Утраченный ген объясняет необычное строение тела морских пауков

Pycnogonum litorale, взрослая самка, питающаяся актинией. Автор: Георг Бреннейс

Международная группа исследователей из Венского университета и Университета Висконсин-Мэдисон (США) впервые собрала геном морского паука (Pycnogonum litorale) на уровне хромосом. Это открытие проливает свет на формирование уникального строения тела этих существ и помогает понять эволюционную историю хелицеровых в целом. Исследование опубликовано в журнале BMC Biology.

Морские пауки (Pycnogonida) — морские членистоногие с крайне необычной анатомией: их туловище узкое и короткое, многие внутренние органы расположены в длинных ногах, а брюшко настолько редуцировано, что его почти невозможно различить. Вместе с пауками, скорпионами, клещами и мечехвостами они относятся к группе хелицеровых, названных так из-за клешневидных ротовых придатков — хелицер. Их странное строение тела вызывает множество вопросов: какие генетические факторы лежат в основе его формирования? И что это может рассказать об эволюции хелицеровых? Ответы скрыты в их геноме.

Высококачественный геном

Для сборки генома ученые использовали комбинацию методов секвенирования. Сначала генетический материал одной особи P. litorale был проанализирован с помощью технологии «длинного чтения» (long-read sequencing), которая позволяет считывать протяженные участки ДНК. Это упрощает сборку сложных и повторяющихся участков генома. Затем пространственная организация генома была исследована у другой особи, что помогло определить правильный порядок фрагментов ДНК. В результате удалось собрать 57 псевдохромосом, представляющих почти весь геном морского паука с беспрецедентной точностью. Дополнительно были получены данные об активности генов на разных стадиях развития P. litorale.

«Геномы многих нестандартных лабораторных организмов сложно собрать, и Pycnogonum — не исключение. Только сочетание современных методов секвенирования позволило получить высококачественный геном», — говорит первый автор исследования Николаос Пападопулос из Департамента эволюционной биологии Венского университета. «Теперь это станет основой для дальнейших исследований».

Потерянный ген и его последствия

Особое внимание ученые уделили так называемому Hox-кластеру — семейству генов, эволюционно консервативному у всех животных. «У членистоногих Hox-гены играют ключевую роль в правильном формировании сегментов тела, а у многих других групп животных они являются «главными регуляторами» развития организма», — объясняет Андреас Ваннингер, один из руководителей проекта.

Главная загадка Pycnogonum litorale: часть Hox-кластера, включая ген abdominal-A (Abd-A), ответственный за развитие задней части тела, полностью отсутствует в его геноме. Это может объяснять крайнюю редукцию брюшка у морских пауков. Подобные мутации наблюдались и у других членистоногих с редуцированными задними сегментами, например, у некоторых клещей и усоногих раков. Таким образом, морские пауки подтверждают связь между утратой Hox-генов и упрощением строения тела.

Новый этап исследований

Собранный геном открывает новые возможности для сравнительных исследований. P. litorale становится важным модельным организмом для изучения эволюции хелицеровых и генетических механизмов, лежащих в основе разнообразия членистоногих.

«С точки зрения эволюционной биологии развития морские пауки очень интересны: их способ развития может быть близок к предковому для членистоногих, но при этом у них есть уникальные особенности строения тела. Кроме того, они обладают замечательными регенеративными способностями», — объясняет последний автор работы Георг Бреннейс. «Теперь, имея геном и данные об активности генов в процессе развития, мы можем систематически изучать все эти аспекты на молекулярном уровне».

Ученые планируют использовать новый геном для дальнейших исследований регуляции генов, развития и регенерации у хелицеровых, чтобы лучше понять эволюционные механизмы этой группы.

Источники: sciencedaily.com, материалы Венского университета.