Медленные? Беспомощные? Невзрачные? Вовсе нет! Черепахи — это животные, которые пережили несколько массовых вымираний, климатические сдвиги, падение пары-тройки астероидов в течение всей жизни нашей планеты. Кажется, что они живучей тараканов. Конечно, это неспроста — существует множество генетически обоснованных преимуществ черепах. В данной статье вы узнаете, благодаря чему они устойчивы к старению, стрессу и заболеванию раком.

Давайте познакомимся

Мы с вами изучим молекулярную эволюцию гигантских черепах, обитающих в основном на Галапагосских островах, где, согласно легендам, когда-то сам Чарльз Дарвин катался на спине одной из них. Известно, что гигантские черепахи с длиной панциря около 1 м обитают на атолле Альдабра, который входит в состав Сейшельских островов. В мировом же океане обитают кожистые черепахи размером 2,5 м (!). Они значительно отличаются от других черепах, а их эволюция идет по отдельному пути еще со времен мезозоя.

Гигантские черепахи с островов Галапагос и Альдабра разделились c общим предком около 40 миллионов лет назад, а с человеком более 300 миллионов лет. Размер популяции абингдонской слоновой черепахи (рис. 1а), эндемика Галапагосских островов, снижался в течение последних миллионов лет, а популяция сейшельских гигантских черепах (рис. 1б) испытывала значительные колебания в течение всего периода. Это может быть связано с изменениями климата, падением метеоритов или извержениями вулканов. По моему мнению, главный враг гигантских черепах — человек, хотя мы можем стать настоящими друзьями буквально на все времена. 

Рисунок 1а. Примеры разнообразного мира черепах. Абингдонская слоновая черепаха.

Рисунок 1б. Примеры разнообразного мира черепах. Сейшельская гигантская черепаха.

Рисунок 1в. Примеры разнообразного мира черепах. Дальневосточная черепаха.

Рисунок 1г. Примеры разнообразного мира черепах. Пустынный западный гофер.

Рисунок 1д. Примеры разнообразного мира черепах. Аргентинская черепаха.

Рисунок 1е. Примеры разнообразного мира черепах. Красноухая черепаха.

Немного из истории

А давайте вспомним, что было около 200 млн лет назад: суперконтинент Пангея только начал раскалываться, площади внутриконтинентальных водоёмов сокращались, а пустынные ландшафты наоборот развивались. И где-то в местах современной Европы (а точнее, в Южной Германии) и Таиланде гулял четырехугольный проганохелис с длиной панциря до 1 м (рис. 2). Размер — впечатляющий, но видали и больше. В качестве защиты черепахи использовали шипы и колючки на шее, что, к сожалению, не позволяло им полностью спрятаться под панцирем, но было эффективным орудием в защите от хищников.

Рисунок 2. Проганохелис

Исходя из условий среды обитания, проганохелис был вынужден обороняться от своих естественных врагов, что нельзя сказать о современных островных черепахах. Достаточно сложно напасть на животное высотой 1 м, длиной в 1,5 м, весом 300 кг, да еще и в панцире, которое обитает на изолированном острове. Однако с 16 века в результате открытия Галапагосских островов, колонисты и мореплаватели использовали крупных черепах в качестве «живых консерв».

Как мы уже догадались, гигантские черепахи с Галапагосских и Сейшельских островов представляют собой один из наиболее ярких примеров гигантизма. И вот, в 2011 году британский журнал Biology Letters опубликовал статью об изучении этого явления. Ученых заинтересовал вопрос эволюции размеров черепах. Они собрали данные о максимальных длинах панциря для 226 различных видов (рис. 3), а потом построили филогенетическое дерево  (рис. 4). Также они рассчитали оптимальные размеры для черепах из разных мест обитания, а именно для пресноводных, морских, островных и материковых.

Рисунок 3. а — Значения натурального логарифма длины панциря 226 видов черепах, выбранных учеными из литературных данных для построения филогенетического дерева. б — Зависимость длины панциря от мест обитания, где красным цветом выделены значения оптимальных размеров.

