Анастасия Юшкова

«Элементарно, Дарвин!»

В IX главе «Гибридизация» автор знакомит нас с явлением гибридной стерильности видов.

Дарвин дифференцирует степени гибридной стерильности, которые представлены в широком диапазоне и определяются различными законами. Какие это законы? Чем можно определить стерильность? Как она возникает? Постулируется, что она является критерием отнесения родительских особей к одному или разным видам, но так ли это?

В самой главе приведено множество вариантов причин возникновения стерильности: различия в состоянии половых органов, близкородственные скрещивания, скрещивания в условиях неволи, влияние внешних факторов. При сравнении одомашненных видов и видов, обитающих в дикой природе, Дарвин заметил, что чем дольше длится период доместикации, тем сильнее это обеспечивает уменьшение стерильности, и особи вновь становятся способными дать потомство. Также, пытаясь найти сходство в фертильности между гибридами и помесями, Дарвин приходит к тому, что существенной разницы между этими понятиями не существует. Аналогично его мучает вопрос о разграничении разновидностей и видов, изучая фертильность их потомков. В итоге все его наблюдения не идут в разрез с предположением о том, что изначально виды являлись разновидностями.

С 1859 года множество людей изучает труд Чарльза Дарвина, который и по сей день остается актуальным и дает широкий спектр для размышлений по тем или иным вопросам, связанным с происхождением видов. Проанализировать все наблюдения и догадки, а также рассказать о стерильности гибридов с современной точки зрения предстоит и мне.

«Элементарно, Дарвин!» - скажет любой человек, который в наше время изучает биологию, и сразу же назовет основной причиной стерильности - нарушения, происходящие с хромосомами в процессах деления клеток живых организмов. Ведь кто бы мог раньше знать о том, что организмы обладают индивидуальным набором хромосом, а изучение хромосом и процессов деления клеток в наше время займет довольно большую нишу в биологических исследованиях. Но все ли так просто?

С 1931 года, когда, благодаря Барбаре Макклинток, механизм кроссинговера стал общеизвестен, активно началось изучение «горячих точек», в которых происходила рекомбинация. А раз есть «замок», то он должен открываться. Поэтому в 2010 году тремя независимыми группами ученых были открыты белковые структуры, получившие название «цинковых пальцев», а также их белок- PRDM9. В 2012 году Кевин Брик и группа американских ученых опубликовала статью в журнале Nature, посвященную механизму рекомбинации, которая активно обсуждалась в биологическом сообществе как статья о единственном идентифицированном гене, вызывавшим явление гибридной стерильности, а, следовательно, и названным геном видообразования.

Белок PRDM9 необходим для того, чтобы «указать» где же делать разрыв хромосомы (ученые смогли отследить почти все точки рекомбинации у линий мышей, их число варьировало в пределах шестнадцати тысяч), он ставит метку и происходит разрез, который используется для обмена участками хромосом или же «залечивается». Это было показано в 2010 году группой французских ученых, их результаты обеспечили молекулярную основу для распределения мейотической рекомбинации у млекопитающих, при которой связывание PRDM9 со специфическими последовательностями ДНК нацелено на инициирование рекомбинации в определенных местах генома.

Но недавний эксперимент показал, что у мутантных особей мышей, которые не имеют этого белка, разрез происходит по другим возможным меткам, которые зачастую расположены в промоторах активных генов. В итоге возникшие там разрывы нарушают мейоз и возникает стерильность. Стоит заметить, что гены видообразования были найдены и ранее, в 2004 году у дрозофил и в 2010 у растений, но точный механизм возникновения стерильности был тогда под вопросом. В 2009 году японские исследователи опубликовали статью, посвященную мутации PRDM9 у человека. Они идентифицировали два однонуклеотидных полиморфизма у пациентов с азооспермией (отсутствием сперматозоидов в эякуляте), а у фертильных пациентов такого не наблюдалось. Но в этом масштабном проекте по изучению белка гибридной стерильности PRDM9 остались некоторые неизученные аспекты. Первый из них опирается на работу, проделанную учеными из Испании в 2011 году. Они пришли к выводу, что у таких групп животных, как собаки, волки и койоты, механизм, определяющий точки разрыва, не контролируется белком PRDM9. Результаты показывают, что три вида обладают мутациями, которые, вероятно, делают этот ген нефункциональным. Также можно заметить, что появление этих мутаций не связано с одомашниванием животных, а значит, не определяет градацию стерильности. А второй аспект связан с районом генома мыши, а конкретно, участком половых хромосом, где образование точек разрыва также не определяется известным нам белком. Я думаю, что Мистер Дарвин, безусловно, захотел бы разобраться во всех этих сложностях механизма рекомбинации, ведь он не только хранит еще множество загадок, но и дает ответы на некоторые вопросы, волновавшие исследователя.

