Змеи против тритонов: генная война, которая старше их самих

В горах американского штата Орегон водятся тритоны, в коже которых содержится такое количество яда, что его хватило бы, чтобы убить всех наших читателей. Но там же обитают и змеи, которые едят этих тритонов и полностью устойчивы к их токсинам. Животных связывает эволюционная гонка вооружений: по мере того как тритоны становятся более токсичными, змеи становятся более устойчивыми. А семена этого конфликта были посажены аж 170 млн лет назад – еще до появления самих тритонов и змей!

Thamnophis atratus eats Taricha granulosa
Подвязочная змея Thamnophis atratus уплетает вкусного тритона Taricha granulosa. Ты – на очереди. Фото: Richard Greene.

Об этой древней войне нам стало известно благодаря молодому студенту Эдмунду Броди-младшему по прозвищу Бутч. В начале 1960-х он услышал местную легенду о трех охотниках, которых нашли мертвыми в их лагере без признаков ограбления, борьбы или насильственной смерти. Единственной уликой на месте преступления был мертвый тритон, которого охотники случайно сварили в кофейнике. Западноамериканские тритоны (род Taricha) имеют темную спинку и яркое желто-оранжевое брюхо, которое демонстрируют при встрече с хищником, выгибая голову и хвост над спиной, – всем своим видом показывают, что они ядовиты. Возможно, именно яд тритона убил незадачливых охотников.

Бутч решил протестировать эту идею. Он поймал тритонов, измельчил их кожу и скормил экстракт другим животным. Все подохли. Химики выяснили, что в коже тритонов содержится тетродотоксин – тот же яд, что был найден в коже, печени и половых железах рыбы фугу. Он в десять тысяч раз токсичнее цианида и является одним из самых опасных веществ в природе. И каждый такой тритон способен убить любого потенциального хищника сто раз подряд. Они смертоносны до абсурда. Вот только вопрос: почему?

Ключ к этой загадке был получен, когда Бутч проверил одну из поставленных на тритонов ловушек и нашел обыкновенную подвязочную змею (Thamnophis sirtalis), которая с аппетитом пожирала тритона. Преодолевая боязнь змей, он поймал несколько и обнаружил, что они способны выдержать дозы тетродотоксина, которые убивали гораздо более крупных животных. Вот кто был для тритонов врагом и соперником в одном чешуйчатом лице.

В то время как Бутч сосредоточился на тритонах, его сын, Эдмунд Броди III, был абсолютно очарован змеями. Вдвоем они показали, что по всему западу Америки вместе с умеренно токсичными тритонами встречались умеренно устойчивые змеи. В то же время в «горячих точках» с необычайно смертоносными тритонами водились змеи, которые выдерживали ошеломляюще высокие дозы тетродотоксина. Два вида оказались втянуты в прекрасно скоординированную гонку вооружений – токсичности и резистентности.

Но когда эта гонка началась? Как первые змеи пережили встречу с первыми тритонами? Чтобы выяснить это, нужно было понять, какой механизм позволяет змеям выдерживать действие столь сильного яда.

Тетродотоксин – яд нейропаралитического действия. Он прочно связывается с особыми порообразующими белками на поверхности нервных и мышечных клеток, которые функционируют как каналы для ионов натрия. Иными словами, тетродотоксин убивает, закупоривая молекулярные поры и мешая ионам проходить через них. Если эти ионы не проходят через каналы, мышцы не могут сокращаться, а нервы – проводить импульс. Наступает паралич, дыхание прекращается, и смерть не заставляет себя ждать. Однако подвязочные змеи избегают этой печальной участи: в 2005 году отец и сын Броди выявили у них изменения в молекулярной структуре натриевых каналов, из-за которых тетродотоксин попросту не может их закупорить.

В то время их изыскания касались натриевых каналов Nav 1.4, которые встречаются в мышцах. Всего же у змей имеется девять типов белков, функционирующих в качестве натриевых каналов. Три из них пока не изучены. Три других отмечаются только в центральной нервной системе, которая защищена от тетродотоксина непроницаемым гематоэнцефалическим барьером. Оставшиеся два – Nav 1.6 и Nav 1.7 – более уязвимы. Они располагаются в периферических нервах, которые соединяют головной и спинной мозг с другими органами. Каналы Nav 1.7 находятся в сенсорных нейронах, а Nav 1.6 – в моторных.