В результате подбора различных моделей филогенетической реконструкции была сконструирована следующая дендрограмма — один из типов филогенетических деревьев (рис. 4).

Рисунок 4. Цвета ветвей указывают на среды обитания: пресноводные (синий), морские (зеленый), материковые (красный) и островные (оранжевый). Приведены примеры видов из каждой среды обитания.

Исходя из полученных данных, можно предположить, что гигантизм черепах начал развиваться в конце палеогена. В то время: снизилась среднегодовая температура планеты, увеличилось разнообразие млекопитающих, в результате продолжавшегося расхождения континентов Южная Америка и Австралия полностью обособились от остального мира.

Скорее всего, большие размеры черепах были необходимы для миграции на значительные расстояния и выживания на засушливых территориях с ограниченным доступом к ресурсам, что может быть связано с повышенной способностью к долгому голоданию.

Гигантизм — не проблема в защите от рака!

Если вы — крупное позвоночное, которое может дожить до 200 лет, то наверняка слышали о парадоксе Пето. Согласно этому парадоксу, увеличение размеров тела животного приводит к низкой вероятности заболевания раком. Почему так происходит? Казалось бы, чем больше клеток в организме — тем выше риск возникновения неполадок в их делении. Оказывается, крупные позвоночные (а также животные-долгожители) используют дополнительную защиту от рака. Примечательно, что опухоли, как полагают, очень редки у черепах.

Группа замечательных ученых под руководством Адалжизы Каккони из Йельского университета и Карлоса Лопес-Отина из испанского университета Овьедо провела глубокий анализ генома гигантских черепах. Они секвенировали геномы Одинокого Джорджа и представителя Сейшельских черепах, после чего сравнили их между собой и с известными последовательностями генов смешной дальневосточной черепахи (рис. 1в), пустынного западного гофера (рис. 1г), человека и других животных. Несомненно, я не могла обойти стороной их безмерный труд, поэтому буду упоминать их работу несколько раз.

Так вот, генетики из пяти разных стран обратили внимание на 400 онкогенов-кандидатов (куда входили еще и супрессоры опухолей) гигантских черепах. Большая часть этих генов была достаточно консервативна по отношению к аминокислотному составу в сравнении с другими организмами, но ученые заметили некоторые изменения (рис. 5а):

• Дупликации некоторых генов — супрессоров опухолей, например SMAD4, NF2, PML, PTPN11 и P2RY8.
• Увеличенное число копий гена PRF1, кодирующего белок перфорин. Этот белок входит в состав Т-лимфоцитов и естественных киллеров организма. Перфорин участвует в создании канала через мембрану патогенных клеток, по которой цитолитические белки проникают на вражескую территорию и вызывают ее самоуничтожение.
• Накопление генов, ограничивающих работу MYCN и SET. Последние регулируют рост и дифференцировку клеток, а при нарушении экспрессии генов-супрессоров, могут привести к возникновению опухоли.

После дупликации гена в одной его копии накапливаются мутации, которые приводят к возникновению нового гена (за счет замены одного азотистого основания на другое или процессов рекомбинации), а другая копия сохраняет прежние функции, необходимые для выживания. Именно дупликации генов способствовали дивергенции гемоглобина и миоглобина, что привело к возникновению других глобинов.

Рисунок 5. а — Гены абингдонской слоновой черепахи и сейшельской гигантской, влияющие на процессы старения и устойчивости к раку, классифицированные в соответствии с их механизмом действия. В таблицах указаны количества копий генов (цифры) и соответствующие гены долголетия, и гены-супрессоры опухоли, обнаруженные у разных видов. Звездочки обозначают события псевдогенизации. Цветные точки представляют наличие нескольких вариантов. б — Диаграммы Венна, на которых изображены отношения между генами, связанными с раком, старением и иммунитетом.

