У жовтні 2024 року один із рецензованих фахових журналів Лондонського королівського товариства “Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences” (Велика Британія) опублікував статтю “Relaxed selection in evolution of genes regulating limb development gives clue to variation in forelimb morphology of cetaceans and other mammals” («Релаксований добір в еволюції генів, що регулюють розвиток кінцівок, дає ключ до відмінностей у морфології передніх кінцівок китоподібних та інших ссавців»), співавторами якої є науковці відділу еволюційної морфології Інституту зоології ім. І.І. Шмальгаузена НАН України – провідний науковий співробітник доктор біологічних наук, професор Павло Гольдін (автор ідеї) й аспірантка Валерія Теліженко (головна виконавиця). Про цілі, результати і перспективи цих досліджень пресслужба НАН України розпитала Павла Гольдіна.
Кит-горбань. Автор світлини – Павло Гольдін
– Пане Павле, розкажіть, будь ласка, як виникла ідея цих досліджень, якою була їхня головна мета і над чим саме ви з колегами працювали.
– Ідея виникла давно, ще у минулому столітті. Різні автори й дослідницькі групи неодноразово обговорювали у фаховій літературі, як анатомія плавця китоподібних може бути пов’язана з генетичними змінами і чи можливо знайти ключ до розуміння еволюції плавця, вивчаючи регуляторні гени. Цю ідею я однією з перших почав обговорювати зі своїм новим керівником – паном Ігорем Дзеверіним [Ігор Дзеверін – завідувач відділу еволюційної морфології Інституту зоології ім. І.І. Шмальгаузена НАН України, доктор біологічних наук], щойно прийшов на роботу до Інституту зоології у 2014 році [до тимчасової окупації Криму росією Павло Гольдін працював на кафедрі зоології Таврійського національного університету імені В.І. Вернадського]. Приблизно в той же час було опубліковано і перші повні геноми китоподібних. Я почав переглядати їх спочатку без допомоги машинних засобів і зрозумів, що генетичне підґрунтя еволюції плавця справді може існувати і що є перспективні ділянки, які було б цікаво дослідити. Потім я шукав колег або студентів, потенційно зацікавлених у цій темі. Так до нашого відділу прийшла пані Валерія Теліженко, яка була ще студенткою, і разом ми зробили попередні розрахунки, щоб оцінити ймовірні результати наших майбутніх досліджень. Згодом ми включили роботи за цим напрямом до своєї заявки на здобуття ґранту Національного фонду досліджень України й отримали фінансування, а отже, і нагоду довести задумане до кінця.
Валерія Теліженко (фото – з Facebook-сторінки дослідниці)
Українські й іноземні колеги люб’язно надали нам матеріали для дослідження, з якими ретельно попрацювала пані Валерія. Вона виконала біоінформатичний розрахунок і коректно – зі статистичного й математичного поглядів – підтвердила частину первинних гіпотез, а решту – спростувала. Тобто деякі наші припущення виявилися хибними. Крім того, пані Валерія оцінила швидкості, напрями і темпи еволюції кожного аналізованого гена і завдяки цьому з’ясувала, які саме регуляторні гени були задіяні в анатомічних перетвореннях елементів плавця – формуванні певної кількості пальців і фаланг у пальцях, швидкості скостеніння пальців і зап’ястка тощо. Анатомічну інформацію ми закодували у вигляді простих математичних показників і виявили кореляцію між перетвореннями певних генів і перетвореннями анатомічних структур.
Але важливо, що ми пішли далі. Оскільки серед головних завдань наших наукових пошуків була перевірка гіпотези на зовнішньому матеріалі, то мало було дослідити лише китоподібних – потрібно було порівняти їх з іншими ссавцями, які мають схожі перетворення кінцівок: перевірити, в яких видів є такі схожі кінцівки, чим вони подібні між собою і чим різняться, а також чи є якісь збіги або паралелізми в еволюції тих чи тих генів. Пані Валерія проаналізувала гени потенційно цікавих звірів – і виявилося, що справді є кілька груп ссавців, кінцівки яких трансформувалися так, як у китоподібних. Це, наприклад, морські корови, тюлені, кажани (хоча передні кінцівки кажанів зрештою перетворилися не на плавці, а на крила), копитні, слони (у слонів утворюється дуже незвична нога, як ми її називаємо, з котрої не стирчать пальці) і не лише. Треба сказати, що це дуже довга і кропітка аналітична робота. Адже попри те, що більшість геномів оприлюднено у загальнодоступних біоінформатичних генетичних банках, а проте вони не анотовані. Тобто це сирий матеріал, який іще тільки належить розібрати, «розмотати», як клубок ниток, знайти потрібні гени, перевірити правильність їхнього попереднього автоматичного читання і, якщо ген «прочитано» некоректно, виправити помилки.
Скелет кінцівки морської свині (позитив рентгенограми). Автор – Павло Гольдін
А головний наш результат такий: певні елементи анатомії дійсно скорельовані з певними генетичними змінами, і такі зміни можна віднайти не лише у китоподібних, а й у деяких інших ссавців. Серед іншого, це, наприклад, аргумент на користь того, що слони і морські корови могли мати спільного напівводного предка. Іншими словами, цілком можливо, що слони – це нащадки якихось напівводних ссавців, схожих на сучасного гіпопотама, які повторно вийшли на суходіл.
Анатомія скелету грудної кінцівки у китоподібних – китів і дельфінів
– Зрозуміло, чому ви порівнювали китоподібних із кажанами (бо еволюція останніх пов’язана з їхнім переходом до повітряного середовища) і слонами (бо їхній гіпотетичний предок міг вийти з води на суходіл). А чим зацікавили гризуни, про яких згадано в анотації до вашої зі співавторами статті?
