«Геном голого землекопа» — это не название романа Пелевина или Сорокина, хотя читается этот текст, состоящий из 2 миллиардов 700 миллионов букв, с не меньшим интересом. Дело в необычности живого существа, геном которого был описан 12 октября в электронном препринте журнала Nature. О том, чем замечательны это исследование и его объект, рассказывает Михаил Гельфанд.
Heterocephalus glaber (по-английски naked mole rat — голая кротовая крыса, голый копальщик) — грызун, родственник мышевидных грызунов, обитающий в Восточной Африке (Эфиопия, Кения, Сомали). Они достигают в длину 8-10 см и весят около 30 г.
Голые землекопы живут колониями в норах под землей. Суммарная длина ходов колонии может достигать нескольких километров. Каждая колония состоит из самки-королевы (она крупнее и весит 50 г), нескольких (не больше трех) размножающихся самцов и нескольких десятков (до трехсот) рабочих. Большинство рабочих относительно невелики, их роль — рыть нору, добывать пищу и выкармливать детенышей. Более крупные рабочие — это защитники колонии. Рабочие не размножаются; королева крайне враждебно относится к проявлениям полового поведения у рабочих. Когда королева умирает, одна из самок-рабочих занимает ее место, часто после суровой борьбы между несколькими претендентками.
Голые землекопы питаются клубнями растений. Разведчик, наткнувшийся на клубень, звуками призывает к нему других рабочих. При этом они повторяют путь разведчика, даже если он не идеален, что указывает на наличие химических меток (это было подтверждено в лабораторном эксперименте с заменяемыми туннелями). Рабочие прогрызают дырку в кожуре клубня и потом по-немногу выедают его изнутри, не съедая целиком и позволяя зарастать в течение многих месяцев. Норы они роют, образуя своего рода конвейеры: первый землекоп рыхлит землю резцами (специалист по голым землекопам Крис Фолкс из лондонского Университета королевы Марии называет их «саблезубыми колбасами»), а цепочка животных, стоящих за ним, отбрасывает лапами друг другу вплоть до поверхности.
Еще одна каста, морфологически отличная от рабочих, королевы и ее самцов, — особи, которые образуют новые колонии. В лабораторных опытах было показано, что голые землекопы предпочитают спариваться с особями не из своей колонии, а полевые наблюдения показали, что новые колонии (со всего несколькими особями), как правило, образованы самкой и самцом из разных колоний. Как именно происходит образование новой колонии, точно не известно, однако, поскольку были замечены одиноко живущие самцы и самки, видимо, это связано с оставлением материнской колонии и попыткой поселиться отдельно в надежде встретить партнера. Поскольку в благоприятных условиях расстояние между соседними колониями составляет несколько сотен метров (до ста), видимо, это не совсем безнадежное предприятие.
Физиология голых землекопов весьма необычна и отражает крайние формы приспособления к подземному существованию. У них нет шерсти и подкожного жира; они не чувствуют некоторые виды боли (ожог кислотой и капсаицином — жгучим веществом, содержащимся в красном перце); они способны переносить очень низкие концентрации кислорода и высокие — углекислого газа; они не пьют, добывая всю воду из пищи; для экономии пищи они практикуют поедание собственных экскрементов и мертвых детенышей (в остальном они вегетарианцы); они — единственные из млекопитающих — не способны к поддержанию постоянной температуры тела и регулируют ее, перемещаясь между подповерхностными и более глубокими областями норы.
Всего этого уже достаточно, чтобы сделать голого землекопа одним из самых интересных животных. Но биологи интересуются ими в основном из-за еще одного набора особенностей. Голые землекопы живут до 30 лет — в разы больше, чем другие грызуны, они не имеют видимых признаков старения, размножаясь (королева и ее самцы) до самого конца, и они не болеют раком; более того, попытки экспериментально вызвать у них рак пока не удались.
Среди авторов статьи про геном большую часть составляют ученые российского происхождения. Мы задаем вопросы руководителю проекта, профессору Гарвардского университета Вадиму Гладышеву.