Исходя из полученных результатов, ученые пришли к выводу о том, что у черепах усилен контроль иммунной системы, а множественные изменения числа копий генов препятствуют возникновению механизмов самопроизвольного роста опухоли.

В нашем непростом мире на механизмы развития рака могут оказывать влияние такие факторы, как продолжительность жизни, размер тела, среда обитания, физиология, скорость обмена веществ, а также температура окружающей среды (что особенно актуально в связи с нынешним изменением климата). Удобным объектом для изучения восприимчивости к раку считаются именно черепахи, так как в их кладе могут находиться крупные и мелкие виды, морские и сухопутные, что позволяет использовать этих невинных существ в изучении влияния экологических, молекулярных и эволюционных критериев на защиту от рака и подавление опухолей. Например, гигантские галапагосские черепахи могут весить до 100 раз больше и жить в 3–5 раз дольше, чем их ближайший живой родственник аргентинская черепаха, от которой они отделились около 3–4 миллионов лет назад.

Долго жить — не запретишь

Одна из форм естественного отбора называется положительным, потому что он стремится к фиксации полезных для популяции признаков. В качестве доказательства положительного отбора в эволюции гигантских черепах группа генетиков из разных стран выделила 43 гена. К ним относятся:

• AHSG принимает участие в процессе захвата необходимых для жизнедеятельности клетки гидрофильных молекул, развитии мозга и формировании костной ткани.
• TDO2 кодирует фермент, который играет важную роль в метаболизме триптофана. Напомню, что именно из триптофана в мозге человека образуется серотонин.
• MVK участвует в синтезе фермента, который способствует образованию холестерина (из него образуются стероидные гормоны и желчные кислоты, необходимые для нормального развития и переваривания жиров соответственно). Также этот фермент помогает производить вещества, используемые в дифференцировке клеток, образовании цитоскелета и др.

Мутации в генах, влияющих на обмен веществ, привели к замедлению процессов метаболизма, что, в свою очередь, могло стать причиной долгожительства этих рептилий.

А теперь поподробней о метаболизме.

Процесс старения организма делает невозможным поддержание клеточного гомеостаза, что приводит к нарушению метаболических процессов. Как вы уже могли догадаться, у черепах и здесь кроется свой «туз в рукаве», а точнее — под панцирем.

Интересной находкой оказались мутации в генах, регулирующих метаболизм глюкозы и участвующих в энергетическом обмене:

• Дупликации GSK3A (p.R272Q — вариант фенотипа, когда аргинин (R) в 272 положении заменяется на глутамин (Q)), который кодирует фермент, участвующий в регуляции процессов приема и передачи информации в клетках. Вовлечен в поддержание гомеостаза глюкозы. Также он регулирует выработку пептидов, провоцирующих болезнь Альцгеймера.
• Удвоение GAPDH. Он кодирует фермент, играющий ключевую роль в производстве энергии, а также восстановлении ДНК и апоптоза клеток.
• Отсутствие гена NLN. Потеря этого гена у мышей привела к более полному усвоению глюкозы и повышенной чувствительности к инсулину.

Благодаря этим изменениям черепахи могут поддерживать свой клеточный гомеостаз в течение долгого времени, что позволяет им жить долго и счастливо.

Еще одну отличительную особенность гигантских черепах нашли в митохондриях, где были обнаружены две мутации — p.Q366M и p.M487T. Они влияют на функционирование гена ALDH2. Этот ген кодирует митохондриальную альдегиддегидрогеназу, участвующую в метаболизме спиртов и перекисном окислении липидов, помимо других процессов детоксикации. Интересно то, что мутация p.Q366M, которая приводит к изменению НАД-связывающего сайта фермента ALDH2, встречается исключительно у гигантских галапагосских черепах, но не у их континентального близкого родственника аргентинской черепахи. Подобные изменения стимулируют процессы детоксикации организма, что опять-таки способствует продлению жизни! Совместно с изменениями генов NLN и GAPDH, которые также кодируют ферменты, связанные с функционированием митохондрий, эти мутации могут препятствовать возникновению митохондриальных дисфункций, приводящих к ускоренному старению.