Если же рассматривать процесс видообразования, то существует два изолирующих типа от генетического обмена между популяциями одного вида. Это аллопатрический (географический барьер, к примеру, горный хребет) или же симпатрический (экологический или поведенческий барьер, например, «расхождение» по разным кормовым базам для популяций) типы. При разделении популяций наблюдается явление «постзиготической изоляции». Оно характеризуется снижением жизнеспособности или плодовитости гибридного потомства (теперь уже отбор будет поддерживать мутации, направленные на снижение гибридизации видов). Возникают различные изолирующие эффекты, проявляющиеся даже на морфологическом уровне в различии строения половых органов. Процесс изоляции изучался на протяжении долгого времени, и как следствие, были опубликованы, на мой взгляд, довольно занимательные статьи. При видообразовании цихлид формировались разнообразные системы цветового зрения, а сам процесс изоляции длился до десяти миллионов лет. В 2009 Кристофером Хофманном и его коллегами была опубликована статья в журнале PLoS Biol, в которой, кроме описания невероятных исследований отличия чувствительностей к разной длине световых волн у разных видов цихлид, также было рассказано, какими путями шла эволюция органа зрения. А именно, как менялись границы воспринимающего волны спектра в зависимости от изменений генов. В противовес видообразование, которое длилось примерно несколько сотен поколений, было описано на примере дрожжей. В 2007 в журнале Nature Джереми Деттман вместе с биологами из Канады опубликовал статью о видообразовании путем дивергентной адаптации и антагонистического эпистаза у дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Был осуществлен разнонаправленный отбор для получения постзиготической изоляции, так как ранее описанных процессов образования новых видов в лабораторных условиях было очень мало. Единственная известная работа была проведена в далеком 1980 году на дрозофиле (группа исследователей из Бразилии) и тлях (группа исследователей из СССР). Деттману удалось добиться проявления адаптации популяций, и группа ученых приступила к гибридному скрещиванию. В итоге были получены линии, в которых гибриды были приспособлены к изначальной среде обитания намного хуже, чем их родители, а это значит, что эксперимент удался.

В 1930-1940 годах Добржанский и Мёллер разработали модель накопления со временем несовместимостей у близкородственных видов. Они вывели, что со временем возникновение «несовместимых» генов будет увеличиваться в пропорциональном отношении относительно квадрата числа «отличающихся» генов. А, следовательно, количество генов, которые отвечают за постзиготическую изоляцию, растет с большой скоростью и саму изоляцию обеспечивают как раз таки конфликты между аллельными вариантами разных генов, а также число генов должно быть пропорционально времени дивергенции между видами. Сама модель рассматривалась и преподавалась довольно долгое время, никто не брался за ее прямую проверку, так как количественный подсчет этих «несовместимых генов» являлся сложно осуществимым. Но в 2010 году в журнале Science вышла статья, авторы которой смогли протестировать эту модель. Рассматривая две пары видов Drosophila simulans, D.santomea, которые скрещивали с самками D.melanogaster, они показали, что число генов, участвующих в постзиготической изоляции, возрастает, по меньшей мере, так же быстро, как и квадрат числа замещений (показатель времени дивергенции) между видами. Одновременно с этим ученые из Мемфисского университета публикуют статью в том же журнале, в которой опять же проверяется модель Добржанского-Меллера, но теперь эксперимент проводится на растениях. Использовались фрагменты диких геномов вида Solanum, которые встраивали в геном томата, и как мы понимаем, имела место быть межвидовая гибридизация, было понятно, какой чужеродный фрагмент внедрялся в геном. Ученые смогли оценить накопление количественных локусов признаков между видами в группе растений рода Solanum и обнаружили, что гибридная семенная стерильность, как и ожидалось, накапливается нелинейно. С пыльцой ситуация была обратной, оказалось, что число «несовместимых» генов растет линейно относительно значения меры генетических различий. Это может быть свидетельством того, что на стерильность пыльцы влияет сеть более сложно организованных взаимодействий между локусами. Несмотря на частично отрицательный результат второго исследования, исходная модель оказалась верной и наконец-то проверенной эмпирически.

