Science: Для исследования мутаций у китов ученые использовали арбалет

Международная группа морских ученых под руководством Гронингенского университета, Нидерланды, и Центра прибрежных исследований, США, изучила ДНК семейных групп четырех различных видов китов с целью оценки скорости их мутации.

Результаты показали, что скорость мутаций значительно выше, чем считалось ранее, и сходна с таковой у более мелких млекопитающих, таких как человек, обезьяны и дельфины. Используя новые показатели, группа исследователей пришла к выводу, что численность горбатых китов в Северной Атлантике до начала китобойного промысла была на 86% ниже, чем предполагалось ранее.

Исследование является первым доказательством того, что этот метод может быть использован для оценки скорости мутаций в диких популяциях, и было опубликовано в журнале Science 1 сентября.

Скорость мутаций является ключевым параметром в генетике и геномике, где она используется для определения темпов эволюции и адаптации. Он также используется для определения численности китов в Мировом океане до того, как они были уничтожены в результате крупномасштабного коммерческого китобойного промысла. Однако оценить скорость появления новых мутаций у китов или у любого другого дикого вида довольно сложно.

Метод родословных

Долгое время для измерения скорости мутаций использовался филогенетический метод. Этот метод использует ископаемые данные различных видов для оценки времени их расхождения. Затем ДНК этих видов сравнивают, чтобы сделать вывод о том, сколько мутаций должно было произойти с момента расхождения.

Однако ископаемые данные не столь точны. И некоторые мутации могли исчезнуть с течением времени, — говорит Пер Палсболл, профессор кафедры эволюции и сохранения морской среды Гронингенского университета.

Он изучает китов с конца 1980-х годов и является автором-корреспондентом статьи в журнале Science.

Более современный подход — метод родословной, который использует геномы пары родителей и их потомства для выявления новых мутаций в потомстве. Этот более прямой метод, основанный на минимальных допущениях, идеально подходит для сравнения частоты мутаций у разных видов, например, у китов и людей.

Особенно в случае диких видов трудность заключается в получении образцов тканей как родителей, так и их потомства. Первый автор работы Маркос Суарес-Менендес: «Этот метод применялся лишь на небольшом количестве животных, живущих в дикой природе, например, на одной паре волков и их детенышах. Он также использовался для оценки частоты мутаций у животных в зоопарках, хотя неясно, отражает ли он частоту мутаций в дикой природе, где условия сильно отличаются». Однако команда, в которую вошли ученые из Нидерландов, США, Гренландии, Дании, Канады и Великобритании, смогла использовать образцы биопсии кожи, собранные у китов в ходе сотрудничества, которое продолжается уже более тридцати лет.

Арбалет

Первые биопсийные образцы китов Палсболл собрал среди айсбергов в водах Западной Гренландии в 1988 году. Для этого нужно было подплыть очень близко к киту, а затем выстрелить из арбалета дротиком с полым острием. Дротик выбивает образец и отскакивает обратно в воду, откуда его и собирают.

Поиск обоих родителей детеныша кита — первый шаг в измерении частоты мутаций методом родословной. Именно в этом случае на помощь приходят крупномасштабные ДНК-анализы. Суарес-Менендес проанализировал данные, полученные другим первым автором, Мартиной Берубе, на основе микросателлитных маркеров в ДНК. Эта ДНК была извлечена из большого архива биопсийных образцов китов и использовалась для создания генетического «отпечатка пальца» отдельных особей.

Я просеял данные по микросателлитам, чтобы найти особей, которые были связаны между собой как мать и детеныш. Затем я искал в базе данных возможных отцов.

Таким образом, ему удалось идентифицировать 212 предполагаемых трио родителей и потомства у четырех разных видов китов. ДНК восьми тройняшек была отправлена на секвенирование генома. После окончательной проверки отцовства Суарес-Менендес и его коллеги оценили количество новых мутаций в детеныше и среднюю скорость мутаций у китов.

Промышленный китобойный промысел

Результаты показали, что скорость мутаций у китов аналогична скорости, наблюдаемой в родословных у более мелких млекопитающих, таких как человек, обезьяны и дельфины. Напротив, более ранние оценки у китов с помощью филогенетического метода были значительно ниже, чем у этих более мелких млекопитающих. Суарес-Менендес:

Как и у людей, большинство новых мутаций исходит от отца. Так что в этом отношении киты очень похожи на нас.

Для оценки частоты мутаций в ДНК митохондрий — энергетических установок клетки — группа исследователей также использовала несколько иной метод материнской родословной. Этот метод до сих пор применялся только у пингвинов. Митохондрии и их ДНК передаются по материнской линии, и Суарес-Менендес воспользовалась данными четырех десятилетий наблюдений за парами горбатых коров и детенышей в заливе Мэн под руководством старшего автора Джука Роббинса из Центра прибрежных исследований.

Наше исследование показало, что скорость мутаций в митохондриальной ДНК китов также значительно выше, чем предыдущие оценки, основанные на филогенетическом методе, — поясняет Суарес-Менендес.

На основе новых, более высоких показателей мутаций был сделан вывод о численности китов в Северной Атлантике до начала промышленного китобойного промысла. Результат оказался на 86% ниже, чем ранее полученные оценки, основанные на филогенетических показателях мутаций.

Наши новые показатели мутаций позволяют предположить, что до начала промышленного китобойного промысла в Северной Атлантике обитало около 20 000 горбатых китов, в отличие от прежней оценки в 150 000, — говорит Палсболл.

Это важная информация не только для сохранения китов, но и для нашего понимания состояния Мирового океана до начала китобойного промысла. Еще один вывод, имеющий широкое значение, заключается в том, что наше исследование показывает, что вполне возможно оценить уровень мутаций у диких животных.

Рак

Скорость мутаций у китов, подобная человеческой, также заставила авторов отвергнуть одну из возможных причин парадокса Пето. Речь идет о том, что на видовом уровне частота возникновения рака не коррелирует с количеством клеток в организме. У китов в сотни-тысячи раз больше клеток, чем, например, у человека, поэтому, если у них такая же частота рака, как у людей, то они должны заболевать раком очень рано. Было предложено несколько механизмов защиты этих крупных морских млекопитающих от рака. Один из них — более низкая скорость мутаций, обусловленная тем, что у китов гораздо ниже скорость метаболизма. Обнаружение того, что это не так, позволяет предположить, что у китов, вероятно, действуют другие механизмы, например, увеличение числа копий гена p53, защищающего от рака.

Наконец, поскольку исследование опиралось на большое количество образцов тканей, которые собирались в течение нескольких десятилетий, в статье Science подчеркивается важность долгосрочных экологических исследований. Палсболл заключает:

Трудно получить устойчивое финансирование для подобных долгосрочных экологических исследований. Однако мы не смогли бы провести это исследование без постоянного участия и самоотверженности многих коллег, которые регистрировали все случаи наблюдения и собирали образцы, на которые опиралось наше исследование.

31.08.2023