Экспонаты Зоомузея МГУ заговорили на языке генов

ДНК, выделенная из экспонатов Зоологического музея МГУ, помогает биологам находить ответы на загадки систематики и эволюции животного мира.

Коллекции животных и растений естественнонаучных музеев знакомят посетителей с бесконечным разнообразием живого мира, а для науки хранят это разнообразие экземпляров, собранных натуралистами в течение веков. Причем в музейных экспонатах, заспиртованных, заформалиненных и высушенных в виде тушек и чучел, сохранен не только внешний облик живущих или уже не живущих на планете существ. В них законсервирована информация, которая может рассказать о родственных связях с другими организмами и, следовательно, об их эволюции. Носитель этой информации — ДНК. Нужно только уметь ее прочитать. Сегодня, когда молекулярно-генетические методы прочно вошли в практику полевых зоологов, они используются и в музеях. При всех крупных музеях естественной истории в мире имеются лаборатории генетического анализа, и в них исследуется богатейший материал, за которым и ходить-то никуда не надо — вот он, под рукой. С помощью молекулярной генетики музейные экспонаты в информационном смысле «оживают». И музеи выходят на новый уровень научных исследований — возможность обращения к генетике радикально расширяет использование их коллекций как источника получения новых знаний.

Такая лаборатория теперь есть и в Зоологическом музее МГУ на Большой Никитской. Она начала работать в 2016 году, когда музей отметил свое 225-летие. Называется она Лабораторией исторической ДНК. Слово «исторической» не должно вводить в заблуждение — здесь работают с ДНК животных, живших в исторический период, образцы которых собраны специалистами. Это название подчеркивает возраст музейных экспонатов — им от десятков до пары сотен лет, но не тысячи лет (тогда речь идет уже о палеоДНК, или древней ДНК). Но из образцов «исторического» возраста выделить ДНК гораздо труднее, чем из свежих. Прежде всего нужно обеспечить высокую степень стерильности, чтобы избежать контаминации, проще говоря— загрязнения.

Евгения Соловьёва
Евгения Соловьёва

— Готовить лабораторию мы начали еще в 2014 году, — рассказывает канд. биол. наук Евгения Соловьёва, которая руководит лабораторией и работает в ней практически в одиночку (рис. 1). — Было непросто выбрать подходящее помещение в старом здании музея, потом надо было сделать ремонт, покрыть стены специальной краской, на которой не оседает пыль, установить специальную вентиляцию с фильтрами.

Лабораторию надо было оснастить оборудованием, и тут, очень кстати, МГУ получил большой грант на разработку научных основ создания биобанка–депозитария живых систем. Одна из главных задач проекта состояла в том, чтобы провести инвентаризацию, оцифровку и введение в научный оборот многочисленных и разнообразных коллекций, хранящихся в МГУ. На средства проекта сотрудники Зоомузея смогли закупить всё необходимое для работы — ламинарные боксы (рис. 2), термостаты, центрифуги, амплификатор и пр. Навыкам работы с древней ДНК Евгения обучалась на стажировке в Музее естественной истории Стокгольма, в лаборатории, где исследуют ДНК мамонтов, шерстистых носорогов и других животных, исчезнувших с нашей планеты относительно недавно.

Рис 1. Евгения Соловьёва в лаборатории.
Рис 1. Евгения Соловьёва в лаборатории.
Рис. 2. Ламинарный бокс для выделения ДНК
Рис. 2. Ламинарный бокс для выделения ДНК

С 2016 года лаборатория в Зоомузее начала проводить исследования и решать биологические задачи, которых у зоологов накопилось изрядно.

— В основном мы работаем по запросам коллег, которые занимаются разными группами животных, — рассказывает Евгения Соловьёва, — это и птицы, и беспозвоночные, и пресмыкающиеся, и млекопитающие. Коллеги приходят ко мне с разными задачами. Например, нужно сравнить данные по свежим сборам с типовым экземпляром того же вида в музейной коллекции. Иногда по данному виду есть только музейные образцы, и надо сравнить экземпляры, собранные в разных географических точках. Я выделяю ДНК из материалов разного типа: это могут быть спиртовые пробы, кости, фрагменты тушек.

