Эволюция клыков, яда и мимикрирующих систем у рыб-бленни

Monash Venom Group, факультет фармакологии, Институт открытия биомедицины, Университет Монаша, VIC 3800, Австралия Факультет биохимии и молекулярной биологии, Институт открытия биомедицины, Университет Монаша, VIC 3800, Австралия

Майкл Морган
Аффилиации

Центр исследования боли, Институт молекулярной биологии, Университет Квинсленда, Сент-Люсия, QLD 4072, Австралия

Энтони Ромилио
Аффилиации

Лаборатория палеонтологии позвоночных и биомеханики, факультет биологических наук, Квинслендский университет, Сент-Люсия, 4072, Австралия

Вера Вайсбекер
Аффилиации

Лаборатория морфологической эво-дево, Школа биологических наук, Квинслендский университет, Сент-Люсия, 4072 км², Австралия

Карин Мардон
Аффилиации
Центр передовой визуализации, Квинслендский университет, Сент-Люсия, 4072, Австралия
Саид А. Али
Аффилиации

Лаборатория эволюции яда, факультет биологических наук, Квинслендский университет, Сент-Люсия, 4072, Австралия Исследовательский институт химии HEJ, Международный центр химических и биологических наук (ICCBS), Университет Карачи, Карачи 75270, Пакистан

Джордан Дебоно
Аффилиации

Лаборатория эволюции ядов, Школа биологических наук, Университет Квинсленда, Сент-Люсия, QLD 4072, Австралия

Иван Колударов
Аффилиации

Лаборатория эволюции ядов, Школа биологических наук, Университет Квинсленда, Сент-Люсия, QLD 4072, Австралия

Аффилиации
Отделение радиологии, Медицинский центр Лейденского университета, Лейден, 2300 RC, Нидерланды
Грегори К. Берд
Аффилиации

Группа молекулярной экологии и эволюции, Школа биологических наук, Бангорский университет, Дейниол Роуд, Бангор LL57 2UW, Великобритания

Гаван М. Кук
Аффилиации

Группа молекулярной экологии и эволюции, Школа биологических наук, Бангорский университет, Дейниол Роуд, Бангор LL57 2UW, Великобритания Факультет наук о жизни, Университет Англия Раскин, Кембридж CB1 1PT, Великобритания

Аманда Ноувенс
Аффилиации

Школа химии и молекулярных бионаук, Университет Квинсленда, Сент-Люсия, QLD 4072, Австралия

Уэйн К. Ходжсон
Аффилиации

Monash Venom Group, факультет фармакологии, Институт биомедицинских открытий, Университет Монаша, VIC 3800, Австралия

Саймон К. Вагстафф
Аффилиации

Отдел биоинформатики, отделение паразитологии, Ливерпульская школа тропической медицины, Пембрук Плейс, Ливерпуль L3 5QA, Великобритания

Карен Л. Чейни
Аффилиации

Лаборатория визуальной экологии, Школа биологических наук, Университет Квинсленда, Сент-Люсия, QLD 4072, Австралия

Ирина Феттер
Аффилиации

Центр исследования боли, Институт молекулярной биологии, Университет Квинсленда, Сент-Люсия, QLD 4072, Австралия

Луиза ван дер Веерд
Аффилиации

Отделение радиологии, Медицинский центр Лейденского университета, Лейден, 2300 RC, Нидерланды Отделение генетики человека, Медицинский центр Лейденского университета, Лейден, 2300 RC, Нидерланды

Майкл К. Ричардсон
Аффилиации

Институт биологии Лейдена (IBL), Лейденский университет, Сильвиусвег 72, 2333 BE, Лейден, Нидерланды

Брайан Г. Фрай
Переписка
Автор-корреспондент
Аффилиации

Лаборатория эволюции ядов, Школа биологических наук, Университет Квинсленда, Сент-Люсия, QLD 4072, Австралия

Сноски автора
18 Со-первый автор 19 Ведущий контакт
Открытый архив Опубликовано: 30 марта 2017 DOI: https://doi.org/10.1016/j.cub.2017.02.067

Основные моменты

Клыкобрюхи развили ядовитые железы после возникновения их клыковой системы доставки
Яд содержит токсины, которые эволюционировали конвергентно в других ядовитых родах
Защитный яд является многофункциональным и оказывает мощное гипотензивное действие
Яд, по-видимому, стимулировал эволюцию многочисленных миметических связей.

Резюме

Системы ядов неоднократно эволюционировали в животном мире, и они могут выступать в качестве ключевых адаптаций для защиты животных от хищников [

• Casewell N.R.
• Wüster W.
• Вонк Ф.Дж.
• Харрисон Р.А.
• Fry B.G.

