Рыбы подотряда Notothenioidei обитают в ледяных водах Южного океана и составляют почти 90% рыбной биомассы этого региона. Именно по этой причине генетики выбрали их в качестве подопытных. Температура здешних вод такова, что всё тело подводных обитателей должно было бы превратиться в лёд. Однако этого не происходит. Почему?

Dissostichus mawsoni — один из самых крупных представителей нототениевых, может весить до 90 килограммов (фото Chris Cheng и Paul Cziko).

Тщательное изучение необычных способностей нототениевых по сути началось в пятидесятые годы прошлого века. В 1960-х профессор Артур Деврис (Arthur DeVries) из университета Иллинойса впервые изолировал и описал "белки-антифризы", которые связывают кристаллы льда в крови рыб, не давая ей застыть. Организм обитателей морских глубин производит их сам.

	Артур прозвал обнаруженные им вещества, не позволяющие телу рыб замёрзнуть, гликопротеины-антифризы (antifreeze glycoprotein — AFGP) (фото Kris Kuenning, NSF).

В подотряде Notothenioidei восемь семейств, пять из них обитают в Антарктике, спокойно проживая при низких температурах (-2–4 °C) и высоком содержании кислорода (который лучше растворяется в холодной воде и переходит в высокореакционные, вредные для тканей организма формы).

Группа генетиков под руководством Кристины Чэн (Chi-Hing "Christina" Cheng), жены Девриса, решила выяснить генетические основы экстремальной выносливости.

"Эта работа стала первым полномасштабным исследованием всех биологических функций рыб, всю свою жизнь от рождения и до смерти обитающих в невероятно холодной воде", — говорит Чэн.

Для начала учёные взяли под пристальный контроль характерного представителя нетотениевых —Dissostichus mawsoni. Кристина и её коллеги хотели выяснить, экспрессия каких генов происходит у арктического клыкача наиболее массово. Для этого они взяли четыре образца тканей: из мозга, яичников, печени и почки (основного кроветворного органа рыбы).

Чэн и её коллеги более 20 лет изучают в Антарктике семейство нототениевых (фото Chris Cheng).

Отметим, два года назад учёные установили, что печень почти не вырабатывает необходимые для адаптации белки. Куда больше на благо рыбы работают желудок и экзокринная часть поджелудочной железы.

Поначалу генетики решили, что у антарктических рыб будет происходить высокоэффективная экспрессия всех генов, которые дают им возможность выживать при низкой температуре и высоком содержании кислорода. Хотя также рассматривался вариант, когда конкретные ткани вырабатывают большое количество определённых белков.

У рыб, обитающих в Антарктике, нет гемоглобина (таков механизм адаптации к воде, богатой кислородом). Многие рыбы Южного океана почти прозрачные, и через их кожу вполне можно разглядеть внутренние органы (фото Uwe Kils).

"Мы обнаружили, что в подавляющем большинстве случаев работает конкретная группа генов, — говорит Чэн. — В каждой ткани экспрессируются все возможные гены, но та самая небольшая группа цитопротективных генов экспрессируется в большом количестве во всех тканях".

Далее учёные сравнили экспрессию генов D. mawsoni и неродственных ей рыб, обитающих в более тёплых водах Мирового океана, и выяснили, что большинство генов, нужных антарктической рыбе, почти не проявляют себя у других видов.

Личинки нототениевые могут подрастать до 9 месяцев, и всё это время им также приходится испытывать на себе неблагоприятные условия среды (фото Chris Cheng & Kevin Hoefling).

Среди последовательностей, отвечающих за выработку определённых белков в большом количестве (upregulated genes), было обнаружено много генов, кодирующих протеины, отвечающие за реакцию организма на негативное воздействие окружающей среды. Таких учёные насчитали аж 177 семейств.

В частности, было обнаружено множество шаперонов (белков, чья главная функция восстановление правильной третичной структуры повреждённых белков) и особенно "белков температурного шока" (heat shock protein), защищающих клетки от экстремальных температур. Также присутствовали убиквитины — белки, поддерживающие здоровье клеток и маркирующие другие протеины перед процессом деградации.

Из-за незаконного вылова патагонского клыкача (Dissostichus eleginoides) уже с 1970-х страдают пищевые цепи южных частей сразу нескольких океанов. Учёные беспокоятся, что та же судьба грозит и Dissostichus mawsoni (фото с сайтов foodluvin.com и dailymail.co.uk).

Кроме того, в геноме антарктического клыкача эти протеины встречаются от 3 до 300 раз чаще, чем у его тепловодных "собратьев", что также увеличивает сопротивляемость рыбьего организма экстремальным условиям.

На данный момент учёные занимаются изучением влияния на антарктические виды рыб изменения климата (повышения температуры воды). Им предстоит выяснить, сможет ли адаптироваться D. mawsoni к новым условиям. Ведь если вымрут антарктические клыкачи, пострадают все пищевые цепочки Южного океана.

Молодые нототениевых во льду. Молодняк весит порядка 13-18 килограммов, поэтому большую часть его отлавливают, не дожидаясь, когда рыбы подрастут (Chris Cheng & Kevin Hoefling).

Подробнее о проведённом исследовании читайте в пресс-релизе университета, в статье авторов открытия, вышедшей в PNAS. Также университет Иллинойса подготовил для ознакомительных целей это слайд-шоу.

Говорить о практическом применении полученных данных на пользу человеку пока, конечно, рано. Данное исследование скорее фундаментальное, чем прикладное. Однако смогут ли учёные спустя годы с помощью новых открытий создать какой-то особый антифриз для механизмов и продуктов или (если уж совсем размечтаться) улучшить способности к выживанию при низких температурах самого человека – не знает никто.