Ryba snů. jeseter! | Ústav molekulární a buněčné biologie SB RAS

Noviny Наука v Сибири č. 25 (3010) ze dne 17. prosince 2015
Site Наука v Сибири Město ledna 21 2016
Agentura Interfax-Rusko Město ledna 21 2016
Regionální informační agentura Sibiř Město ledna 22 2016

Sibiřští vědci studují genomy sibiřského jesetera a jesetera, aby pochopili, jak se tyto organismy vyvinuly a jak se určité části DNA staly odpovědnými za různé funkce. Zatím se například nepodařilo zjistit, kde v genomu hledat známky sexu. Dokud ryba nedosáhne „dospělosti“, nelze určit, zda se jedná o samce nebo samici.

Výzkumníci Ústav molekulární a buněčné biologie SB RAS Studiu jesetera se věnují už druhým rokem. V roce 2014 byl jejich projekt „Mapování genomu, komparativní molekulární cytogenetika a transkriptomika sibiřského jesetera a jesetera“ podpořen Ruskou vědeckou nadací. Hlavním cílem práce je popsat rysy struktury a fungování genomu u těchto tvorů.

Jeseter a jeseter nepatří k modelovým druhům, tedy těm, které se používají jako model pro studium některých vlastností, procesů nebo jevů. Typicky jsou vzory identifikované při práci s ovocnou muškou, myší a potkanem Drosophila úspěšně aplikovány na mnoho dalších druhů. U těchto ryb je všechno jinak: mají mnoho mechanismů a jevů, které se u nikoho jiného nenacházejí, a tak jsou pro výzkumníky zajímavé. Například jeseter je mezi rybami dlouhověký. Někteří členové rodiny se dožívají více než 100 let, což znamená, že mají stejně jako krtonožka řadu unikátních úprav, které umožňují odolat výskytu rakoviny a oddálit proces stárnutí. Zatím navíc není jasné, jak se určuje jejich pohlaví. Nejde o to, že by jeseter během čekání na dospělost vnímal vnější signály a snažil se pochopit, kterým směrem se má vyvíjet, zda samec nebo samička (jak to dělají některé jiné ryby) – jeho pohlaví je geneticky dáno, ale zatím nikdo nenašel, ve kterém část chromozomu je za to zodpovědný marker. Pokud hledáte, řekněme, gen pro určitý enzym nebo strukturální protein – u lidí, ryb a žab je zcela specifický a nachází se na známém místě, lze jej nazvat konzervativní. A gen pro určování pohlaví je u některých organismů labilní, to znamená, že každá skupina (v některých případech rodina a v některých populace) si vynaleze své vlastní. Ale to není vše.

— Existují rysy spojené s polyploidním stavem genomu (přítomnost několika sad chromozomů). Polyploidie je vhodným nástrojem pro evoluci, protože s rostoucím počtem chromozomových segmentů může každá kopie přebírat některé další funkce. Například takto měli primáti možnost zkomplikovat barevné vidění: došlo k duplikaci genu fotosenzitivního receptoru, který byl následně přeskupen na jinou optickou vlnovou délku, vysvětluje vedoucí laboratoře komparativní genomiky Ústavu klinické klinické nemocnice SB RAS. , kandidát biologických věd Vladimír Alexandrovič Trifonov. „Úplná sada genů se zdvojnásobila u vzdáleného předka lidí a všech moderních obratlovců, ale nyní jsou tyto procesy typičtější pro rostliny a mezi obratlovci – pro některé druhy ještěrek a ryb.“ Jeseter sibiřský a jeseter má 240 a 120 chromozomů, takže existuje hypotéza, že druhý jmenovaný se objevil v důsledku duplikace genomu některých druhů s 60 chromozomy a první z nich v důsledku následného kola zdvojení. To bylo popsáno již dlouho, ale pomocí molekulárních sond jsme získali data, která ukazují, které části genomu jsou v tetraploidním stavu (čtyři kopie na genom). Navíc se ukázalo, že některé části jsou diploidní, což znamená, že lze předpokládat, že se genom nejprve „rozšířil“ a poté byl částečně redukován.

Jeseter má 120 chromozomů, sibiřský jeseter 240,
a malý jeseter ze Severní Ameriky má 360.
Mezi savci takové množství nikdo nemá.
Rekordmanem mezi posledně jmenovanými je potkan viscacha z Jižní Ameriky (102 chromozomů).
Pro srovnání: člověk má 46, kočka 38 a jelen muntžak pouze 6 chromozomů.

„Chceme porozumět tomu, jak došlo k evoluci ploidie,“ pokračuje Vladimir Trifonov, „jak to ovlivnilo ryby, jaký mají mechanismus, který jim umožňuje snadno „zvýšit“ jejich sadu chromozomů. Například mezi rybami a plazy lze nalézt životaschopné triploidy, ale savci tohoto druhu umírají v embryonálním stádiu.

Vědci také plánují popsat genetickou rozmanitost jesetera a jesetera sibiřského v povodí Ob, Irtysh, Yenisei a Lena. Dvanáct z 12 moderních druhů těchto ryb žije v Rusku, ale jejich největší rozmanitost se nachází v Kaspickém moři. V hlubokých řekách Sibiře se vyskytují pouze dva z výše uvedených druhů a vědce zajímá otázka, jaké jsou příčiny tohoto jevu.

