Несовместимые гены у представителей одного и того же вида оказались обычным явлением

Рис. 1. Схема изготовления «рекомбинантных инбредных линий» (RILs) мушек Drosophila melanogaster. Вертикальные цветные отрезки — хромосомы (на рисунке отражена судьба только одной из четырех пар хромосом D. melanogaster). «Основателями» популяции (inbred founders, G0) стали 8 инбредных (см. инбридинг) линий, выведенных из восьми природных популяций с разных континентов. Основателей скрестили друг с другом по кругу: первую линию со второй, вторую с третьей и т.д. Получившимся метисам (G1) позволили свободно скрещиваться друг с другом, а их многочисленное потомство (G2) разделили случайным образом на две большие популяции (A1 и A2). Каждая популяция затем жила в течение 50 поколений в просторном помещении, где мухи скрещивались, с кем хотели. В результате свободной рекомбинации их хромосомы превратились в мозаику мелких фрагментов, унаследованных от 8 исходных генотипов (G50). Затем из каждой популяции случайным образом выбрали по 400 пар родителей и от каждой пары произвели «рекомбинантную инбредную линию» (RIL) путем скрещивания братьев с сестрами в течение 25 поколений. В каждой такой линии мухи из-за инбридинга стали гомозиготными по большинству локусов (G75). Вся процедура была проделана дважды, с двумя разными восьмерками линий-основателей, так что в итоге получилось 400 · 4 = 1600 рекомбинантных инбредных линий. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Важным этапом видообразования является формирование генетической несовместимости (постзиготической изоляции) между расходящимися видами, которая проявляется в пониженной приспособленности гибридов. Если две популяции долго не скрещиваются, у них неизбежно накапливаются взаимно несовместимые аллели, потому что отбор не проверяет на совместимость гены в двух разобщенных генофондах. До сих пор усилия ученых были направлены на поиск несовместимых генов в геномах уже разделившихся видов. Американские биологи обнаружили, что конфликтующие пары аллелей нередко встречаются и внутри единого, неразделенного видового генофонда. Этот вывод подтвержден на больших искусственных популяциях плодовой мушки Drosophila melanogaster и двух растений: кукурузы и арабидопсиса. Несовместимые генетические комбинации, присутствующие в видовых генофондах, могут выступать в роли своеобразных «зародышей» постзиготической изоляции, облегчая начальные этапы видообразования.

Если две популяции перестали обмениваться генами (из-за возникновения географического барьера или по любой другой причине), то со временем в их генофондах накопятся различия. В одной популяции будут закрепляться одни мутации, в другой — другие. Для этого популяциям даже не обязательно попадать в разные условия и подвергаться разнонаправленному отбору. В одинаковых условиях различия всё равно будут накапливаться из-за случайной фиксации и элиминации нейтральных аллелей (см. дрейф генов).

Развитие постзиготической изоляции (которая начинается с пониженной приспособленности гибридов и заканчивается полной нескрещиваемостью) — это неизбежный побочный эффект накопления генетических различий. Эффект основан на «антагонистическом эпистазе», то есть на конфликтах между аллельными вариантами разных генов. Например, если особи с генотипами A-B-, A-bb и aaB- имеют нормальную приспособленность, а особи с генотипом aabb — пониженную, то говорят, что между аллелями a и b наблюдается антагонистический эпистаз. Пользуясь более простым языком, можно сказать, что аллели a и b «несовместимы».

Каждая новая мутация (новый аллель) проверяется отбором на совместимость с другими генами, имеющимися в данном генофонде. Аллель, несовместимый с каким-нибудь часто встречающимся аллелем любого другого гена, будет отбракован. Однако отбор не может проверить аллель на совместимость с генами из другого генофонда. Поэтому рано или поздно в одной из двух разобщенных популяций распространится аллель, несовместимый с каким-то из аллелей, распространенным в другой популяции. Чем больше генетических различий между популяциями, тем больше должно быть таких несовместимых комбинаций (и тем выше степень постзиготической изоляции). Великие эволюционисты Герман Мёллер и Феодосий Добржанский еще 80 лет назад постулировали, что генетическая несовместимость должна расти с ускорением, пропорционально квадрату генетической дистанции между расходящимися видами. Об этой гипотезе и ее недавнем экспериментальном подтверждении рассказано в новости Генетическая несовместимость нарастает по параболе, «Элементы», 26.09.2010.

