Китайські вчені провели транскриптомний аналіз клітин матки у чотирьох пар близькородинних видів ящірок і виявили, що на генетичному рівні відмінності в репродуктивній системі деяких живородних ящірок порівняно з яйцекладущими пов'язані з відмінністю в активності одних і тих же генів, а не з появою нових генів і білків. Автори статті дійшли висновку, що поява живонародження у ящірок під час еволюції - не такий складний процес, як передбачалося раніше.
Живонародження - процес, при якому розвиток ембріона повністю відбувається всередині організму самки, а дитинча народжується без зародкових оболонок, в якості захисту ембріона від впливу зовнішнього середовища виступає організм матері. Для еволюційного переходу від відкладання яєць до живонародження репродуктивна система самок повинна сильно змінитися, також повинні помінятися біохімічні та імунологічні процеси. Незважаючи на ці складнощі, живонародження незалежно виникало в історії хребетних неодноразово. До цих пір, однак, генетичні зміни, що відповідають за перебудову стінок матки, забезпечення харчування, газообміну і прикріплення ембріона і появу інших ознак живонародження, були досліджені недостатньо, а масштабних досліджень великого числа генів у близькоспоріднених видів не проводилося.
Для дослідження еволюції живонародження зручним об'єктом є лускові рептилії. Живонародження у них незалежно виникало, за різними оцінками, від 98 до 129 разів, тому для порівняння нескладно знайти парні види, які близько розташовані на еволюційному дереві, але самки одного з яких є живородячими, а іншого - яйцекладущими. У своїй роботі для першого експерименту вчені вибрали два близькородних види лусуйчастих рептилій з роду Кругоголівки - яйцекладущих і живородячих. Дослідники провели транскриптомний аналіз клітин матки на різних стадіях розмноження. Транскриптомний аналіз - аналіз всіх присутніх у клітці молекул РНК, який показує рівень активності тих чи інших генів. Активність генів у клітинах матки ящірок виміряли до запліднення, після запліднення в міру розвитку зародку і після відкладання яєць або народження дитинчат. У підсумку для кожної стадії вчені виділили понад сто генів, експресія яких підвищувалася тільки в певний час розвитку ембріона, і порівняли їх активність у живородців і яйцекладущих самок.
Потім дослідники визначили, які гени відповідальні за зникнення оболонки яйця у живородних видів - справа в тому, що зародки живородних ящірок не відразу отримують поживні речовини і кисень з організму матері, а спочатку точно так само, як і у більшості інших рептилій, мають все необхідне всередині яйця в шкірястій оболонці. Потім розвиток зародку у ящірок відбувається по-різному. У деяких видів зародок дозріває всередині яйця до кінця, а потім розбиває скорпулу і виходить з неї, все ще перебуваючи всередині родових шляхів самки. У деяких ящірок, до яких відносяться і Кругоголовки, шкіряста оболонка з часом витончується і в якийсь момент вона стає настільки тонкою, що сам зародок тісно стикається зі стінкою матки і може харчуватися і дихати за допомогою організму матері. У яйцекладущих тварин, навпаки, шкаралупа щільна і багатошарова. Ці шари виробляються стінками яйцевода і твердішають у міру проходження по ньому. Щоб оболонка була досить міцною, яйцеводи повинні бути розвиненими і досить довгими, і їх формування відбувається ще до вагітності самиць. Вчені порівняли дані з клітин матки двох видів до стадії запліднення і початку розвитку зародку. Вчені знайшли 148 генів, що відповідають за розвиток яйцевода у, включаючи ген синтезу 17.200-естрадіола і його рецепторів, і тільки 3 з них були активні у живородних самок.
Зародок розвивається всередині організму самки протягом довгого часу, тому він прикріплюється до стінки матки, а також розвивається плацента. Це відбувається приблизно в середині терміну вагітності, тому вчені порівняли різноманітність генів, які активувалися приблизно в цей час у живородних самок, але експресія яких майже не підвищувалася у. Клітини матки живородних самок відрізнялися підвищеною експресією генів, які відповідають за розщеплення білків позаклітинного матриксу (що, ймовірно, необхідно для зміни будови матки), факторів зростання клітин і молекул клітинної адгезії кадгерину та інтегрину альфа-V, необхідних для прикріплення ембріона до матки.
Далі вчені з'ясували, за рахунок яких факторів зародок довше залишається всередині організму матері при живонародженні. Народження дитинча на світ або відкладання яєць супроводжується інтенсивними скороченнями м'язів стінки матки. Ці скорочення стимулюються кількома речовинами - зокрема, гормоном аргінін-вазотоцином (AVT) і простагландінами (PGs). Якщо у не було різких змін в активності генів, пов'язаних з дією цих речовин, то у живородних рівень експресії генів синтезу цих молекул і їх рецепторів був відносно низьким протягом вагітності і різко підвищувався тільки до кінця терміну. Іншим способом утримати ембріон в організмі самки до кінця розвитку може бути синтез інгібіторів AVT і PGs. Однією з відомих речовин є прогестерон (P4), який чинить розслабляючу дію на мускулатуру матки через лід-2-адренорецептори (ADRB2). Дійсно, експресія ADRB2 протягом вагітності значно підвищувалася порівняно з періодом перед вагітністю і різко знижувалася безпосередньо перед пологами, коли потрібні скорочення мускулатури.
Щоб визначити, чи є відмінності в рівні експресії однакових генів головною причиною появи живонародження і в інших лусочастих рептилій, вчені порівняли ще три пари живородних і яйцекладущих близькоспоріднених видів з трьох інших родів ящірок -, і. Дослідники перевірили чи вносять внесок появу нових генів і білків у виникнення відмінностей у репродуктивній системі самок. Для цього вони порівняли послідовності 9118 генів, загальних у чотирьох пар видів ящірок і побачили, що до замін в одних і тих же білкових послідовностях у яйцекладущих видів призводять зміни тільки чотирьох генів, що може вважатися випадковим процесом в ході еволюції і, швидше за все, не є пристосуванням до якихось специфічних умов проживання. Підсумовуючи результати всіх експериментів, вчені дійшли висновку, що перехід до живонародження у ящірок відбувався простіше, ніж передбачалося до цього, проте необхідні подальші дослідження.
Зоологи давно виявили, що живонародження зустрічається не тільки у ссавців тварин. Такий спосіб турботи про потомство використовують акули, скати, жаби і багато видів плазунів. Однак живонародження дуже поширене і серед безхребетних, і зоологи продовжують відкривати нові види живородячих цієї групи тварин. Детальніше про живонародження у, наприклад, морських черв'яків ви можете прочитати в нашому блозі «Внутрішній світ морських хробаків».