Не стоит также забывать, что гибридную стерильность могут вызывать хромосомные перестройки. Транслокации, инверсии и другие перестройки в гетерозиготном состоянии вызывают стерильность. В 2013 году была выпущена статья в журнале Poultry Science, которая показала связь стерильности с «арестом» мейоза в первичных сперматоцитах у мулардов – гибридов кряквы (Anas platyrhynchos) и мускусной утки (Cairina moschata). Ученые пришли к выводу о том, что хромосомные перестройки привели к неполному синапсу бивалентов в пахитене, на стадии которой уже присутствовали вырожденные сперматоциты. В результате аномальный гаметогенез приводил к полной стерильности самцов этих гибридов. И это подтверждает правило Холдейна, которое гласит о том, что проявление стерильности чаще наблюдается у гетерогаметного пола. В статье рассказывается о генах, регулирующих способность бивалентов к синапсису, которые работали только у самцов исследуемого гибрида.

Совсем недавно, в марте этого года, учеными Института Цитологии и Генетики была опубликована статья в журнале Scientific Reports. В этой статье исследовались гибриды двух видов серых полевок (Microtus arvalis и M.levis), которые различались по хромосомным перестройкам. Ученые обнаружили, что мейоз у гибридов самцов подвергался «аресту» уже на стадии лептотены, тогда как у гибридов самок он вступал на стадию пахитены, но стоит отметить, что у самок наблюдалось одно интересное явление. Они могли почти правильно формировать синапсисы, но большинство все же накапливали регионы асинапсисов, и это не заканчивалось ничем хорошим, так как такие связи не являются стабильными и прочными. Объяснением этому служит то, что хромосомы могут спариваться как гомологично, так и негомологично (что наблюдается намного реже). Но и у самок, которые формировали синапсисы, эти участки также не являлись прочными. Эта работа также послужила иллюстрацией правила Холдейна. И позволила нам судить о том, что виды становятся стерильными постепенно, но самцы теряют способность к размножению на более ранних стадиях, чем самки.

Еще одно интересное исследование, показывающее нам явление ступенчатой стерильности, о котором писал в своей главе Мистер Дарвин, является изучение популяций пунаре (Thrichomys apereoides). Критерии вида относительно этих млекопитающих не были подтверждены в нужной степени, самки являются фертильными, а значит, что судить о репродуктивной изоляции с полной уверенностью нельзя. Результаты работы были опубликованы в 2005 году. Ученые обнаружили, что гибридные самцы дифференцируются по степеням стерильности: часть являлась фертильной, часть – стерильной, а другая часть – «более» стерильной. В этом случае стерильность так же не определялась морфологически, как это было во времена Дарвина. Теперь основу составляла цитогенетика. Ученые рассматривали способность формировать биваленты на стадиях деления клетки. Было замечено различие, которое и положило основу для подобного деления проявления стерильности. У фертильных особей, как уже нам понятно, мейоз проходил все стадии, и формировались нормальные сперматозоиды. Что касается стерильных особей, то у одних мейоз прерывался на стадии пахитены, а у других («более» стерильных) на стадии ранней зиготены и до пахитены уже не дожила ни одна клетка. Такое расщепление было объяснено тем, что существует расщепление по генам, контролирующим спаривание хромосом (А), и по генам, контролирующим это спаривание (В). Разумеется, эта модель контроля мейотических клеток была упрощена, так как на самом деле генетические системы содержат множество различных генов, но получившиеся комбинации наглядно демонстрировали различия в стерильности у организмов.

Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что все те мысли и вопросы, волновавшие Дарвина, до сих пор активно изучаются учеными по всему миру. На многие мы уже смогли найти ответы в современных исследованиях, но также остается множество неизученных проблем гибридизации. Но наука не стоит на месте, ведь совершенствуются методы, возникают новые проекты и идеи их воплощения. Я думаю, что в будущем мы еще больше приблизимся к разгадке формирования гибридной стерильности, загадку которой нам загадал Чарльз Дарвин в своей книге «Происхождение видов путём естественного отбора, или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь».

Юшкова Анастасия, группа 14404