Предложен новый способ составления эволюционного дерева птиц
23.01.2023
Специалисты Международного
томографического центра СО РАН предложили новую классификацию сибирских видов
птиц, основанную на данных о продуктах обмена веществ в их хрусталиках.
Подобные исследования помогут биологам и орнитологам более точно систематизировать
животных.
Большинство филогенетических или эволюционных
деревьев, как правило, строятся по данным о последовательностях нуклеиновых
кислот (ДНК или РНК) животных. Однако эти построения не дают абсолютно точной и
надежной информации об историческом развитии видов, из-за чего иногда возникают
трудности в составлении наиболее достоверной классификации. Ученые МТЦ СО РАН
предположили, что комбинация геномики (науки о совокупности генов) и
метаболомики (науки о метаболоме) потенциально может решить возникающие споры.
Метаболом – это совокупность малых молекул в
организме: углеводов, витаминов, аминокислот и многих других классов химических
соединений, которые называют метаболитами. Они поддерживают нормальное
функционирование клеток, органов и тканей, а также активно участвуют в обмене
веществ. Исследователи поставили цель проанализировать данные о метаболоме птиц
с помощью статистических методик, тем самым по возможности проследить
исторические взаимосвязи между видами, и установить влияние на него образа жизни.
Иллюстрация предоставлена
исследователями.
Для проведения такого типа анализа ученые
использовали хрусталики глаза 14 видов птиц из 6 отрядов, идентифицировали в
них наиболее распространенные метаболиты и установили их концентрации.
«Хрусталик – это прозрачное,
анатомически изолированное от других тканей тело. Основная доля составляющих
его клеток обладает нитевидной формой, которые в отличие от „живых” клеток
лишены ядер и органелл, за счет чего и обеспечивается прозрачность хрусталика.
Последние формируют тонкий монослой на его поверхности, где нарабатываются
метаболиты, практически полностью обеспечивающие жизнедеятельность нитевидных
клеток и поддержание гомеостаза – нормального функционирования хрусталика. Раз
хрусталик так сильно на них полагается, мы решили подробнее изучить его в нашем
эксперименте», – рассказывает старший научный сотрудник лаборатории протеомики
и метаболомики МТЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Вадим
Владимирович Яньшоле.
Перед основной работой ученые провели базовые
приготовления, связанные с выделением метаболомной фракции (слоя).
«Как сложную смесь веществ клетку или
ткань можно условно разделить на следующие составляющие: белки, ДНК и РНК,
липиды, метаболиты. Когда речь идет о выделении фракции из сложной смеси,
имеется в виду отделение от нее чего-то одного, в нашем случае метаболитов.
Вначале мы разрушили клетки в тканях и убрали ненужные нам макромолекулы: белки
и липиды, которые могли испортить качество спектров. Для этого мы помещали
образец, состоящий из одного или двух-трех хрусталиков, в зависимости от их
размеров, в стеклянную пробирку, содержащую холодный раствор метанола, воды и
хлороформа, и гомогенизировали (делали однородным по составу) при помощи
современного гомогенизатора TissueRuptor II. Далее мы ставили пробирку в
лабораторный шейкер, где жидкость равномерно перемешивалась до полного
прекращения действия всех ферментов, отвечающих за превращение одних
метаболитов в другие. Полученную смесь мы выдерживали при температуре -20 ℃ и затем центрифугировали,
то есть помещали смесь в центрифугу, где под действием центробежной силы она
разделялась на три фракции: верхний, жидкий водно-метанольный, средний, твердый
белково-липидный, и нижний, жидкий метанольно-хлороформенный, слои», –
объясняет В. В. Яньшоле.
Верхний слой, содержащий метаболиты, разделялся в
соотношении 2/3 для анализа на спектрометре ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) и
1/3 для жидкостного хроматографа UltiMate 3000RS в сочетании с
масс-спектрометром высокого разрешения maXis 4G (ЖХ-МС), который использовался
для идентификации метаболитов. Основную работу по определению их концентрации
ученые проводили при помощи ЯМР-спектрометра AVANCE III HD в Центре
коллективного пользования «Масс-спектрометрические исследования» СО РАН. Ампула
с веществом помещалась внутрь устройства в область сильного магнитного поля и облучалась
высокочастотным электромагнитным полем. Метаболиты поглощали частоты, после
чего регистрировался ЯМР-спектр – линия, состоящая из пиков различной высоты.