Чтобы понять механику видообразования, важно выяснить, насколько широко распространен в природе антагонистический эпистаз. Какова вероятность того, что две случайные мутации окажутся взаимно несовместимыми? Насколько эффективно отбор вычищает такие мутации из генофонда? К сожалению, у ученых пока нет четких ответов на эти вопросы.

Биологи прилагают немалые усилия, чтобы найти конкретные «гены видообразования» — те конфликтующие комбинации аллелей, которые обеспечивают постзиготическую изоляцию между видами (см.: «Ген видообразования» не позволяет хромосомам рваться в неположенных местах, «Элементы», 18.06.2012; Китайские генетики поняли, почему японский рис не скрещивается с индийским, «Элементы», 18.09.2012).

Однако до сих пор никому не удавалось оценить частоту встречаемости конфликтующих аллелей внутри видовых генофондов. Выше мы говорили, что отбор отбраковывает мутации, несовместимые с распространенными вариантами других генов. Но власть отбора не беспредельна. Если мутация конфликтует с каким-нибудь редким вариантом другого гена, то вероятность встречи конфликтующих аллелей в одном генотипе (у одной особи) может оказаться слишком низкой, чтобы отбор это заметил. Конечно, отбор вряд ли позволит конфликтующим аллелям достичь высокой частоты (во всяком случае, не обоим одновременно). Но в виде редких генетических вариантов они вполне могут сохраняться в генофонде.

Теоретически это возможно, вопрос лишь в том, насколько часто такое бывает в природе. Если внутривидовой антагонистический эпистаз — большая редкость, то все «гены видообразования», обеспечивающие изоляцию расходящихся видов, должны появляться заново в ходе видообразования. Если же это обычное явление, то придется признать, что некие «зародыши» изоляции присутствуют в генофонде вида постоянно. Их наличие могло бы существенно облегчить начальные этапы видообразования и повысить его вероятность (частоту).

Проблема в том, что оценить частоту встречаемости несовместимых аллелей в природных популяциях крайне трудно. Модельные объекты, для которых разработаны эффективные исследовательские методики, такие как Drosophila melanogaster, Arabidopsis thaliana или Caenorhabditis elegans, характеризуются широким распространением, колоссальным генетическим разнообразием и сложнейшей популяционной структурой. Разные популяции этих видов имеют разную численность, живут в разных условиях, подвергаются разному отбору, обмениваются друг с другом генами с разной интенсивностью. Оценить частоту встречаемости антагонистического эпистаза в такой сложной системе затруднительно: слишком много вариантов придется перебирать и слишком неоднозначными будут интерпретации полученных результатов.

Биологи из Гарвардского и Корнелльского университетов (США) сумели радикально упростить задачу, создав четыре искусственные популяции D. melanogaster, свойства которых идеально подходят для ее решения (рис. 1). Генетический полиморфизм каждой из четырех популяций представляет собой небольшую выборку из реального полиморфизма дрозофил с разных континентов (рис. 2). Искусственные популяции не имеют внутренней структуры, поскольку мухи в течение 50 поколений жили вместе и свободно скрещивались друг с другом, перекомбинируя свои гены более-менее случайным образом (см. панмиксия).



Рис. 2. Места обитания 16 природных популяций D. melanogaster, из которых были выведены 16 инбредных линий-основателей для создания искусственных популяций. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Из каждой популяции затем было выведено по 400 инбредных линий (recombinant inbred lines, RILs). Всего, таким образом, было получено 1600 RILs (4 группы по 400). Инбридинг (скрещивание братьев с сестрами в течение 25 поколений) перевёл большинство аллелей в гомозиготное состояние, что радикально упростило поиск конфликтующих генов. Хромосомы каждой RIL представляют собой случайную мозаику фрагментов, унаследованных от восьми линий-основателей.

Теперь можно было приступать к поиску конфликтующих генов. Чтобы избежать проблем, связанных со сцепленным наследованием, авторы сосредоточились на генах, расположенных на разных хромосомах. Логика поиска очень проста. Допустим, гены A и B, расположенные на разных хромосомах, в данной группе из 400 RILs представлены аллелями A1, A2, B1 и B2. Для начала нужно определить частоту встречаемости каждого аллеля в данной группе линий. Например, если аллель A1 присутствует у 300 линий, а аллель A2 — у остальных 100, то частота A1 равна 0,75, а частота A2, соответственно, равна 0,25 (мы ведь помним, что линии гомозиготны по большинству генов, а те гены, по которым сохранился высокий уровень гетерозиготности, были исключены из анализа). Затем вычисляем ожидаемую частоту встречаемости каждой из четырех возможных аллельных комбинаций. Например, если частоты A1, A2, B1, B2 равны соответственно 0,75, 0,25, 0,9, 0,1, то ожидаемая частота встречаемости комбинации A1B1 равна 0,75 · 0,9 = 0,675; для комбинации A1B2 она составит 0,75 · 0,1 = 0,075 и т.д. После этого нужно сравнить ожидаемые частоты с наблюдаемыми в данных 400 линиях. Достоверное отличие наблюдаемого распределения частот от ожидаемого указывает на эпистатическое взаимодействие аллелей. Например, «недопредставленность» комбинации A2B2 свидетельствует о том, что такое сочетание аллелей снижает приспособленность и отбраковывалось отбором в ходе выведения изучаемых линий.

