Геном зебровой амадины покажет, как птицы научились петь

Международная команда исследователей завершила расшифровку генома зебровой амадины (Taeniopygia guttata) и опубликовала результаты своей работы в последнем выпуске Nature. Это вторая (после курицы) и первая певчая птица, которая удостоилась полного секвенирования ядерной ДНК. Анализ ее генома поможет ученым понять, как эволюционно развивалась песня у птиц, как происходит у них вокальное обучение, чем птицы генетически отличаются от млекопитающих и даже, по мнению авторов работы, приблизит их к пониманию того, как ребенок осваивает человеческую речь.

В работе принимали участие генетики и биоинформатики из более 20 научных институтов, а руководил консорциумом Ричард Уилсон (Richard K. Wilson), директор Геномного центра университета Вашингтона (The Genome Center, Washington University) в Сент-Луисе. Ученые не только секвенировали геном (определили последовательность нуклеотидов ядерной ДНК зебровой амадины), но и провели его структурный, функциональный и сравнительный анализ. Для этого они использовали самые современные средства молекулярной генетики, такие как гибридизация in situ, микрочипы, биоинформационные методы.

Что общего у певчих птиц и человека

Певчие птицы отличаются не только тем, что используют песню для коммуникации, но и тем, что птичья молодежь осваивает вокальный репертуар, обучаясь у родителей. Самец зебровой амадины при помощи видоспецифической песни столбит свою территорию и привлекает самок. Молодые самцы слушают песню отца и начинают повторять ее элементы, подражая ему. Постепенно их младенческий «лепет» развивается в настоящую песню, которую они впоследствии передают следующему поколению. Биологи видят в этом сходство птиц и человека, так как ребенок осваивает язык только в процессе обучения.

Генный анализ песни

Простая мелодия песни зебровой амадины длится всего несколько секунд, но, как показано в предыдущих исследованиях, ради нее в мозге задействовано большое количество генов. При анализе полного генома биологи нашли около 800 генов, которые включаются и выключаются в момент, когда самец зебровой амадины поет или слушает видовую песню.

Оказалось, что большинство генов, вовлеченных в пение, не кодируют белок, что считается основной генной функцией. На этих генах в процессе их экспрессии синтезируются короткие некодирующие молекулы РНК. Ученые считают, что основная их роль – регулировать генную сеть, вовлеченную в вокальное обучение. Ранее наука показала, что некодирующие РНК играют важную роль в процессах развития. Теперь же предстоит выяснить, как эти молекулы участвуют в процессах обучения и памяти.

«Теперь мы можем глубже заглянуть в геном и не только увидеть гены, участвующие в обучении песне, но и распознать сложную генную регуляцию, -- сказал Ричард Уилсон. – Мы только в начале этого пути, но он приведет нас к пониманию молекулярных основ обучения как у птиц, так и у человека».

Амадина – больше птица, чем курица

Первой птицей с расшифрованным геном стала курица. Она тоже, конечно, птица, но довольно специфическая. Курица плохо летает и, хотя издает звуки, но к певчим птицам не относится. Несмотря на все утренние петушиные изыски.

Ученые сравнили геном зебровой амадины и курицы и нашли как общие черты, так и отличия. По размеру птичьи геномы совпадают – они состоят из 1 млрд пар оснований, в то время как человеческий геном втрое больше.

Поскольку амадина поет, а курица – нет, сравнение геномов двух видов выявляет гены, которые отличают певчих птиц от непевчих, то есть вовлечены в вокальное обучение. Изучая эти гены, ученые смогут воссоздать эволюционный путь, который привел птиц к песне.

В геноме амадины ученые обнаружили увеличение числа генов, связанных с белками ионных каналов, которые очень важны при передаче нервного сигнала. Некоторые гены в геноме амадины оказались удвоенными, что указывает на особую важность продуктов этих генов для певчих птиц.

У амадины имеется ген, кодирующий белок -- колониестимулирующий фактор-1, играющий очень важную роль в работе иммунной системы. Этот ген присутствует у всех млекопитающих и птиц, но вот в геноме курицы его не нашли. Поэтому ученые могут судить о различиях в работе иммунной системы амадины и курицы. Они надеются, что изучение генов, связанных с иммунной системой, позволит выяснить ее эволюцию.

В чем генетические особенности птиц

Ученые увидели на генетическом уровне, чем птицы отличаются от млекопитающих и других позвоночных. Только один пример: и у курицы, и у амадины отсутствует ген, кодирующий белок нервных клеток синапсин- 1, который у человека имеет отношение к шизофрении и судорожным состояниям. Его нашли и у других млекопитающих, а также у амфибий и рептилий, включая крокодила. А вот предки птиц его, по-видимому, потеряли.

Почему поют только самцы

У зебровой амадины, как и у других певчих птиц, поет только самец, и учатся пению, соответственно, исключительно молодые самцы. Ученые считают, что у половых различий в поведении две причины. Во-первых, это влияние на деятельность птичьего мозга половых гормонов. А во-вторых, разное строение половых хромосом. У самца зебровой амадины две копии Z-хромосомы, а у самки – одна Z- и одна W-хромосома. Как результат, большинство генов, расположенных на Z-хромосоме, у самцов присутствуют в двух экземплярах, а у самок – в одном, поэтому у самцов они работают сильнее. В их числе – и гены, связанные с пением.

От генома амадины – к человеку

Генетики нашли у зебровой амадины также гены, отвечающие за степень фертильности – длину и скорость движения сперматозоидов. В связи с этим интересно изучить работу аналогичных генов у человека.

Авторы статьи в Nature считают, что расшифровка генома зебровой амадины будет очень полезна для изучения работы мозга человека в норме и в патологии. Во-первых, она позволит глубже заглянуть на генетическом уровне в процесс обучения языку. Во-вторых, будет полезна для понимания генетических основ различных нарушений речи: при аутизме, последствиях инсульта, паркинсонизме. На очереди у специалистов – расшифровка генома попугая, которая должна завершиться в 2010 году.