Для генетического анализа долголетия черепах, группа ученых выбрала 500 генов, которые, по их предположению, могли принимать участие в процессах старения. В итоге они выявили изменения нескольких генов, основной функцией которых является поддержание целостности генома (рис. 6).

• Во-первых, это дупликация NEIL1 (рис. 6а) — гена ключевого белка, участвующего в эксцизионной репарации оснований, что препятствует повреждению молекул активными формами кислорода.
• Во-вторых, дупликация RMI2 (рис. 6а). Этот ген необходим для регуляции процесса расхождения сестринских хроматид и восстановления повреждений в молекуле ДНК.

Рисунок 6. а — Дупликации генов и предполагаемые места изменения функций, обнаруженные у абингдонской слоновой черепахи, сейшельской гигантской черепахи и других видов. б — Сайты, выделенные в XRCC6 и DCLRE1B.

Экспрессии этих двух генов приводят к уменьшению количества белков, участвующих в упаковке нитей ДНК, и расщеплению поли(АДФ-рибоза)-полимераз (PARP), что указывает на снижение уровня повреждения ДНК. Ученые утверждают, что этот результат согласуется с гипотезой о том, что NEIL1 и RMI2 могут регулировать силу механизмов репарации ДНК.

• В-третьих, одиночная мутация в XRCC6 — гене, кодирующем фермент, который участвует в восстановлении негомологичных концов молекулы ДНК, используя энергию гидролиза молекулы АТФ, что может повлиять на его функционирование (p.K556R) (рис. 6а) [3. Этот белок есть у различных позвоночных, но у гигантских черепах и голого землекопа подвергается мутациям (p.K556R и p.K556N соответственно), которые оказывают влияние на репарацию молекул ДНК у долгоживущих организмов (рис. 6б). Этот феномен может свидетельствовать о наличии конвергентной эволюции между организмами.
• В-четвертых, изменение в гене DCLRE1B (p.R498C) (рис. 6а), который вместе с TERF2 (рис. 6б) защищает теломеры от негомологичного соединения концов. Этот процесс может привести к образованию хромосом с двумя центромерами, разрывающимися во время митоза. Поддержание определённой длины теломер, без укорачивания, можно назвать «регуляторным механизмом долголетия черепах».
• В-пятых, увеличение копий гена EEF1A1. Этот ген кодирует белок, участвующий в доставке аминокислот от тРНК до рибосомы в процессе биосинтеза белков.

Кроме того, мутация в гене MIF, может привести к образованию дисульфидных связей, ингибирующих внутриклеточные сигналы. Мутация в гене IGF1R влияет на функционирование факторов роста IGF1 и IGF2. В частности, модель белка IGF1R абингдонской черепахи показала (рис. 7), что аминокислота в 724-м положении расположена на поверхности белка, а наличие остатка аспарагиновой кислоты (D) вместо аспарагина (N) изменяет электростатическое поле молекулы. Уникальное изменение IGF1R, по мнению ученых, может являться материалом для изучения клеточных механизмов, лежащих в основе долголетия этих рептилий. Интересно, что генетики также обнаружили короткую делецию в кодирующей области IGF2R, что приводит к потере двух аминокислотных остатков. Учитывая, что мутации IGF2R человека связаны с долголетием, можно предположить, что у черепах они проявляют аналогичный эффект.

Рисунок 7. Множественное выравнивание последовательности белка IGF1R вокруг участка 724-й аминокислоты у абингдонской слоновой черепахи, сейшельской гигантской черепахи и других видов. Для сравнения приведены смоделированные поверхности IGF1R человека (вверху справа) и абингдонской черепахи (внизу справа) вокруг одного и того же участка. Отрицательно заряженные области изображены красным цветом, положительно заряженные области — синим.

