В рамках нового исследования биологи и генетики из Окинавского института науки и технологии и Австралийского национального университета рассмотрели вероятность того, что когда-то эволюция одарит человечество возможностью производить яд. Уникальная научная работа была опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Выделение яда через железы в ротовой полости – распространённая способность среди представителей разнообразных видов животных. Учёным давно известно, что ядовитые железы являются модифицированными слюнными железами: новое исследование затронуло молекулярную механику эволюции, которая стоит за превращением соответствующих желез. Яд в высшей степени демонстрируют гибкость и адаптивность живой природы. Нередко в состав ядов различных животных входят аналогичные токсины, однако даже схожие комбинации токсинов зачастую обладают разнящимися свойствами. Впрочем, в своём исследовании учёные из Окинавского института науки и технологии и Австралийского национального университета сконцентрировались не на самих токсинах, но на регуляторных генах, которые лежат в основе развития и функционирования ядовитой системы.
Прежде всего авторы исследования «An ancient, conserved gene regulatory network led to the rise of oral venom systems» обратили внимание на так называемые «гены домашнего хозяйства». Как правило, этот термин описывает гены, необходимые для поддержания основных функций организма. Однако учёных интересовали только те гены, которые ассоциируются с работой ядовитой системы, но не отвечают за производство самих токсинов. Первым объектом изучения генетиков стала Острочешуйная куфия – ядовитая змея вида Trimeresurus mucrosquamatus из семейства гадюковых. Геном данного вида досконально изучен, поскольку он является инвазивным для острова Окинава. Так как учёным известны функции всех генов куфии, им было проще выделить те из них, которые ассоциируются с регуляцией ядовитой системы.
В ходе анализа генома Острочешуйной куфии команда исследователей выделила комплекс генов, которые экспрессируются в различных типах тканей у всех амниотов. Большинство из них принимают активное участие в фолдинге белков – модификации протеинов с целью придания им пространственной третичной структуры, которая необходима для их стабилизации. Такая активность генов предсказуема, поскольку ядовитым животным необходимо производить большие объёмы протеинов для формирования токсинов. По мнению исследователей, именно обширное генетическое основание способствует независимому образованию токсинов и их комбинаций, типичных для тех или иных видов. Исследователи также обнаружили, что та же группа «генов домашнего хозяйства» активно экспрессируется в слюнных железах людей.
Другими словами, все млекопитающие и рептилии обладают генетической базой для формирования модифицированной слюнной железы, способной производить яд. Более того, люди уже производят калликреины – один из ключевых протеинов ядовитых систем различных видов животных. При попадании в кровь калликреины из слюны неядовитых животных провоцируют гипотонический криз – опасное падение кровяного давления, которое может привести к смерти. Эти протеины отличаются высокой стабильностью, потому большинство генетических мутаций не только не разрушают калликреины, но делают яд ещё более болезненным и смертельным. Природа не зря сделала их самым распространённым компонентом ядов, поскольку в любой форме калликреины остаются чрезвычайно активным ферментом, способным нанести серьёзный вред здоровью.
Исследователи предполагают, что калликреины вполне могут стать основой гипотетического человеческого яда. Как правило, яд и соответствующие системы в организме формируются как адаптация к условиям жизни животного. Более того, даже представители одного вида пустынных змей могут иметь разные комбинации токсинов, которые будут эффективными против наиболее распространённых в их ареале врагов и жертв. К примеру, в пустыне змеи преимущественно охотятся на мышей: в таком случае яд пресмыкающихся будет действовать на угнетение кровеносной системы, поскольку на плоской открытой местности змее легко выследит умирающую жертву. Когда те же пустынные змеи обитают среди скалистых гор, их основным источником пищи являются ящерицы, которые могут скрыться среди многочисленных камней и ущелий. В таких обстоятельствах рептилии используют мощные нейротоксины, которые мгновенно обездвиживают жертву. Таким образом, если по какой-то причине эволюция решит, что актуальные для людей стратегии добычи пропитания и поиска партнёров для размножения более не эффективны, то и они могут стать ядовитыми.
Впрочем, по мнению учёных, яд – не самый эффективный инструмент, с точки зрения эволюции. Его производство требует высоких энергетических затрат, потому эта способность может быть быстро и легко утрачена, если животное по каким-либо причинам её не использует. К примеру, некоторые морские змеи обладают рудиментарными ядовитыми железами, но не являются ядовитыми, потому что на каком-то этапе эволюции они отказались от охоты на ловких и подвижных рыб в пользу рыбьей икры.
Увы, исследование биологов и генетиков из Окинавского института науки и технологии и Австралийского национального университета не смогло обнаружить ключ к получению необычных суперспособностей. Однако его результаты важны для понимания генетической базы, регулирующей деятельность ядовитых систем. Кроме того, авторы исследования Агниш Баруа и Александр Михеев считают, что их работа затронула значительно более значимые для медицины вопросы об экспрессии генов в различных тканях. Дальнейшие исследования в данном русле могут приблизить учёных к раскрытию механизмов онкологических заболеваний, ключевым инструментом которых является поломка генов, проявляющаяся в неконтролируемой активности того или иного типа тканей.