Сложные коктейли: эволюционная новизна ядов.
Trends Ecol. Evol. 2013; 28 : 219-229

]. Следовательно, ядовитые животные служат моделями для богатого источника типов мимикрии, поскольку неядовитые виды получают выгоду от снижения риска хищничества, имитируя окраску, форму тела и/или движения ядовитых собратьев [

• Moland E.
• Eagle J.V.
• Jones G.P.

Экология и эволюция мимикрии у рыб коралловых рифов.

in: Gibson R.N. Atkinson R.J.A. Gordon J.D.M. Oceanography and Marine Biology: An Annual Review. Taylor & Francis , 2005 : 445-482

• Александру М.А.
• Oliveira C.
• Maillard M.
• McGill R.A.R.
• Ньютон Дж.
• Крир С.
• Тейлор М.И.

Конкуренция и филогенез определяют структуру сообщества в сомитах Мюллера
Nature. 2011; 469 : 84-88

Heliconius Genome Consortium Butterfly genome reveals promiscuous exchange of mimicry adaptations among species.

Nature. 2012; 487 : 94-98

• Дэвис Рабоски А.Р.
• Кокс К.Л.
• Rabosky D.L.
• Title P.O.
• Холмс И.А.
• Фельдман А.
• McGuire J.A.

Коралловые змеи предсказывают эволюцию мимикрии у змей Нового Света.
Nat. Commun. 2016; 7 : 11484

]. Частая эволюция таких обманчивых имитаций дает яркие примеры фенотипической конвергенции и часто приводится в качестве классического примера эволюции путем естественного отбора. Здесь мы исследуем эволюцию клыков, яда и миметических отношений у рифовых рыб из трибы Nemophini (клыкастые). Сравнительный морфологический анализ показывает, что увеличенные клыки (клыкозубы) возникли у основания отряда Nemophini и обеспечили микрохищническую стратегию питания у неядовитых Plagiotremus spp. Впоследствии эволюция глубоких передних борозд и их соединение с секреторной тканью яда обеспечили Meiacanthus spp. токсичным ядом, который они эффективно используют для защиты. Мы обнаружили, что яд клыкача содержит ряд токсичных компонентов, которые были независимо добавлены в яды других животных, некоторые из которых вызывают токсичность через взаимодействие с опиоидными рецепторами и приводят к многофункциональному биохимическому фенотипу, оказывающему мощное гипотензивное действие. Эволюция яда клыкача, по-видимому, привела к фенотипической конвергенции через формирование разнообразных миметических связей, которые обеспечивают защитные (бейтсианская мимикрия) и хищнические (агрессивная мимикрия) преимущества для других рыб [

• Moland E.
• Eagle J.V.
• Jones G.P.

Экология и эволюция мимикрии у рыб коралловых рифов.

in: Gibson R.N. Atkinson R.J.A. Gordon J.D.M. Oceanography and Marine Biology: An Annual Review. Taylor & Francis , 2005 : 445-482

• Cheney K.L.

Множественное селективное давление на мимикрирующую рыбу кораллового рифа: случай Бейтсианско-агрессивной мимикрии.

Proc. Biol. Sci. 2010; 277 : 1849-1855

]. Наши результаты углубляют наше понимание того, как новые морфологические и биохимические адаптации стимулируют экологические взаимодействия в мире природы.

Графическая аннотация

Ключевые слова

Результаты и обсуждение

Рыбы трибы Nemophini, известные как клыкастые, представляют собой уникальную систему для изучения адаптаций, лежащих в основе формирования миметических отношений. Этот род включает пять родов: ядовитый род Meiacanthus и четыре неядовитых рода, из которых Plagiotremus и Petroscirtes содержат виды, имитирующие апосематическую окраску и поведение Meiacanthus [

• Moland E.
• Eagle J.V.
• Jones G.P.

Экология и эволюция мимикрии у рыб коралловых рифов.

in: Gibson R.N. Atkinson R.J.A. Gordon J.D.M. Oceanography and Marine Biology: An Annual Review. Taylor & Francis , 2005 : 445-482

• Cheney K.L.

Множественное селективное давление на мимикрирующую рыбу кораллового рифа: случай Бейтсианско-агрессивной мимикрии.

Proc. Biol. Sci. 2010; 277 : 1849-1855

• Смит-Ваниз В.
• Сатапомин У.
• Аллен Г.

