использовали богатый арсенал методов сравнительной геномики и биоинформатики, чтобы датировать моменты выхода из строя тех или иных генов CHIA в разных группах плацентарных (рис. 3). Получилось, что вплоть до вымирания динозавров (которое произошло 66 млн лет назад, на рубеже мела и палеогена) пищеварительные хитиназы терялись очень редко. Подавляющее большинство мезозойских плацентарных имело пять рабочих копий CHIA, что указывает на довольно-таки строгую насекомоядность. Этот вывод хорошо согласуется с палеонтологическими данными. Другие, вымершие ветви млекопитающих могли осваивать другие трофические ниши: например, триконодонты могли переходить к хищничеству, а мультитуберкуляты — к фитофагии (см.: Экспансия растительноядных млекопитающих началась задолго до вымирания динозавров, «Элементы», 23.03.2012). Но плацентарные, по-видимому, вплоть до конца мезозоя питались в основном насекомыми.

Рис. 3. Хронология утраты хитиназ плацентарными млекопитающими. Вверху — хронологическая шкала. Синими и красными прямоугольничками отмечены моменты выхода из строя тех или иных генов CHIA. Цвет прямоугольничка отражает метод датирования: красные соответствуют более точным датировкам, основанным на скорости накопления значимых и синонимичных замен; синие — минимальные датировки, основанные на том, что у нескольких групп ген CHIA выведен из строя одной и той же мутацией (которая точно произошла не позже, чем разделились предки этих групп). Слева внизу — общее филогенетическое дерево плацентарных, на котором красным цветом отмечены ветви, учтенные в исследовании. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances

Сразу после вымирания динозавров, в палеоцене, процесс потери хитиназ резко ускорился, причем хитиназы терялись независимо в разных линиях плацентарных (рис. 3). Логично предположить, что это было напрямую связано с переходом многих групп кайнозойских плацентарных от исходной насекомоядности к хищничеству или фитофагии.

Интересно, что утрата хитиназ предками современных отрядов плацентарных происходила в основном уже после того, как эти отряды обособились друг от друга. Например, рис. 3 показывает, что предки хищных, непарнокопытных и парнокопытных с китами разделились еще в мелу, а гены хитиназ утрачивались всеми тремя группами позже — в палеоцене и эоцене. Это важная деталь, помогающая примирить молекулярную филогенетику с палеонтологией. Дело в том, что эволюционные деревья, основанные на ДНК, упорно показывают, что практически все современные отряды плацентарных обособились еще в мелу, тогда как данные палеонтологии не менее упорно утверждают, что в мелу этих отрядов еще не было.

Эволюционная история хитиназ показывает, что разделение предков современных отрядов и их расхождение по трофическим нишам могли быть сильно разнесены во времени. А пока трофическая ниша оставалась прежней, не было и причин для серьезной морфологической дивергенции. Иными словами, предки носорогов и тигров еще много миллионов лет после своего разделения могли оставаться мелкими насекомоядными зверьками, похожими друг на друга как по диете, так и по морфологии. Между прочим, Ричард Докинз примерно так и описывал раннюю эволюцию плацентарных в своих научно-популярных книгах. Наблюдатель, заброшенный в позднемеловую эпоху на машине времени, едва ли смог бы догадаться, что от этой «землеройки» произойдут лошади и носороги, а вон от той — тигры и моржи. В таком же положении находятся и палеонтологи — специалисты по меловым млекопитающим.

До сих пор наши представления о трофической диверсификации плацентарных в кайнозое основывались почти исключительно на данных палеонтологии. Теперь к ним начинают добавляться данные сравнительной геномики. Именно в этом состоит важность обсуждаемой работы. Кроме того, исследование показало, что в геномах многих не насекомоядных млекопитающих, включая нас с вами, сохранилась интереснейшие «генетические ископаемые» — псевдогены хитиназ, свидетельствующие о насекомоядности далеких предков.

Источник: Christopher A. Emerling, Fr?d?ric Delsuc and Michael W. Nachman. Chitinase genes (CHIAs) provide genomic footprints of a post-Cretaceous dietary radiation in placental mammals // Science Advances. 2018. DOI: 10.1126/sciadv.aar6478.

Александр Марков