Колибри — это маленькие птички, обитающие в Северной и Южной Америке, которые размером достигают от 7 до 13 сантиметров, а весят они всего от 2,5 до 7 грамм (!). Колибри обитают преимущественно в тропических лесах, причем многие виды — эндемики, то есть распространены только на небольшом местообитании. И больше их нигде, кроме этого местообитания, не встретить. Колибри известны своим длинным клювом, приспособленным к питанию нектаром цветов, как хоботок у бабочек. А еще колибри известны своим полетом, когда они будто бы зависают в воздухе, а вдобавок могут двигаться в сторону и даже назад. И эти два пункта — питание нектаром и полет — как оказалось, очень даже связаны между собой!

Полет забирает очень много энергии — всего за одну секунду крыло производит около 80 взмахов! А колибри — птички-крошки, откуда у них хватает энергии на такой полет? Вот этот вопрос как раз интересовал ученых, статья которых, Loss of a gluconeogenic muscle enzyme contributed to adaptive metabolic traits in hummingbirds, вышла в новом выпуске журнала Science [1].

Сначала авторы статьи отсеквенировали геном колибри Phaethornis superciliosus и собрали его до уровня хромосом. Почему геном именно этого вида? Потому что вид принадлежит кладе, самой первой отделившейся от общего предка всех колибри. Геномы представителей этой клады ранее не были известны, а они были важны для эволюционного анализа — в данном случае, определения, что же отличает всех колибри от других не-колибри. Поэтому далее геномы всех колибри сравнили с геномами других птиц, среди которых были курица, канарейка, дятел, киви, голубь и другие.

Выяснилось, что ген FBP2, кодирующий фермент, участвующий в глюконеогенезе, у всех колибри отсутствует. Что это означает, учитывая, что у других птиц он присутствует? А то, что у колибри он был в процессе эволюции вида потерян! И, как показали филогенетические исследования, ген отсутствовал уже у общего предка всех ныне живущих колибри (а если говорить точнее — то общего предка всех колибри, геномы которых известны и были проанализированы в обсуждаемом исследовании).

Кроме того, время потери гена — примерно 34–46 миллионов лет назад — совпадало с предполагаемым временем, когда предки колибри начали питаться нектаром и изменили свой полет в сторону «зависающего». И потеря гена могла быть потенциально адаптивной. Поэтому в исследовании стали разбираться в молекулярных механизмах данной потенциальной адаптации.

Нашего читателя может заинтересовать вопрос «А что такое, в данном случае, потеря гена?». Отвечаем — в случае FBP2, это нонсенс-мутации, изменения в регуляции и потеря экспрессии.

Кстати, про нонсенс-мутации и их эффект (разного масштаба, от вреда до пользы) можно прочитать в статьях «Как нонсенс-мутации ген обижали, и что потом было» [2] и «Как нонсенс-мутации ген обижали. А может, не обижали, и всё было иначе?» [3].

В эксперименте на клеточных линиях миобластов перепелов удалось показать, что инактивация гена FBP2 приводит к усилению метаболизма сахаров, клеточного дыхания и к увеличению числа митохондрий. Всё это как раз наблюдается у колибри и, вероятно, потеря FBP2 позволяет им быстрее и эффективнее получать энергию из сахаров и, как следствие, влияет на их возможность к «зависающему» полету.

Кроме того, были найдены и несколько других генов, таких как SLC2A13, PFKP, ALDOB, PDHA2, PDHB, ENO1, участвующих в метаболизме сахаров, и которые оказались под воздействием положительного отбора у предка колибри. Где-то — потеря гена, то есть его псевдогенизация, а где-то — мутация не такого масштаба, а просто обычные аминокислотные замены. По всей вероятности, они тоже влияют на приспособленность к своеобразному полету и питанию нектаром, но их влияние на метаболизм колибри еще только предстоит изучать. Будем следить за развитием событий!

Литература

1. Ekaterina Osipova, Rico Barsacchi, Tom Brown, Keren Sadanandan, Andrea H. Gaede, et. al.. (2023). Loss of a gluconeogenic muscle enzyme contributed to adaptive metabolic traits in hummingbirds. Science. 379, 185-190;
2. Как нонсенс-мутации ген обижали, и что потом было;
3. Как нонсенс-мутации ген обижали. А может, не обижали, и всё было иначе?;
4. Ricard Albalat, Cristian Cañestro. (2016). Evolution by gene loss. Nat Rev Genet. 17, 379-391;
5. Virag Sharma, Nikolai Hecker, Juliana G. Roscito, Leo Foerster, Bjoern E. Langer, Michael Hiller. (2018). A genomics approach reveals insights into the importance of gene losses for mammalian adaptations. Nat Commun. 9.