Meiacanthus urostigma , новый клыкач из северо-восточной части Индийского океана, с обсуждением и примерами мимикрии у видов Meiacanthus (Teleostei: Blenniidae: Nemophini).

Aqua. 2001; 5 : 25-43
] (Рисунок 1A). Ряд моделей клыкастых подражают нескольким симпатрическим видам рыб (см. [

• Cheney K.L.

Межвидовые отношения у клыкачей.
in: Patzner R. The Biology of Blennies. CRC Press , 2009 : 379-404

] для подробного обзора), и хотя бейтсианская мимикрия преобладает во всех таких отношениях, некоторые представители рода Plagiotremus также используют мимикрию в агрессивной манере, чтобы получить доступ к более крупным рыбам для питания их чешуей и плавниками [

• Moland E.
• Eagle J.V.
• Jones G.P.

Экология и эволюция мимикрии у рыб коралловых рифов.

in: Gibson R.N. Atkinson R.J.A. Gordon J.D.M. Oceanography and Marine Biology: An Annual Review. Taylor & Francis , 2005 : 445-482

• Cheney K.L.

Множественное селективное давление на мимикрирующую рыбу кораллового рифа: случай Бейтсианско-агрессивной мимикрии.

Proc. Biol. Sci. 2010; 277 : 1849-1855

] (рис. 1А). В то время как другие клыкастые (например, Aspidontus taeniatus), как известно, подражают моделям, не относящимся к Meiacanthus, таким как чистый моржовый окунь Labroides dimidiatus [

• Moland E.
• Eagle J.V.
• Jones G.P.

Экология и эволюция мимикрии у рыб коралловых рифов.

in: Gibson R.N. Atkinson R.J.A. Gordon J.D.M. Oceanography and Marine Biology: An Annual Review. Taylor & Francis , 2005 : 445-482

], для целей данного исследования мы сосредоточились только на миметических отношениях, в которых ядовитые клыкастые Meiacanthus являются моделями.

Сначала мы реконструировали эволюционное родство клыкастых, секвенировав пять молекулярных маркеров у репрезентативных видов Nemophini (Таблица S1). Наш объединенный набор данных (n = 36; 2 691 п.н.) дает сильно поддерживаемую топологию дерева (Рисунок S1), в значительной степени соответствующую топологии Hundt et al. [

• Hundt P.J.
• Iglésias S.P.
• Hoey A.S.
• Simons A.M.

Многолокусная молекулярная филогения гребнезубых бленни (Percomorpha: Blennioidei: Blenniidae): множественные вторжения в приливные среды обитания.

Мол. Phylogenet. Evol. 2014; 70 : 47-56

]. Однако на нашем дереве ядовитый род Meiacanthus образует сильно поддерживаемую сестринскую кладу с монофилетической группой, содержащей роды Aspidontus и Petroscirtes (рис. 1B), в то время как в работе Hundt et al. [

• Hundt P.J.
• Iglésias S.P.
• Hoey A.S.
• Simons A.M.

Многолокусная молекулярная филогения гребнезубых бленни (Percomorpha: Blennioidei: Blenniidae): множественные вторжения в приливные среды обитания.

Мол. Phylogenet. Evol. 2014; 70 : 47-56

] Meiacanthus был признан сестринским к Plagiotremus и Xiphasia без сильной поддержки. В нашем анализе остальные роды, Xiphasia и Plagiotremus, образуют монофилетическую группу, сестринскую по отношению к Meiacanthus, Aspidontus и Petroscirtes.

Далее мы использовали микрокомпьютерную томографию (microCT), микроскопию со стекированием и гистологию для всестороннего обзора морфологии ротовой полости клыкачей и их близких родственников. Наш сравнительный морфологический анализ показал, что у всех клыкозубов увеличены клыки (клыки) на нижней челюсти и площадь поверхности буккального эпителия по сравнению с их родственниками (рис. 2, 3A, 3 B, S1 и S2). Гистологический анализ показал, что все представители Nemophini имеют полые клыки, и хотя у Meiacanthus и Petroscirtes есть верхнечелюстная оболочка для размещения увеличенных зубов, только Meiacanthus spp. обладает передними бороздками для передачи яда. Аналогично, только у Meiacanthus spp. есть ядовитые железы (рис. 2, 3C и 3D). Трехмерная реконструкция гистологических срезов венозных желез M. grammistes и M. reticulatus показывает, что они окружают основание клыков сзади и входят в переднюю бороздку, что, предположительно, облегчает передачу яда из венозной железы в цель во время укуса (рис. 3E и 3F).

