Ученые определили генетические различия живородящих и яйцекладущих ящериц

Авторы статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences пришли к выводу, что появление живорождения у ящериц в ходе эволюции — не такой сложный процесс, как предполагалось ранее. 

Живорождение — процесс, при котором развитие эмбриона полностью происходит внутри организма самки, а детеныш рождается без зародышевых оболочек, в качестве защиты эмбриона от воздействия внешней среды выступает организм матери. Для эволюционного перехода от откладывания яиц к живорождению репродуктивная система самок должна сильно измениться, также должны поменяться биохимические и иммунологические процессы. Несмотря на эти сложности, живорождение независимо возникало в истории позвоночных неоднократно. До сих пор, однако, генетические изменения, отвечающие за перестройку стенок матки, обеспечение питания, газообмена и прикрепления эмбриона и появление других признаков живорождения, были исследованы недостаточно, а масштабных исследований большого числа генов у близкородственных видов не проводилось.

Для исследования эволюции живорождения удобным объектом являются чешуйчатые рептилии. Живорождение у них независимо возникало, по разным оценкам, от 98 до 129 раз, поэтому для сравнения несложно найти парные виды, которые близко расположены на эволюционном дереве, но самки одного из которых являются живородящими, а другого — яйцекладущими. В своей работе для первого эксперимента ученые выбрали два близкородственных вида чешуйчатых рептилий из рода Кругоголовки — яйцекладущих Phrynocephalus przewalskii и живородящих Phrynocephalus vlangalii. Исследователи провели транскриптомный анализ клеток матки на разных стадиях размножения. Транскриптомный анализ — анализ всех присутствующих в клетке молекул РНК, который показывает уровень активности тех или иных генов. Активность генов в клетках матки ящериц измерили до оплодотворения, после оплодотворения по мере развития зародыша и после откладывания яиц или рождения детенышей. В итоге для каждой стадии ученые выделили более ста генов, экспрессия которых повышалась только в определенное время развития эмбриона, и сравнили их активность у живородящих и яйцекладущих самок.

Затем исследователи определили, какие гены ответственны за исчезновение оболочки яйца у живородящих видов — дело в том, что зародыши живородящих ящериц не сразу получают питательные вещества и кислород из организма матери, а сначала точно так же, как и у большинства других рептилий, имеют все необходимое внутри яйца в кожистой оболочке. Потом развитие зародыша у живородящих ящериц происходит по-разному. У некоторых видов зародыш созревает внутри яйца до конца, а затем разбивает скорпулу и выходит из нее, все еще находясь внутри родовых путей самки. У некоторых ящериц, к которым относятся и Кругоголовки, кожистая оболочка со временем истончается и в какой-то момент она становится настолько тонкой, что сам зародыш тесно соприкасается со стенкой матки и может питаться и дышать с помощью организма матери. У яйцекладущих животных, наоборот, скорлупа плотная и многослойная. Эти слои вырабатываются стенками яйцевода и твердеют по мере прохождения по нему. Чтобы оболочка была достаточно прочной, яйцеводы должны быть развитыми и достаточно длинными, и их формирование происходит ещё до беременности самок. Ученые сравнили данные из клеток матки двух видов до стадии оплодотворения и начала развития зародыша. Ученые нашли 148 генов, отвечающих за развитие яйцевода у Phrynocephalus przewalskii, включая ген синтеза 17β-эстрадиола и его рецепторов, и только 3 из них были активны у живородящих самок Phrynocephalus vlangalii.

Зародыш Phrynocephalus vlangalii развивается внутри организма самки на протяжении долгого времени, поэтому он прикрепляется к стенке матки, а также развивается плацента. Это происходит примерно в середине срока беременности, поэтому ученые сравнили разнообразие генов, которые активировались примерно в это время у живородящих самок, но экспрессия которых почти не повышалась у Phrynocephalus przewalskii. Клетки матки живородящих самок отличались повышенной экспрессией генов, которые отвечают за расщепление белков внеклеточного матрикса (что, вероятно, необходимо для изменения строения матки), факторов роста клеток и молекул клеточной адгезии кадгерина и интегрина альфа-V, необходимых для прикрепления эмбриона к матке.

Далее ученые выяснили, за счет каких факторов зародыш дольше остается внутри организма матери при живорождении. Рождение детеныша на свет или откладывание яиц сопровождается интенсивными сокращениями мышц стенки матки. Эти сокращения стимулируются несколькими веществами — в частности, гормоном аргинин-вазотоцином (AVT) и простагландинами (PGs). Если у Phrynocephalus przewalskii не было резких изменений в активности генов, связанных с действием этих веществ, то у живородящих Phrynocephalus vlangalii уровень экспрессии генов синтеза этих молекул и их рецепторов был относительно низким на протяжении беременности и резко повышался только к концу срока. Другим способом удержать эмбрион в организме самки до конца развития может быть синтез ингибиторов AVT и PGs. Одним из известных веществ является прогестерон (P4), который оказывает расслабляющее действие на мускулатуру матки через β-2-адренорецепторы (ADRB2). Действительно, экспрессия ADRB2 в течение беременности Phrynocephalus vlangalii значительно повышалась по сравнению с периодом перед беременностью и резко снижалась непосредственно перед родами, когда нужны сокращения мускулатуры.

Чтобы определить, являются ли различия в уровне экспрессии одинаковых генов главной причиной появления живорождения и у других чешуйчатых рептилий, ученые сравнили еще три пары живородящих и яйцекладущих близкородственных видов из трех других родов ящериц — Eremias, Scincella и Sphenomorphus. Исследователи проверили вносят ли вклад появление новых генов и белков в возникновение отличий в репродуктивной системе самок. Для этого они сравнили последовательности 9118 генов, общих у четырех пар видов ящериц и увидели, что к заменам в одних и тех же белковых последовательностях у яйцекладущих видов приводят изменения только четырех генов, что может считаться случайным процессом в ходе эволюции и, скорее всего, не является приспособлением к каким-то специфическим условиям обитания. Суммируя результаты всех экспериментов, ученые пришли к выводу, что переход к живорождению у ящериц происходил проще, чем предполагалось до этого, однако необходимы дальнейшие исследования.