Применив весьма строгие критерии статистической достоверности, авторы обнаружили 22 пары конфликтующих аллелей. Для двух из этих пар были проведены дополнительные эксперименты, подтвердившие предположение об антагонистическом эпистазе. Как и следовало ожидать, в обоих случаях конфликтуют друг с другом минорные аллели, то есть не самые распространенные, а сравнительно редкие. В обоих случаях неудачная комбинация аллелей снижает плодовитость самцов (рис. 3). Из 44 «аллелей несовместимости» 27 присутствуют более чем у одной линии, что указывает на достаточно широкую распространенность таких аллелей в природных популяциях. По оценке авторов, каждая пара исходных линий-основателей имела в среднем по 1,15 пар взаимно несовместимых аллелей. Таким образом, внутривидовой антагонистический эпистаз у дрозофилы — явление вполне обычное.



Рис. 3. Подтверждение наличия пары несовместимых аллелей на хромосомах 2 и 3 (2R — правое плечо хромосомы 2, 3R — правое плечо хромосомы 3) в одной из четырех искусственных популяций. На графике слева (а) по горизонтальным осям показано расположение исследованных генетических маркеров (отсеквенированных полиморфных участков ДНК) на хромосомах, по вертикальной оси — степень отклонения от ожидаемого распределения частот аллельных комбинаций. Высокий пик в дальней части графика говорит о том, что в соответствующих участках двух хромосом присутствует пара несовместимых аллелей. Дополнительные эксперименты подтвердили, что минорные аллели генов, находящихся там (гены notopleural на хромосомном плече 2R и Cyp12e1 на 3R), действительно конфликтуют, резко снижая плодовитость тех самцов, у которых присутствуют оба аллеля (генотип aabb). На графике справа (b) показана плодовитость самцов в зависимости от генотипа. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature.

Авторы также показали, что полученные ими результаты справедливы не только для дрозофилы. Для этого они проанализировали таким же способом похожие наборы инбредных линий резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) и кукурузы (Zea mays), изготовленные ранее другими исследователями. Достоверное отклонение от ожидаемого распределения аллельных комбинаций обнаружилось для семи пар генов у резуховидки и пяти — у кукурузы.

Данная работа является первым документальным подтверждением идеи о том, что антагонистический эпистаз может быть широко распространен внутри видовых генофондов, а не только у зарождающихся видов на той или иной стадии расхождения. Иными словами, полное прекращение генетического обмена между популяциями (как в модели Добржанского–Мёллера) не является обязательным условием накопления несовместимых генов. Правда, если генофонд не разделен, отбор не позволит обоим конфликтующим аллелям одновременно достичь высокой частоты. Но и устранить конфликт, полностью элиминировав один из аллелей, он тоже не сможет, если вероятность «встречи» двух редких конфликтующих аллелей достаточно мала.

Таким образом, в генофонде может существовать значительный запас «скрытой несовместимости», а это, в свою очередь, должно повышать вероятность видообразования. В том числе — видообразования случайного, основанного на генетическом дрейфе. Допустим, в одной маленькой полуизолированной популяции D. melanogaster случайно зафиксировался минорный аллель гена notopleural, а в другой — минорный аллель гена Cyp12e1. В этом случае постзиготическая изоляция между популяциями может оказаться достаточно сильной (см. рис. 3). Теперь, если географический барьер между ними исчезнет, популяции могут быстро превратиться в самостоятельные виды под действием механизма усиления (о котором рассказано в новости Изменение окраски помогает цветам разделиться на два вида даже без смены насекомого-опылителя, «Элементы», 04.03.2012). Дальнейшие исследования покажут, насколько часто видообразование в природе происходит благодаря запасу «скрытой несовместимости».

Источник