В последнем выпуске Nature опубликованы первые результаты анализа почти полностью расшифрованного генома утконоса; одновременно ряд работ на эту тему появился в Genome Research. Приступая к работе, ученые ожидали, что это причудливое внешне животное должно оказаться очень необычным и при взгляде, что называется, «изнутри». Результаты даже поверхностного анализа наследственной последовательности превзошли даже самые смелые их ожидания.
Многим из нас утконос памятен еще со школьных уроков биологии. Этот зверек, обитающий только на австралийском континенте, один из всего пяти видов млекопитающих, не производящих на свет живых детенышей, а откладывающих яйца. Однако одного взгляда на утконоса уже достаточно, чтобы понять всю его неординарность: тело покрыто шерсткой, сохраняющей тепло, пока животное охотится на рыбу в ледяной воде, при этом его мордочка заканчивается тупым и плоским клювом, напоминающим утиный.
За этот клюв утконос и получил свое прозвище. Более того, этот нос заключает в себе сложную электросенсорную систему, позволяющую чувствовать движущуюся жертву, даже плавая в воде закрытыми глазами, ноздрями и ушами. Еще одна особенность: лапы мужских особей утконосов несут на себе шипы, впрыскивающие яд в тело противника, если тот попадется утконосу на пути. Этот яд особенно опасен в период размножения утконосов, он может вызвать острую жгучую боль даже у крупных животных, а для мелких смертельно опасен.
(Ornithorhynchus), яйцекладущее млекопитающее, которое встречается только на востоке Австралии и на австралийском острове Тасмания.
Самцы достигают в длину 45 см (плюс 15 см хвост) при массе более 2 кг; самки мельче. Тело покрыто густой шерстью, чаще всего темно-коричневой сверху и рыжеватой или серой снизу. Хвост уплощенный и напоминает бобровый, но тоже одет шерстью. Клюв не жесткий, как у птиц, а мягкий и гибкий, с роговыми пластинками вместо зубов, хотя у молодых утконосов есть их молочная смена. С обеих сторон ротовая полость расширена в защечные мешки, в которых запасается во время кормежки пища – различные ракообразные, черви, улитки, лягушки, насекомые и небольшие рыбки.
Как и у большинства водных млекопитающих, ноги у утконоса короткие. Все лапы перепончатые, причем на передних перепонки доходят до концов пальцев, образуя веерообразную лопасть. В отличие от большинства водных млекопитающих, утконос гребет в воде в основном передними, а не задними ногами.
Наружного уха нет; глаза и наружные отверстия слуховых проходов расположены в желобках по обеим сторонам головы. Когда животное ныряет, края этих бороздок, как и клапаны ноздрей, смыкаются, так что под водой не действуют ни зрение, ни слух, ни обоняние. Однако безволосая кожа клюва богата нервными окончаниями, и это обеспечивает не только высокоразвитое осязание, необходимое для обнаружения зарывшейся в ил добычи, но и способность к электрорецепции. Электрорецепторы утконоса могут определять слабые электрические поля, которые возникают, например, при сокращении мускулатуры ракообразных, что помогает в поисках жертвы.
У самцов утконоса на задних ногах находятся роговые шпоры с ядовитой железой в основании. Таким образом, этот вид – одно из немногих ядовитых млекопитающих (вместе с некоторыми обладающими токсичной слюной землеройками и родственными им щелезубами).
Размножаются утконосы весной. Через две недели после спаривания самка откладывает от одного до трех маленьких округлых яиц, покрытых кожистой скорлупой. Гнездо из листьев и травы находится в особой камере, которой оканчивается нора, вырытая на берегу озера или реки. Самец в гнездовой норе не появляется. Яйца насиживаются ок. 10 дней; из них вылупляются голые, слепые и беспомощные детеныши, которые питаются молоком, вырабатываемым двумя молочными железами самки. Сосков нет, и молоко просто сочится из двух покрытых шерстью участков кожи. Выкармливание заканчивается, когда детенышам исполняется примерно четыре месяца и они начинают выходить из гнезда на охоту. Продолжительность жизни утконосов в природе неизвестна, но один экземпляр жил в зоопарке 17 лет.
Утконос вместе с ехидной (Tachyglossus) и проехидной (Zaglossus) образует отряд однопроходных, или яйцекладущих, по некоторым признакам близкий рептилиям. Например, плечевой пояс этих млекопитающих включает коракоид, или воронью кость. Этот элемент скелета типичен для рептилий, но отсутствует или сильно редуцирован у всех прочих млекопитающих.
Единственный ныне живущий вид утконосов, Ornithorhynchus anatinus, относится к семейству утконосовых (Ornithorhynchidae) вместе с вымершим видом Obdurodon insignis, который жил в Австралии в миоцене более 5 миллионов лет назад.