Когда Джоэл Макглотлин начал работать с Броди, он показал, что Nav 1.6 и Nav 1.7 тоже устойчивы к тетродотоксину и имеют сходные защищающие мутации. Но мутации Nav 1.4 встречаются только у некоторых змей и отсутствуют у остальных, что делает отдельные популяции в тысячу раз более устойчивыми к яду тритонов по сравнению с соседними. Напротив, мутации устойчивости в каналах Nav 1.6 и Nav 1.7 обнаружились у всех подвязочных змей. Похоже, они являются более древним приобретением.

Thamnophis sirtalis concinnus выполз на охоту к ручью в горах Орегона (США). Фото: James Evans.

Чтобы узнать, когда они возникли, Макглотлин, ныне глава собственной лаборатории в Политехническом университете Виргинии, секвенировал гены, которые кодируют натриевые каналы у 78 видов змей. И к своему удивлению обнаружил, что одна мутация, которая делает канал Nav 1.7 в тридцать раз более устойчивым к тетродотоксину, появилась по меньшей мере 170 млн лет назад. Получается, что она намного древнее тритонов, от яда которых она спасает! По разным анализам, настоящие саламандры появились в Европе 97 или 69 млн лет назад, а американская линия отделилась от них примерно 44–48 млн лет назад. Более того, мутация может оказаться даже древнее самих змей! Напомним, самый ранний их представитель известен из средней юры Южной Англии – Eophis underwoodi, 167 млн лет.

Джоэл Макглотлин и соавторы полагают, что мутация возникла еще у ящериц, от которых змеи произошли, и изначально подхватилась эволюцией по какой-то другой причине: например, мутация могла благоприятно влиять на быстроту или легкость прохождения ионов натрия через канал и, следовательно, на возбудимость нервной ткани. И по случайному совпадению это изменение также сделало змей частично устойчивыми к тетродотоксину с самого момента их появления. «Змеи были предрасположены к вступлению в коэволюционную гонку вооружений, – говорит Макглотлин. – Они имели базовую резистентность: если бы съели что-то с небольшим количеством тетродотоксина, то выжили бы».

Представьте себе события 45-миллионолетней давности, когда в Америке появились первые тетродотоксичные тритоны. Сила их яда была небольшой, но достаточной, чтобы блокировать периферические нервы практически любого хищника, вызвав онемение жадных челюстей. Никто не ел их – кроме змей, защищенных частичной резистентностью нервов благодаря мутации Nav 1.7. Это привело к эволюционному давлению на тритонов и вынудило их стать более токсичными. Змеи ответили появлением дополнительной защитной мутации в другом канале периферической нервной системы – Nav 1.6, причем это произошло в разных группах змей независимо, минимум четыре раза. Затем группы с мутациями в обоих типах каналов продолжили развивать резистентность и обзавелись мутацией белка Nav 1.4 в мышцах. Гонка вооружений набрала нешуточный оборот.

Западноамериканский тритон Taricha granulosa вовсю изгаляется, дабы показать, что он ядовит. Не знает, несчастный, о мутациях подвязочной змеи, наблюдающей за его последним танцем. Фото: Gary Nafis.

В настоящее время существует по крайней мере пять видов змей, питающихся ядовитыми земноводными и имеющих полный набор непроницаемых каналов. Все они могут поблагодарить своих предков-ящериц за полезное генетическое наследство, и все они в дальнейшем независимо приобрели дополнительные жизненно необходимые мутации в одних и тех же натриевых каналах. Война змей и титонов являет собой отличный пример важности исторической случайности в эволюции, когда прошлые изменения, даже самые безобидные на вид, могут подготовить почву для последующих адаптаций.

Есть и другие примеры. В 2007 году люди были внезапно инфицированы штаммами сезонного гриппа, которые из-за мутации H274Y имели резистентность к противовирусному препарату Tamiflu. В течение года лекарство стало практически бесполезным. Ученые проигнорировали мутацию, так как знали, что она хоть и придает вирусу резистентности, но в целом делает его менее заразным, и поэтому думали, что вирус с мутацией не сможет распространиться. Они не понимали, что у некоторых вирусов уже была пара других мутаций, которые ничего не делали сами по себе, но, как оказалось, компенсировали негативные для вируса последствия H274Y. Эти штаммы были преадаптированы для резистентности к Tamiflu благодаря историческим причудам, так же как когда-то змеи были преадаптированы для резистентности к тетродотоксину.


Подготовил: Алексей Кац. По материалам: The Atlantic
Научная статья: Current Biology (McGlothlin et al., 2016)

Все права на данный текст принадлежат нашему журналу. Пожалуйста, не копируйте его в соцсети целиком, не отнимайте у нас трафик. Если хотите поделиться информацией с вашими подписчиками, можно использовать фрагмент и поставить активную ссылку на эту статью. С уважением, Батрахоспермум.