Біологи секвенували геном рогозуба - двоякодишної риби, яка мешкає на північному сході Австралії. Дослідження підтвердило, що двоякодишні риби є найближчими родичами наземних чотирилапих хребетних, а багато їх генетичних особливостей свідчать про адаптації, що полегшують вихід на сушу. Серед них зростання числа генів, відповідальних за роботу легенів і повітряне нюх, а також поява генів, відповідальних за формування лап замість плавників. Як зазначається у статті для журналу, робота зажадала застосування низки нових технологій, адже досі вчені не секвенували такі великі геноми, як у рогозуба.
Двоякодишні риби () були відкриті в XIX столітті і відтоді залишаються в центрі уваги вчених. В анатомії цих істот поєднуються особливості, характерні як для риб, так і для наземних чотирилапих хребетних (): наприклад, у них є справжні легені, а їх кінцівки швидше нагадують лапи, ніж плавники. А дослідження рекордно довгих геномів двоякодишних риб свідчать, що вони є найближчими нині живучими родичами чотириногих (лінія кістеперих риб, що включає знаменитих літерій, відокремилася трохи раніше).
Всього до наших днів дожило шість видів двоякодишних риб: чотири види африканських протоптерів (), південноамериканський лепідосирен () і австралійський рогозуб (). Вважається, що останній вид зберіг найбільше архаїчних рис будови, наприклад, велику луску і лопастевидні плавники, які у інших двоякодишенців набули нитевидної форми.
Команда біологів на чолі з Акселем Мейєром (Axel Meyer) з Констанцського університету вирішила дослідити геном рогозуба в пошуках вказівок на те, якими були ранні етапи еволюції наземних хребетних. Крім того, їх цікавило, чому геноми цих риб настільки великі. Для цього Мейєр і його колеги взяли зразки у молодого рогозуба і провели їх секвенування. Вченим довелося використовувати ряд нових технологій, адже геном рогозуба найбільший з коли-небудь відсеквенованих геномів тварин: він складається більш ніж з 43 мільярдів пар підстав, що в 14 разів більше, ніж у людини (до цього найбільшим відсеквенованим геномом вважався геном аксолотля (), що складається і 32 мільярдів пар підстав).
Проаналізувавши отриманий матеріал, автори підтвердили висновки попередніх досліджень про еволюційну близькість двоякодишних риб і чотирилапих. За їхніми розрахунками, дві ці гілки розійшлися близько 420 мільйонів років тому.
Судячи з усього, збільшення розмірів геному двоякодишних риб відбувалося в період від 400 до 200 мільйонів років тому, після чого сповільнилося (незалежно від двоякодишних риб збільшувався геном хвостатих амфібій). У результаті, наприклад, у рогозуба геном розрісся до 37 гігабаз, дев'яносто відсотків з яких складають повторювані послідовності. Основний внесок у збільшення геному дали мобільні генетичні елементи транспозони, деякі з яких все ще активні, а значить, продовжують поширюватися по геному і збільшувати його обсяг. Цікаво, що співвідношення основних класів транспозонів у рогозуба нагадує таке у чотириногих (включаючи аксолотлей), а не у риб.
Додатковий аналіз виявив у геномі рогозуба 259 генів, які зазнали впливу позитивного відбору. Багато з них пов'язані з виробництвом гормону естрогену і роботою жіночої репродуктивної системи. Крім того, в 107 сімействах генів їх кількість збільшилася, а в 24 сімействах - зменшилася.
Наприклад, число генів, що відповідають за виробництво білків-суфрактантів (вони входять в суміш ліпопротеїнів, що покривають поверхню легких зсередини), в порівнянні з рибами зросло в два-три рази і досягло такої ж кількості, як у наземних хребетних. Крім того, було виявлено, що ген, відповідальний за розвиток легенів, в ході ембріонального розвитку рогозубів експресується так само, як у амфібій. Все це свідчить про адаптації, необхідні для дихання повітрям.
Зміни в геномі двоякодишних риб торкнулися не тільки генів, пов'язаних з диханням. Дослідження показало, що в їхній еволюційній лінії значно зросла кількість генів рецепторів, відповідальних за повітряне нюх і роботу вомероназального органу. При цьому генів, пов'язаних з нюхом у водному середовищі, стало менше. Окрему увагу автори приділили генетичним основам розвитку кінцівок. Зокрема, вони виявили, що гени і, які беруть участь у розвитку кінцівок чотирилапих, активні і на ембріональній стадії у рогозуба.
Таким чином, вже на ранніх етапах еволюції двоякодишні риби набули багато генетичних особливостей, що полегшують життя за межами водойм. Можливо, вони виникли вже у їхніх спільних предків з наземними хребетними і допомогли останнім колонізувати сушу.
Раніше біологи дослідили ембріональний розвиток плавників рогозуба і прийшли до висновку, що за утворення пальців і інших елементів скелета кінцівок у чотирилапих відповідають дві різні програми розвитку.