По пути в лабораторию мы с Евгенией пересекаем исторические интерьеры экспозиционных залов музея с колоннами, галереями и мостиками под потолком, минуем застывших в витринах зверей, птиц и прочих тварей, некоторые из которых ждут своей очереди на генетическое тестирование. Помещение лаборатории, очень маленькое, состоит из трех отсеков. В первом мы переодеваемся в стерильные комплекты одноразовой одежды: комбинезон, шлем, бахилы, перчатки, маска. Система вентиляции устроена так, что воздух через фильтры подается под небольшим давлением в самый чистый отсек, а оттуда поступает в менее чистые отсеки. Таким образом, ток воздуха возможен только в одном направлении. В промежуточном отсеке находятся специальные устройства для обработки костного материала — вибрационная мельница и бокс, в котором из кости высверливается нужный фрагмент (обязательно из ее глубоких слоев). В самом чистом отсеке размещается ламинарный бокс и всё необходимое для выделения ДНК. Это самая ответственная часть работы, именно на этом этапе нужно исключить загрязнение. Здесь возникают определенные сложности.

— Иногда в музейных образцах ДНК сохраняется даже хуже, чем в трупах мамонтов из вечной мерзлоты, — говорит Евгения. — Экспонаты долгое время подвергались воздействию света, температуры. Большая проблема — работа с формалинными образцами. ДНК в них проходит химическую модификацию и сильно разрушается. В мире уже есть работы, в которых ДНК успешно выделяли из формалинных образцов, хотя их очень мало. Я попробовала два метода, но пока они не привели к успеху, надо пробовать другие.

После выделения ДНК в ней надо исследовать определенный участок, а для этого его амплифицируют (многократно умножают) методом полимеразной цепной реакции.

— В нашем случае, — уточняет Евгения, — поскольку ДНК потенциально сильно фрагментирована, амплифицируют короткие перекрывающиеся фрагменты ДНК (длиной около 100–200 пар оснований), используя специфические праймеры (короткие цепочки нуклеотидов, обозначающие начало и конец фрагмента). Эти фрагменты затем собирают в единую последовательность изучаемого гена (или генов).

Какой именно участок ДНК интересует исследователей, зависит от задачи. Чаще всего для ее решения нужно посмотреть последовательности одного-двух, иногда большего числа генов. Начинают обычно с генов митохондриальной ДНК, при необходимости переходят на ядерные гены. Для секвенирования (определения последовательности ДНК) материал отправляют в другую лабораторию — «Евроген» в Институте биоорганической химии РАН. Полученный результат сравнивают с открытой онлайновой базой — Генбанком (GenBank).

— По митохондриальной ДНК мы чаще всего работаем с геном первой субъединицы цитохромоксидазы (COI) — он используется для «баркодинга» (генетический «штрих-код», специфичный для каждого вида), и по нему в Генбанке накоплен большой объем информации, — объясняет Соловьёва. — Для некоторых видов мы выбираем гены, исходя из того, по каким из них имеется больше всего данных для сравнения.

Анализируя полученные результаты, исследователи ищут ответы на поставленные вопросы о родственных отношениях изучаемых животных. Для этого сравнивают последовательности ДНК этих животных и близкородственных таксонов и строят филогенетические деревья — графическое отображение эволюционных связей между видами (подвидами, особями и т. п.).

Каждая биологическая задача, решаемая в лаборатории, — это основа для отдельного проекта. За два года в работе было 13 проектов, из которых пять завершены, а результаты четырех уже опубликованы в научных статьях.

Например, в одном из проектов исследовали летучую мышь — нетопыря, хранившегося в музее в единственном экземпляре, для которого не была ясна принадлежность к какой-либо группе.

— Анализ фрагментов двух митохондриальных и одного ядерного гена показал, что он относится к группе восточных нетопырей, ближе к яванскому нетопырю, — говорит Евгения. — Мы анализировали и другие близкие роды из этой трибы, и нам удалось подтвердить, что нетопыри распадаются на группу восточных и группу западных видов, при этом наиболее близкой ветвью к восточным оказался отдельный род — толстопалые нетопыри. А по музейному экземпляру нетопыря мы описали новый подрод.