– Гризуни теж перейшли до іншого середовища, але це середовище – підземне. Зокрема, ми виявили зв’язок між генетичними й еволюційними змінами у голого землекопа, який провадить цілковито підземний спосіб життя і теж має сильно трансформовані передні кінцівки.
– Ви сказали, що частина первинних гіпотез не підтвердилася. Про що саме йдеться? А, крім того, дослідження, про яке ми говоримо, напевно, не є кінцевою зупинкою наукового пошуку за цим напрямом. То які ще таємниці лишаються нерозкритими?
– Наприклад, підтвердилася гіпотеза щодо еволюції гену HOXD13, але не підтвердилася гіпотеза щодо еволюції гену HOXA13.
– А що ці гени регулюють або кодують?
– Вони регулюють приблизно одне й те ж. Це останні за черговістю дії регуляторні гени, тобто вони завершують регуляцію розвитку організму. І вони діють у парі. Тож ми очікували, що вони обидва можуть бути задіяні в еволюції кінцівок. І вони справді задіяні, але вплив гену HOXA13 може проявлятись інакше – не у послідовності амінокислот, а в інших регуляторних механізмах. Тому варто продовжити це дослідження. І до того ж розширити його, бо ми розглядали невеличку вибірку – всього 25 головних генів плюс 25 контрольних. А вже виконано інше дослідження, автори якого проаналізували близько тисячі генів і показали, що є й інші, не пов’язані з розвитком і функціонуванням кінцівок, гени, перспективні для вивчення. Можна взяти цю вибірку або й більшу, розглянути її ген за геном. Чи навіть проаналізувати весь геном. Наприклад, наш співавтор Майкл МакҐовен [дослідник-зоолог відділу зоології хребетних і куратор колекції морських ссавців Природничого музею Смітсонівського інституту у Вашингтоні (США), доктор філософії] – виклав у мережу послідовності з 3700 генів. Словом, якщо приділити цій роботі більше машинного і людського часу, то, можливо, вдасться виявити ще щось цікаве. Крім того, на додачу до генів, що кодують білки (а саме такі гени були об’єктом нашої уваги), є гени, що кодують тільки рибонуклеїнові кислоти, які не транслюються до протеїнів (білків), але теж виконують в організмі регуляторну функцію. Їх доволі багато, проте вивчати їх значно складніше, тому що вони дуже швидко еволюціонують, і для таких досліджень іще тільки належить розробити коректні методи й механізми, а ті, що вже є, потребують удосконалення. Гадаю, колись це буде зроблено. Наразі ж більшість досліджень такого штибу зосереджені на людині, і вони вже засвідчили свою перспективність. До речі, у межах проєкту за ґрантом Національного фонду досліджень України ми дещо дослідили РНК, які кодуються генами, і незабаром, сподіваюся, зможемо опублікувати й ці результати. Ще одна стаття нашої групи (перший автор – Марія Гхазалі [старший науковий співробітник відділу еволюційної морфології Інституту зоології ім. І.І. Шмальгаузена НАН України, кандидат біологічних наук]) – вона поки не вийшла в кінцевому журнальному варіанті, але вже оприлюднена у вигляді препринту – присвячена не всій кінцівці, а тільки плечовій кістці. Тут ми проаналізували інші анатомічні деталі, інші гени й інші еволюційні явища.
– Як ваше з колегами дослідження й інші такі роботи змінюють уявлення про китоподібних зокрема і про еволюцію загалом?
– Якщо відповісти дуже коротко, то – змінюють. Ми з’ясували, що в китоподібних діє релаксований добір регуляторних генів кінцівки. Це означає, що добір і не рушійний (тобто, не спрямований на зміну генної послідовності), але його не можна охарактеризувати однозначно як стабілізаційний (тобто спрямований на збереження генної послідовності): він радше стабілізаційний, але ніби «розхитаний», сповнений невпорядкованих змін, що взагалі геть не звично для регуляторних генів, які відповідають за найважливіші ознаки організму. І тепер ми більше дізнаємося про закономірності й обмеження еволюції, а також про суть еволюційного процесу, яка полягає у тому, що одні й ті ж явища в різних контекстах дають різні результати. Скажімо, в одних популяціях (і навіть видах) та екологічних ситуаціях релаксований добір може призводити до часткового або повного вимирання, але для китоподібних він став рушієм їхньої еволюції, бо вони не лише не вимирають, а ще й краще розмножуються. Це дуже цікаво.
Крім того, я думаю, що результати таких наукових досліджень, як наші, можуть стати у пригоді інноваторам – для розроблення нових механізмів у техніці й нових ліків у медицині. Ми вважаємо, що вивчення регуляторних генів та їхньої еволюції, з-поміж іншого, робить внесок у теоретичні засади розуміння онкологічних процесів. Адже саме розлад у регуляторних генах є причиною і частиною розвитку злоякісних пухлин. Тому, на нашу думку, з’ясування механізмів, якими китоподібні вгамовують ці свої постійно присутні генетичні розлади, можуть допомогти у терапії онкологічних захворювань.
– Чимось нагадує кажанів, які мільйони років тому навчилися жити з різними небезпечними вірусами.
– Абсолютно точно. Ми невипадково поєднали дослідження китоподібних і кажанів у цьому проєкті. Хоча, схоже, вони використовують протилежні стратегії. Але це теж іще потребує вивчення.
Логотип Національного фонду досліджень України. Джерело: nrfu.org.ua
Спілкувалася Сніжана Мазуренко