Наложение наличия или отсутствия (1) увеличенных клыков и (2) ядовитых желез на филогению видов выявило единственное, наиболее вероятное объяснение происхождения каждого из этих признаков, а именно, совместное присутствие увеличенных клыков в основании трибы Nemophini и ядовитых желез в основании радиации Meiacanthus (Рисунок 1B). Таким образом, в отличие от ядовитых змей, где химическое оружие предшествует утонченным зубам для доставки яда [

• Fry B.G.
• Sunagar K.
• Casewell N.R.
• Kochva E.
• Roelants K.
• Scheib H.
• Wüster W.
• Видаль Н.
• Young B.
• Бурбринк Ф.
• et al.

Происхождение и эволюция ядовитой системы рептилий Toxicofera.

in: Frye B.G. Venomous Reptiles and Their Toxins: Evolution, Pathophysiology and Biodiscovery. Oxford University Press , 2015 : 1-31

], клыкастые эволюционировали механические структуры, пригодные для доставки яда, до появления их токсичных секреций.

О ядовитой системе клыкача известно немного, кроме того, что увеличенные клыки доставляют яд в агрессора для предотвращения проглатывания [

• Fishelson L.

Гистология и ультраструктура недавно обнаруженной буккальной токсичной железы у рыбы Meiacanthus nigrolineatus (Blenniidae).

Copeia. 1974; 1974 : 386

• Martini F.

The venom apparatus of the fanged blenny, Meiacanthus atrodorsalis .
Am. Soc. Zool. 1988; 28 : A76

• Losey G.S.

Защита от хищников у ядовито-клыкастого бленни, Meiacanthus atrodorsalis, и его имитаторов, Ecsenius bicolor и Runula laudandus (Blenniidae).

Pac. Sci. 1972; 26 : 129-139

• Losey G.S.

Meiacanthus atrodorsalis : Полевые доказательства защиты от хищников.
Copeia. 1975; 1975 : 574

]. Защитный характер яда, возможно, лучше всего подтверждается наблюдениями за многочисленными хищными рыбами, проглотившими M. atrodorsalis до “дрожания головы с расширением челюстей и оперкулюсов”, после чего клыкастый выходил из пасти невредимым [

• Losey G.S.

Защита от хищников у ядовито-клыкастого бленни, Meiacanthus atrodorsalis, и его имитаторов, Ecsenius bicolor и Runula laudandus (Blenniidae).

Pac. Sci. 1972; 26 : 129-139

]. Более того, эксперименты по кормлению M. atrodorsalis показали, что при удалении клыков клыкачи охотно поедались хищными рыбами, тогда как клыкачи с неповрежденными клыками изгонялись и избегали последующих встреч [

• Losey G.S.

Защита от хищников у ядовито-клыкастого бленни, Meiacanthus atrodorsalis, и его имитаторов, Ecsenius bicolor и Runula laudandus (Blenniidae).

Pac. Sci. 1972; 26 : 129-139

Ротовая ядовитая система Meiacanthus является исключительной среди телеустов, поскольку яд обычно доставляется через механический разрыв секреторных клеток, связанных с дорсальными и/или оперкулярными шипами [

• Smith W.L.
• Stern J.H.
• Girard M.G.
• Davis M.P.

Эволюция ядовитых хрящевых и лучеперых рыб.
Integr. Comp. Biol. 2016; 56 : 950-961

]. Действительно, использование оральной ядовитой системы исключительно в оборонительных целях необычно для животного мира. Мы предполагаем, что отсутствие крупных плавниковых шипов, пригодных для эффективной доставки яда у предков бленни, в сочетании с увеличением клыков, способствовало эволюции орального яда, наблюдаемого у Meiacanthus. Угри из рода Monognathus – единственные другие рыбы, у которых, как считается, есть ядовитый укус [

• Smith W.L.
• Stern J.H.
• Girard M.G.
• Davis M.P.

Эволюция ядовитых хрящевых и лучеперых рыб.
Integr. Comp. Biol. 2016; 56 : 950-961

], хотя считается, что они используют свой яд в основном в хищнических целях. Тем не менее, отметим, что предки этих рыб также не имели крупных плавниковых шипов, пригодных для оборонительных целей [

• Bertelsen E.
• Nielsen J.

Семейство глубоководных угрей Monognathidae (Pisces, Anguilliformes).
Steenstrupia. 1987; 13 : 141-198
], что указывает на элемент ограниченности.