Стресс? Нет, не слышали

Мало того, что черепах можно считать самой древней группой рептилий, так они еще могут адаптироваться к экстремальным условиям среды обитания. Например, западная расписная черепаха выживает при полном отсутствии кислорода в организме и частичном замораживании во время спячки. Она просто контролирует процесс производства и потребления молекул АТФ!

А помогли ей в этом сравнительно медленные темпы молекулярной эволюции глобинов. Суперсемейство глобинов возникло 400 миллионов лет назад. Сейчас известно о восьми типах глобинов, которые можно найти у разных позвоночных. Удивителен тот факт, что черепахи до сих пор являются единственными известными позвоночными с полным репертуаром глобинов (рис. 8). Данный феномен позволяет провести сравнительный анализ экспрессии всех восьми глобинов в одном виде. Это необходимо для глубокого изучения функций этих белков и устойчивости черепах к кислородному голоданию.

Разные типы глобинов отличаются по структуре, функциям и эволюционной истории. Известные гемоглобины (Hbs) и миоглобины (Mbs) служат для переноса и хранения O2. Однако глобины также имеют другие функции и могут участвовать в производстве и разложении оксида азота, детоксикации активных форм кислорода или передаче внутриклеточных сигналов.

Рисунок 8. Распределение глобинов среди позвоночных

Существуют три вида глобинов, которые есть не у всех:

• глобин X (GbX) является мембраносвязанным глобином в нервной системе, не был найден у птиц и млекопитающих;
• функции глобина Y (GbY) определить достаточно трудно, так как пока недостаточно изучены особенности его синтеза и его таксономическое распределение, хотя известно, что он отсутствует у большинства млекопитающих;
• глобин E (GbE) — участвует в процессах окислительного метаболизма в сетчатке глаз, обнаружен только у птиц и некоторых рептилий.

Потеря некоторых глобиновых генов может быть частично объяснена физиологическими изменениями, когда необходимость в конкретном глобине исчезает или его заменяет другая молекула, а также случайными изменениями в геноме.

Атака извне

Контроль над собственным телом достигается аскетами в течение многих десятилетий. Для достижения аналогичных результатов черепахе необходимо родиться. Размер — близок к оптимальному, метаболизм — под присмотром, рак — не беда. Но что насчет коварных вирусов и бактерий?

Генетики провели анализ 891 генов, участвующих в функционировании иммунитета гигантских черепах. Они обнаружили дупликации, которые отсутствуют у млекопитающих.

• Двенадцать копий гена PRF1, в то время как у большинства млекопитающих и банкивской джунглевой курицы — всего одна копия, а у североамериканского красногорлого анолиса — две.
• Дупликации генов APOBEC1, CAMP, CHIA и NLRP, которые участвуют в защите от вирусов, микробов, грибов и паразитов.
• Несколько вариантов гена MIF, который кодирует белок лимфокин. Он принимает участие в иммунном ответе на бактериальные инфекции. Экспрессия этого гена в очагах воспаления регулирует функции макрофагов в защите хозяина за счет подавления противовоспалительной активности глюкокортикоидов.

Получается, что у черепах увеличено количество генов, входящих в систему врожденного иммунитета. Отсюда можно сделать вывод, что увеличение количества копий определенных генов может усилить иммунный ответ организма. А именно врожденный иммунный ответ происходит по принципу спецназа — быстро и эффективно: через считанные минуты после проникновения в организм большинство патогенов обнаруживается и обезвреживается, а спустя несколько часов враг полностью повержен.

И ещё одна

Никос Поулакакис и Дэниэль Эдвардс из Йельского университета описали новый вид гигантской черепахи с острова Санта-Крус в 2015 году. Слово «новый» здесь означает «давно забытый старый» — на самом деле этот вид черепах просто находится на другом конце острова (куда было лень дойти раньше), а внешне они очень похожи (рис. 9). Как отдельный вид черепах оказался на другом конце острова? Я не знаю, а вы можете предложить свои варианты в комментариях.

