Яду мне, яду!

На вопрос, что появилось раньше, змеи или яд, наука уверенно отвечает: змеи. У самых примитивных змей не было ни ядовитых желез, ни специального аппарата для его введения. Все это возникло позже вследствие острой жизненной необходимости. Хищнику нелегко удерживать добычу, не имея конечностей. Некоторые змеи душат ее своим телом, ужи заглатывают целиком, а многие убивают или обездвиживают жертву ядом, без которого они буквально как без рук.

Змеиный яд представляет собой многокомпонентную смесь токсичных белков, которую вырабатывает ядовитая железа. И вопрос заключается в том, откуда появился этот коктейль.

В конце 1970-х годов израильский исследователь Элазар Кочва предположил, что токсины змей возникли в результате эволюционных изменений пищеварительных ферментов поджелудочной железы («American Zoology», 1983, 23, 2, 427—430). Он отметил, что некоторые ферменты, расщепляющие сложные молекулы, встречаются не только в ядовитых железах змей, но и в поджелудочной железе и слюнных железах млекопитающих. Например, судя по анализу аминокислотных последовательностей, фосфолипазы А из ядов гадюк и аспидов родственны фосфолипазам поджелудочной железы млекопитающих. Однако, несмотря на сходство, эти ферменты не взаимозаменяемы. Если заместить фосфолипазу яда палестинской гадюки Vipera palaestinae аналогичным ферментом другой змеи, яд сохраняет свою летальность, но теряет ее при замене на фосфолипазу поджелудочной железы свиньи. Поскольку пищеварительные ферменты поджелудочной железы млекопитающих имеют сходство и с белками слюны, Элазар Кочва и его коллеги из университета Тель-Авива предположили, что продукция предшественников ядовитых желез предназначалась для переваривания тканей жертвы и предотвращения ее гниения, а убойную силу приобрела позже.

Для подтверждения гипотезы израильских исследователей необходимо было проанализировать геном хотя бы одной ядовитой змеи. Такую работу провел интернациональный коллектив под руководством Майкла Ричардсона, профессора Института биологии Лейденского университета в Нидерландах («Proceedings of the National Academy of Sciences», 2013, 10, 20651—20656, doi: 10.1073/pnas.1314702110). Исследователи прочитали геном самца индонезийской королевской кобры Ophiophagus hannah, самой длинной ядовитой змеи в мире. Ученые проанализировали состав и копийность генов, работающих в ядовитых железах, белковый состав их секрета и последовательности тканеспецифичных РНК, в том числе микроРНК (миРНК). И, естественно, сравнили геном королевской кобры с известными последовательностями других позвоночных.

Оказалось, что гены, активно работающие в ядовитых железах, действительно изначально функционировали в тканях поджелудочной железы. Этот факт подтвердило и сравнение миРНК обеих желез. Крошечные одноцепочечные молекулы, миРНК, регулируют синтез белков, взаимодействуя с информационной РНК. В ядовитой железе чаще всего встречается миР-375 — каноническая миРНК поджелудочной железы позвоночных, в том числе человека. У мышей, цыплят и рыбки данио экспрессия миР375 ограничена поджелудочной железой и гипофизом, ау кобры она регулирует и работу генов ядовитой железы, причем независимо от других тканей.

Путь от пищеварительного фермента к токсину начинается с дупликации гена, то есть увеличения числа его копий. После дупликации одна копия продолжает выполнять исходную функцию, а другая эволюционирует и приобретает новые свойства. Такое явление хорошо известно. Отбор поддерживает сохранение нескольких копий гена и возникновение нескольких форм токсина, поскольку ядовитые змеи постоянно ведут гонку вооружений со своими жертвами, вырабатывающими устойчивость к ядам.

Ядовитая железа королевской кобры синтезирует около двадцати семейств токсинов, каждое из которых представлено множеством изоформ. Чем «убийственнее» токсин, тем большее количество копий обеспечивает его синтез. Так, основное семейство летальных токсинов королевской кобры, так называемые трехпетельные токсины, которые представлены наибольшим количеством изоформ и составляют почти 67% продукции ядовитой железы, кодирует 21 копия гена. Другие важные токсины, фосфолипазу А2, металлопротеиназу змеиного яда и семейство калликреинов обеспечивают по две копии гена.

Ученые сравнили гены девяти семейств токсинов кобры с аналогичными последовательностями из геномов других ядовитых змей, бирманского питона и ящерицы каролинский анолис Anolis carolinensis, оценили уровень экспрессии этих генов в разных тканях и пришли к выводу, что дупликация генов ядовитой железы и эволюция их последовательностей проходила в условиях направленного отбора, который увеличивал разнообразие токсинов, их ядовитость и уровень синтеза белка.

Дупликация генов в сочетании с положительным отбором — распространенный механизм появления белков с новыми свойствами, в данном случае пищеварительные ферменты превратились в сильнодействующие токсины. Однако не всегда яды возникают именно так.

Недавно австралийские исследователи проанализировали геном и РНК ядовитых желез одного из самых загадочных позвоночных — утконоса («Molecular Biology and Evolution», 2012, 29, 1, 167—177, doi:10.1093/molbev/msr180). У самцов-утконосов на задних лапах находятся роговые шпоры длиной около полутора сантиметров, связанные протоками с бедренной железой. В брачный сезон эта железа вырабатывает смесь токсинов, которую самцы используют в сражениях с соперниками. Если под горячую ногу попадется мелкое животное, яд утконоса его убьет. У людей укол вызывает длительные изнуряющие боли, с которыми не справляется морфин, отеки, падение артериального давления.

В геноме утконоса тоже нашлись дуплицированные гены, но большинство их участвует в обмене веществ, и белки, которые они кодируют, не токсичны. А двенадцать секреторных генов ядовитой железы, кодирующих сериновые протеазы, металлопротеиназы и другие ферменты, которые вызывают признаки отравления, не дуплицированы. По мнению исследователей, в образовании токсинов утконоса сыграли роль другие механизмы, возможно мутации или альтернативный сплайсинг.

Майкл Ричардсон и его коллеги предположили, что разницу в механизмах образования ядов утконоса и королевской кобры объясняет тот факт, что яд в жизни этих видов играет разную роль. Утконос использует свои шпоры для того, чтобы сделать больно сопернику и прогнать его, яд сформировался под давлением полового отбора. А змеи, которым нужно было быстро и эффективно обездвижить добычу, сопротивлявшуюся действию яда, решали совсем другие эволюционные задачи. Более детального объяснения исследователи пока дать не могут, но мы подождем.