Чтобы изучить состав токсинов в яде клыкача, мы построили транскриптомы из ядовитой железы M. atrodorsalis и ткани из соответствующего места у неядовитого вида Plagiotremus tapeinosoma, и провели протеомный анализ яда, выделенного из M. grammistes (рис. 4A). Предполагаемые токсины были идентифицированы по их обильной экспрессии в транскриптоме венозной железы и их отсутствию или низкому уровню экспрессии в контрольном транскриптоме, а также по их обнаружению в секретируемом яде. Хотя многие протеомные совпадения были связаны с генами, кодирующими конститутивные белки домашнего хозяйства, мы обнаружили три типа токсинов, ни об одном из которых ранее не сообщалось из яда рыб, которые демонстрируют характеристики, соответствующие специфической для яда роли: фосфолипазы A группы X (PLA).₂ (PLA₂), проэнкефалин и нейропептид Y (Рисунок S3).

Проэнкефалин и нейропептид Y были экспрессированы в транскриптоме ядовитой железы M. atrodorsalis, идентифицированы протеомно в яде M. grammistes и полностью отсутствовали в контрольном транскриптоме P. tapeinosoma, что убедительно свидетельствует о специфической роли яда. Хотя гены, кодирующие группу X PLA₂были обнаружены в обоих транскриптомах, уровень экспрессии, наблюдаемый в контрольном транскриптоме P. tapeinosoma, был крайне низким (0,04%). В отличие от этого, как PLA₂ и нейропептид Y интенсивно экспрессировались в транскриптоме ядовитой железы, причем отдельные контиги представляли собой третий и четвертый по численности аннотированные контиги (1,30% и 1,00% соответственно; Таблица S2), тогда как проэнкефалин демонстрировал более умеренный уровень экспрессии (0,15%; 69-й по численности).

Секретируемые PLA₂гидролизуют эфирные связи глицерофосфолипидов с образованием жирных кислот и лизофосфолипидов и являются обычными компонентами в ядах животных (например, пчел, скорпионов, змей [

• Шестов Д.А.
• Dennis E.A.

Расширяющееся суперсемейство ферментов фосфолипазы А(2): классификация и характеристика.
Biochim. Biophys. Acta. 2000; 1488 : 1-19

]). Хотя PLA класса группы X₂не были ранее описаны ни из одного яда, известно, что они способствуют развитию воспалительной патологии [

• Hanasaki K.
• Arita H.

Biological Functions of Group X secretory PLA2.

in: Yazici Z. Folco G.C. Drazen J.M. Nigam S. Shimizu T. Advances in Prostaglandin, Leukotriene, and other Bioactive Lipid Research: Фундаментальная наука и клиническое применение. Springer , 2003: 93-96

• Ватанабе К.
• Фудзиока Д.
• Саито Й.
• Nakamura T.
• Obata J.E.
• Kawabata K.
• Watanabe Y.
• Mishina H.
• Тамару С.
• Hanasaki K.
• Kugiyama K.

Секреторный PLA2 группы X в нейтрофилах играет патогенную роль в аневризмах брюшной аорты у мышей.
Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2012; 302 : H95-H104

]. Используя флуоресцентный ферментный анализ in vitro, мы показали, что яд клыкача проявляет значительную активность PLA₂ активность и вызывает дозозависимое расщепление PLA₂-специфического субстрата (Рисунок 4B). Чтобы представить эти результаты в биологическом контексте, мы сравнили активность PLA₂ активность яда клыкача с активностью яда двух гадюковых змей (Tropidolaemus wagleri и Parias hageni), которые, как известно, имеют яд PLA.₂s [

• Wang Y.M.
• Liew Y.F.
• Chang K.Y.
• Tsai I.H.

Очистка и характеристика фосфолипаз A2 из яда азиатских монотипичных змей семейства Crotalinae.

J. Nat. Toxins. 1999; 8 : 331-340

• Malhotra A.
• Крир С.
• Харрис Дж.Б.
• Thorpe R.S.

Важность быть геномным: Некодирующие и кодирующие последовательности предполагают различные модели эволюции мультигенных семейств токсинов.

Toxicon. 2015; 107 : 344-358

]. Мы обнаружили сопоставимые уровни расщепления субстрата между различными ядами (Рисунок 4B), что позволяет предположить, что fangblenny PLA₂ вероятно, является биологически значимым токсином яда.

Проэнкефалин кодирует несколько 5-аа пептидов, известных как мет-энкефалины, которые являются эндогенными опиоидными гормонами, взаимодействующими с опиоидными рецепторами и вызывающими преходящую анальгезию, гипотонию и воспалительные реакции [

• Lord J.A.
• Уотерфилд А.А.
• Хьюз Дж.
• Kosterlitz H.W.

Source: cell.com