Положения вершин и площади пиков показывали наличие и количество определенных
метаболитов в составе образцов прямо пропорционально их концентрации: если
сигнал был слабый, значит, искомых соединений там было мало, если сильный – то
наоборот, много.
Всего в данной работе исследователи обнаружили 67
наиболее распространенных и 7 пока еще неизвестных соединений в составе
хрусталиков птиц, среди которых основными оказались таурин и мио-инозитол – их
концентрация составила выше 20 микромоль на грамм ткани.
Количество и разновидность метаболитов
напрямую зависели от классификации и образа жизни птицы: например, у хищных и
нехищных видов метаболиты в составе хрусталиков существенно различались, потому
что первые, предположительно, нуждаются в остром зрении гораздо больше вторых.
Содержание 10 основных метаболитов в
хрусталиках птиц. Концентрации сортированы по убыванию. Остальные метаболиты
отмечены как «Другие». Иллюстрация предоставлена исследователями.
Информацию, полученную в ходе анализа, ученые
заносили в созданную МТЦ СО РАН базу метаболомных данных Animal metabolite database (AMDB).
В этой системе содержатся материалы о метаболитах животных, описание и
количество используемых образцов тканей (мышц, крови, хрусталиков и так далее)
и многое другое. Помимо этого, в ней можно осуществлять поиск необходимой
информации и проводить первичную статистическую обработку данных.
При помощи веб-платформы
MetaboAnalyst 5.0 ученые составили дендрограмму (древовидную
диаграмму) и сравнили ее с двумя современными филогенетическими деревьями:
2014-го (Jarvis et al.) и 2021 (Kuhl et al.) года, включающими 48 и 429 видов
птиц соответственно, в том числе 14 исследуемых в МТЦ СО РАН. В проектах
представлены не только эволюционные взаимосвязи различных видов, но и анализ
полного генома у представителей всех отрядов птиц. Вышеназванные работы
несколько отличаются друг от друга по классификациям, но тем не менее широко
цитируются другими учеными и считаются классическими для большинства
современных исследований.
Сравнив все три построения между собой, специалисты
МТЦ СО РАН пришли к выводу, что их дерево очень похоже на классические
эволюционные деревья, однако существует различие, которое, как думают
исследователи, связано с образом жизни и питанием птиц.
Ученые выяснили, что на филометаболомных
деревьях наблюдалось объединение образцов, принадлежащих к одному виду, независимо
от места и даты сбора, а также пола и возраста животного, а генетически
неблизкие виды, в свою очередь, были удалены друг от друга.
«Нам было интересно сравнить
расположения птиц на деревьях, основанных на метаболомике и геномике. Как
оказалось, наша дендрограмма во многом напоминает деревья из литературных
источников, однако между ними есть различия в расположении видов, которые могут
быть обусловлены образом жизни птиц. Возьмем, к примеру, лысуху и ворону.
Питание обеих, вероятно, очень схоже, что влияет на состав и концентрацию
метаболитов. Деревья на основе геномики не учитывают тип потребляемой пищи,
поэтому на нашей схеме данные виды расположены ближе друг к другу», –
комментирует В. В. Яньшоле.
В дальнейшем ученые планируют продолжить работу: расширить
видовое разнообразие, посмотреть другие классы животных, а также развить
используемые статистические подходы для построения деревьев и объяснить
наблюдаемые различия в метаболомных данных по сравнению с геномными.
Научное исследование, а также создание и
развитие базы данных AMDB о метаболитах животных получили финансовую поддержку
со стороны Российского научного фонда (грант № 21-74-00068, № 22-24-00390) и
Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-29-13023).
Источник: «Наука в Сибири».
Автор текста: Полина Кустова.