Расшифровкой генома руководил консорциум ученых из медицинского колледжа Вашингтонского университета в Сент-Луисе, а всего в процессе декодирования были заняты несколько групп ученых из США, Австралии, Великобритании, Германии, Израиля, Испании, Новой Зеландии и Японии. Самку, из образцов тканей которой были выделены многочисленные копии ДНК для расшифровки, звали Гленни. Вероятно, теперь ответ на вопрос, который и поставить-то раньше было бы странно, – как зовут самого известного утконоса — не будет вызывать сомнений.
На сегодняшний день ученые располагают лишь «черновым» вариантом наследственной последовательности генома утконоса. Однако она уже прошла процедуру сопоставления с полностью расшифрованными геномами человека, мыши, собаки, опоссума и курицы, а также находящегося в «черновом» состоянии генома зеленой древесной ящерицы анолиса.
Особенный интерес в этом плане представляет геном курицы, так как он сформировался на основе генома вымерших яйцекладущих предков, в том числе рептилий, передавших значительную часть своей ДНК и птицам, и однопроходным. Разделение утконоса с остальными млекопитающими произошло 166 миллионов лет назад, потому учёным было интересно попытаться выделить группы генов, по отдельности отвечающих признакам пресмыкающихся, птиц и млекопитающих.
Геном утконоса содержит примерно 18 500 генов, кодирующих различные белковые молекулы.
Примерно столько же, сколько было обнаружено и у других животных; например, в геноме человека около 25 тысяч генов. Более 80% этих генов полностью идентичны уже известным, и лишь 20% представляют собой что-то новое, значительно отличаются от известных генов или являются совершенно уникальными. Ученые попытались выявить уникальные генетические последовательности, которые были утрачены млекопитающими за 166 миллионов лет эволюции.
ДНК утконоса несет в себе последовательности нуклеотидов, свойственные и рептилиям, и млекопитающим. Геном Гленни, с одной стороны, содержит гены, отвечающие у пресмыкающихся за оплодотворение яиц, с другой стороны, как и у других млекопитающих, в нём есть сцепленные гены, отвечающие за синтез казеина – белка, необходимого для выработки молока.
Несмотря на то что утконосы охотятся под водой с закрытыми ноздрями, их геном содержит примерно половину генов, помогающих млекопитающим чувствовать запахи.
Птицы и рептилии в сравнении с млекопитающими обладают очень ограниченным набором генов, необходимых для развития обоняния. Примечательно, что у утконосов «обонятельные» гены демонстрируют куда большую специфичность и обуславливают необычно высокую чувствительность так называемого сошниково-носового рецептора. По всей видимости, такая специфичность помогает утконосам охотиться под водой.
Иммунная же система утконосов генетически оказалась очень близка к таковой у млекопитающих, однако и в ее случае не обошлось без нескольких ключевых отличий. Так, иммунная система утконосов содержит целое развитое семейство генов, отвечающих за выработку противомикробных белковых молекул кателицидина. Приматы и позвоночные имеют только одну копию гена кателицидина в своем геноме.
В отряд однопроходных, или яйцекладущих (Monotremata) входят два ныне существующих семейства – утконосы и ехидны.
Утконосы представлены единственным сохранившимся видом и родом утконос (Ornithorhynchus anatinus).
Среди ехидн выделяют два рода
настоящие ехидны (Tachyglossus), представленные двумя видами австралийская ехидна (Tachyglossus aculeatus) и тасманийская ехидна (Tachyglossus setosus);
и проехидны (Zaglossus), обитающие на Новой Гвинее и на юго-востоке Индонезии (иногда их выделяют в два отдельных вида).
Известные ещё два вымерших семейства однопроходных – Kollikodontidae и Steropodontidae; найдены также окаменелости, которые относят к нескольким вымершим родам ехидн и утконосов.
Отдельные усилия ученых из Университета Луизианы были посвящены расшифровке мобильных участков ДНК, часто называемых прыгающими генами. Как уже рассказывала «Газета», эти участки ДНК очень важны для саморегуляции наследственной молекулы, они вызывают вставку новых последовательностей между существующими генами, удаление нуклеотидов из цепочки. Такие метаморфозы ДНК могут привести к возникновению совершенно новых генов в ДНК или их удалению, что в обоих случаях может привести к возникновению генетически обусловленных заболеваний.
По мнению Марка Бэйзера, руководившего этой частью работ, понимание регуляторных функций прыгающих участков ДНК в таком необычном геноме, как геном утконоса, а также сравнение их функций с функциями прыгающих генов других видов может дать незаменимую информацию для борьбы с наследственными заболеваниями в будущем.
Отдельного внимания учёных удостоился яд, содержащийся в шпорах задних лап утконоса.
Как оказалось, ядовитый коктейль в их железах образуется в результате экспрессии множества продублированных генов, доставшихся однопроходным еще от доисторических рептилий. Эволюция ядовитости утконосов, судя по всему, шла несколько иным путём, не зависимым от истории развития способности вырабатывать яд у современных пресмыкающихся.
В этом отношении трудно переоценить важность расшифровки генома утконоса, так как он кроме своей красоты и необычности может существенно углубить наши представления об эволюции как таковой, теория которой в последнее время все чаще становится объектом критики.