Рисунок 9. а — Байесовская сеть, восстановленная из набора данных, включающая все уникальные гаплотипы контрольного региона мтДНК из сохранившихся и вымерших видов, а также три музейных образца гигантских галапагосских черепах. Цифры на ветвях указывают на вероятностный вывод. Представлены только значения узловой поддержки для основных линий. Красный и зеленый цвета идентифицируют музейные образцы, проанализированные в настоящем и предыдущих исследованиях соответственно. б — Сеть гаплотипов, показывающая матрилинейное (прослеживание родства по материнской линии) разнообразие, восстановленное по 70 последовательностям гигантской сантакрусской черепахи, 51 последовательности линии черепахи донфаусто и 2 — чатамской. Двадцать пять предполагаемых мутаций разделяют гаплогруппы донфаусто и сантакрусской черепах.

Новый вид был назван «черепаха донфаусто» в честь отставного галапагосского лесничего по имени Фаусто Льерена Санчес (дона Фаусто). Этот человек посвятил 43 года оказанию помощи в спасении находящихся под угрозой исчезновения черепах.

Так вот, ученые провели байесовский филогенетический анализ (рис. 9а), используя все ранее обнаруженные гаплотипы определенной области мтДНК сохранившихся и вымерших галапагосских черепах. В результате оказалось, что черепахи с острова Санта-Крус (донфаусто (рис. 10а) и гигантская сантакрусская (рис. 10б)) родственниками не являются! Согласно родословной, черепахи донфаусто — близкие родственники гигантских чатамских черепах с Сан-Кристобаля (самого восточного из галапагосских островов) (рис. 10в), и вместе они являются сородичами абингдонской слоновой черепахи.

Рисунок 10а. Черепаха донфаусто

Рисунок 10б. Гигантская сантакрусская

Рисунок 10в. Гигантская чатамская черепаха

В соответствии со следующими признаками, ученые пришли к выводу, что донфаусто является отдельным видом:

• У донфаусто есть ограниченный ареал обитания. Этих черепах можно встретить только в восточной части острова Санта-Крус, на площади, которая в настоящее время оценивается примерно в 40 км2 (рис. 11).

Рисунок 11. Распределение гигантских черепах на острове Санта-Крус

• Несмотря на сходство с другими галапагосскими черепахами, донфаустоотличается по размеру и форме панциря: они меньше, а цервикальная часть карапакса (той части панциря, что находится над шеей) — ниже (рис. 10).
• Донфаусто отличается от остальных видов по различным частотам аллелей в 12 микросателлитных локусах. Также, у нового вида уникален набор полиморфизмов в гаплотипе контрольного региона мтДНК.

Сейчас известно, что численность черепах донфаусто составляет 250 особей, а сантакрусских — 3400 особей. Учитывая их малое количество, необходимо усилить защиту и восстановление данного вида черепах. Из-за низкой численности и малого географического диапазона донфаусто можно считать уязвимыми.

Эпилог

Очевидно, что черепахи за всю свою многолетнюю историю пережили много взлетов и падений, но все же имеют массу преимуществ. Всё началось с увеличения размера тела и привело к защите от многих недугов. Сопротивляемость окислительному стрессу, предотвращение укорачивания теломер, возможно, необходимы черепахам для выживания на засушливых территориях и глубоко под водой, а такие привилегии как долголетие — являются лишь побочным эффектом.

Несмотря на свою крепкую броню, разные виды черепах находятся под угрозой вымирания. Нам же следует поддерживать биоразнообразие живых существ на нашей планете, чтобы повысить устойчивость природных экосистем и не только. К примеру, черепахи могут стать нашими «коллегами» в анализе устойчивости к старению, стрессу и заболеванию раком. При разработке исследований прикладного характера возможно изучить механизмы функционирования аналогичных белков человека. Вряд ли мы станем черепахами, а вот оставаться в хорошей форме на протяжении нескольких десятков лет — вполне возможно.

Источник: БИОМОЛЕКУЛА