„Specialisté na paleoekologii spojují toto rozdělení s posledním zaledněním, kdy byl zablokován tok všech hlavních sibiřských řek do Severního ledového oceánu, v důsledku čehož se vodní masy vrhly na západ – do Kaspického, Černého a Středozemního moře,“ říká Vladimir Trifonov. . — Podíváte-li se na hlavní druhy jeseterů, mnoho z nich migruje: přibývají na váze ve slané vodě a rozmnožují se ve sladké vodě. Když byl tok oceánu zablokován, instinkty chování se nemohly rychle změnit. Ukazuje se, že šanci na přežití měly pouze ty druhy, které migrovaly v sibiřských řekách před zaledněním, tedy jeseter sibiřský a jeseter obecný.

Nyní vědci již popsali více než 300 jedinců jesetera z povodí Ob-Irtysh pomocí mitochondriálních markerů a také podrobně studovali karyotyp (soubor charakteristik kompletní sady chromozomů) tohoto druhu. Genetická diverzita je obecně poměrně vysoká, což podle Vladimíra Trifonova svědčí o intenzivní výměně genů mezi populacemi. Navíc ani organismy žijící v Novosibirské nádrži, oddělené od všech ostatních přehradou, nevypadají nijak zvláštně. Vědci zatím předpokládali, že vzhledem k dlouhému reprodukčnímu období ještě nenastala definitivní izolace této populace, lze ji však v budoucnu očekávat.

Materiál pro výzkum odborníci dostávají především od Státního rybářského centra, které má licenci na lov této ryby, a to i pro vědecké účely.

— Různé úkoly vyžadují různé vzorky. Například pro fenomenologický popis znaků struktury genomu nezáleží na tom, z jaké oblasti je vzorek odebrán, můžete si jednoduše koupit živé ryby v obchodě a odebrat vzorky různých tkání. Pokud potřebujeme popsat strukturu populací volně žijících jedinců, pak potřebujeme organismy z konkrétního biotopu. V tomto případě samozřejmě spolupracujeme se Státním rybářským střediskem a v rámci monitoringu rybích zdrojů nám odebírá vzorky a přiváží materiál,“ říká Vladimír.

Pro výzkum stačí malý kousek ploutve, ze kterého pak vědci mohou v laboratoři vypěstovat buněčnou kulturu: vzorek se určitým způsobem zpracuje, umístí do živného média, rozdrtí, přidají se enzymy a pak po nějaké době buňky se začnou dělit a růst přímo na vnitřním povrchu kultivační baňky. Mohou být použity v následných experimentech, například k izolaci DNA, RNA a proteinů, nebo je lze zastavit ve fázi dělení a získat suspenzi chromozomů pro cytogenetické experimenty. To druhé je velmi obtížné provést na živých rybách. Pro savce existují protokoly, které umožňují poměrně snadno pěstovat materiál, pro ryby však pracovník Laboratoře živočišné cytogenetiky Ústavu klinické klinické nemocnice SB RAS kandidát biologických věd. Světlana Anatoljevna Romaněnko и Olga Leonidovna Gladkikh byly speciálně vybrány optimální podmínky.

Vědci z Ústavu molekulární a buněčné biologie SB RAS pomocí laboratorní kultury popsali karyotyp, prokázali částečnou tetraploidizaci genomu jesetera, sekvenovali genom samce a samice a získali chromozomově specifické knihovny, které pro jesetera nikdo nikdy nedělal. Takové knihovny, které vytvořila Svetlana Romanenko, jsou jedním ze způsobů, jak vědci loví část genomu zodpovědnou za sex u jeseterů.

„Nejdůležitější aplikací naší práce v praxi je určování pohlaví jesetera, což umožní rybím továrnám zvýšit ekonomické zisky,“ vysvětluje Vladimir Trifonov. „Nyní jsou muži i ženy vychováváni až osm let, dokud nebude možné určit, kdo je kdo.“

K udržení umělého stáda nepotřebujete mnoho samců, ale náklady na jejich udržování jsou značné. V současné době se ultrazvuk používá jako možný způsob určení pohlaví u ryb ve věku od tří do čtyř let za předpokladu, že líheň disponuje zařízením. Je to drahé a zdlouhavé, proto se firmy o genetické markery spojené se sexem zajímají a jsou ochotny za to zaplatit. Pokud se takový způsob objeví, budou schopni výrazně snížit výrobní náklady.

Příští rok se vědci zaměří na studium Lena populace jesetera sibiřského, kolegové z Jakutska jim již poskytli sbírkové exempláře pro jejich práci. Kromě toho vědci plánují použít sekvenování RAD k cílení na sexuální geny. Smyslem metody je, že se plánuje sekvenovat nikoli celý genom, ale určité charakteristické oblasti sousedící s restrikčními místy. Pomocí této metody již byly identifikovány pohlavně specifické markery u několika druhů obratlovců.

Připravila Julia Pozdnyakova
Foto: Yulia Pozdnyakova, Svetlana Romanenko a Olga Gladkikh

PDF soubor novinové články Наука v Сибири