— Анализ генома, проведенный в Вашей работе, позволил установить генетические причины многих физиологических особенностей голых землекопов. Среди них — уникальные особенности гена UCP1, продукт которого — основной белок, позволяющий осуществлять терморегуляцию; отсутствие части регуляторной области гена, кодирующего нейропептид Р, который играет основную роль в ощущении некоторых видов боли; изменения в генах, важных для зрения и образования волосяного покрова. Анализ интенсивности работы генов в разных условиях позволил обнаружить особенности у генов, связанных с базовым метаболизмом и дыханием. Но в названии статьи упоминается не только физиология, но и долгожительство. Что дал анализ генома для объяснения необычной продолжительности жизни голых землекопов и их устойчивости к раку?
— Замедленное старение является наиболее интересным свойством голых землекопов, и несколько наших наблюдений связано с анализом этого явления. Например, мы нашли, что гены человека и мыши, которые меняют экспрессию при старении, ведут себя во многом по-другому в голых землекопах. Мы также описали изменения в гене p16, который напрямую связан с множеством болезней старения, включая рак, и в нескольких компонентах, ответственных за теломеразную функцию. Да и собственно необычный термогенез и способность жить при низком кислороде, возможно, связаны с замедленным старением.
— Чем еще может быть полезно знание генома?
— Мне кажется, что в настоящее время для изучения конкретного организма знание генома так же полезно как, например, теория эволюции для биологии. Это и основа, на которую всё нанизывается, и система для изучения. В этом плане голый землекоп ничем не отличается от других организмов. Странно только, что геном такого интересного млекопитающего не был определен раньше.
— Среди авторов статьи ученые из СшА, Южной Кореи и Китая, причем для четырех первых авторов — по два из Кореи и Китая — указан равный вклад. Как была организована работа?
— Одной группе всё еще трудно осилить большие геномы, где необходим вклад разных специалистов. В нашем случае животные были из США. Мы готовили образцы в Бостоне, а геномные последовательности определяли в Китае. Анализ же проводился в Корее, США и Китае. Поскольку организм действительно очень интересный, с мотивацией не было проблем, а авторство отразило вклад разных участников в этот проект.
— У Бас указаны три места работы — медицинская школа Гарварда, совместный институт Гарварда и Массачусетского технологического института и университет в Южной Корее. Как Бы делите свое рабочее время между Бостоном и Сеулом?
— Моя лаборатория находится в медицинской школе Гарварда, в отделении генетики госпиталя Бригам. Кроме того, я являюсь ассоциированным членом Института Броуд в Бостоне и профессором университета в Сеуле. Я бываю в Южной Корее несколько раз в году, но основное время провожу в Бостоне.
— Среди авторов статьи много ученых российского происхождения из нескольких разных групп. Как оказалось, что вы встретились для осуществления этого проекта — это случайность или отражение того, что проще работать с соотечественниками?
— Тут сыграло роль несколько факторов. Во-первых, в моей лаборатории много людей из России, и несколько из них участвовали в геномном проекте. Во-вторых, в нашем отделении есть ещё один профессор из России — Шамиль Сюняев, группа которого проводила генетический анализ голого землекопа. Но, конечно, сыграл роль и круг общения.
— При том интересе, который привлекает к себе голый землекоп, и при доступности приборов для определения геномных последовательностей, как оказалось, что Ваша группа была первой — это везение, правильный стратегический расчет или, как у королевы голых землекопов, подавление конкурентов?
— В науке всякое бывает. Сегодня первыми были мы, завтра — кто-то другой. Нам повезло с сотрудничеством с центром секвенирования и лабораториями, которые предоставляли голых землекопов. А еще нам очень хотелось узнать, почему голые землекопы живут долго. Но оказалось, что одного такого генома недостаточно для ответа на этот вопрос. Поэтому мы сейчас собираем образцы долгоживущих и коротко-живущих животных для более широкого проекта.
E.B.Kim et al. Genome sequencing reveals insights into physiology and longevity of the naked mole rat. Nature (published online 12.10.2011) www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature10533.html