Самый первый проект, как рассказывает Евгения, был непосредственно связан с ее специальностью — она герпетолог и диссертацию защищала по филогении круглоголовок. На филогенетическом дереве не хватало хентаунской круглоголовки — это ящерица, обитающая в Туркмении (рис. 3). Организовать экспедицию в Туркмению для ее поисков сейчас практически невозможно. Но экземпляр высушенной шкурки круглоголовки хранился в музее. Из него удалось получить данные по трем генам, что позволило дополнить филогенетическое дерево круглоголовок.

Рис. 3. Хентаунская круглоголовка (фото Е. А. Дунаева)
Рис. 3. Хентаунская круглоголовка (фото Е. А. Дунаева)

Еще один проект, пока не законченный, — анализ ДНК чекана Пржевальского. Эти маленькие птички живут в Китае, в труднодоступных горных регионах. В лаборатории удалось выделить ДНК из тушек, которые были собраны 130–150 лет назад — на сегодня это самый старый из анализируемых образцов (рис. 4). Результаты по митохондриальному гену ND2 сравнили с данными Генбанка и данными других коллег. И оказалось, что генетика в данном случае противоречит морфологии и биоакустике: птицы, которые отличаются по внешнему виду и песне, обладают одинаковой митохондриальной ДНК. Теперь перед учеными стоит задача проверить маркеры ядерной ДНК, чтобы понять, как такое могло получиться. Возможно, между близкими видами чеканов произошла гибридизация, в ходе которой один вид позаимствовал митохондриальный геном у другого вида.

Рис. 4. Музейные образцы чекана Пржевальского
Рис. 4. Музейные образцы чекана Пржевальского

А тем временем появляются новые задачи и новые проекты. Ученые начали работать с тарпаном — вымершим видом дикой лошади. В ­Зоомузее хранится череп тарпана (рис. 5), ему около 100 лет, вероятно, это был последний тарпан, встреченный в природе. ДНК тарпана специалисты планируют отдать на секвенирование полного генома.

Рис. 5. Череп тарпана в боксе для высверливания фрагмента кости
Рис. 5. Череп тарпана в боксе для высверливания фрагмента кости

— По тарпану пока нет никаких молекулярных данных, — говорит Соловьёва. — Мы хотим узнать, насколько он отличается от других лошадей и с какими их видами находится в наиболее близком родстве.

Молекулярно-генетическая лаборатория для работы с музейными образцами животных пока единственная в нашей стране. Правда, генетики работают с древней ДНК в Москве и Новосибирске, но у них несколько иные задачи. Такой лаборатории, которая была бы нацелена именно на работу с музейными образцами и на решение с их помощью различных биологических задач, в России больше нет.

Михаил Калякин
Михаил Калякин

— В коллекции Зоологического музея МГУ около 10 млн экземпляров, — рассказывает директор музея, докт. биол. наук ­Михаил Калякин. — Эта оценка очень приблизительная, так как точно подсчитать мелких беспозвоночных животных невозможно. У нас есть планктонные пробы, пробы бентоса, в каждой из которых тысячи организмов, — как их посчитать? Мы попробовали оценить нашу коллекцию жуков, грубо прикинув число экземпляров в ящиках и ящиков в шкафах, получилось порядка 5 млн. История музея восходит к 1759 году. Но за 260 лет его гигантская коллекция никогда не была в такой степени востребована, как сейчас. Сегодня мы можем, используя образцы из коллекции, перепроверить данные, выявить ошибки и исследовать данные на новом уровне современных технологий. В Лаборатории исторической ДНК мы пытаемся решить сокровенные вопросы систематики, найти ответы на загадки, которые зоологи много лет не могли разгадать. Благодаря появлению у нас этой лаборатории значительная часть музейной коллекции стала доступна для генетического анализа. Пока речь идёт о точечном использовании наиболее важных и интересных экземпляров, но технологии развиваются, и перспективы использования музейных коллекций расширяются.

Надежда Маркина

От редакции ТрВ-Наука: Искренне желаем сотрудникам музея удачи и энергии в этом титаническом труде!

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (5 оценок, среднее: 3,80 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: