Роман Иванов

В IX главе своего труда – «Происхождении видов», Дарвин подробно рассматривает явление гибридизации, и в частности - проблему гибридной стерильности. Он выявил основные законы происхождения и причин ее происхождения, а также выделил степени гибридной стерильности. Удивительно, но практически все теории ученого, жившего 150 с лишним лет назад, не только подтвердились, но и продолжают дополняться все новыми и новыми данными молекулярной и клеточной биологии! Собственно, в этом эссе и будет произведена попытка более подробно рассмотреть аспекты стерильности гибридов с недосягаемой в том времени высоты современных данных.

В самой главе приведено много вариантов причин возникновения стерильности, основными из который Дарвин считал различия в половых элементах, влияние внешних факторов, а также инбридинг. При сравнении одомашненных видов и диких видов Дарвин заметил, что чем дольше длится период доместикации, тем сильнее это обеспечивает уменьшение стерильности, и особи вновь становятся способными дать потомство. Большое внимание он уделяет дивергенции понятий разновидности и вида и практически все его наблюдения совпадают с предположением о том, что изначально виды возникли из разновидностей.

Остановимся поподробнее на механизмах, ответственных за снижение фертильности у гибридов. Логично, что существуют гены, мутации в которых приводит к гибридной стерильности, так называемые — «гены видообразования», и в конечном итоге они были найдены! Несколько генов видообразования найдено у мушек-дрозофил и у растений.

У млекопитающих же, был пока описан лишь один такой ген — Prdm9, ответственный за стерильность мужского потомства при скрещивании домовых мышей Mus musculus musculus и Mus musculus domesticus. При этом выяснилось несколько интригующих фактов. Начну издалека. Уже всему свету известна роль мейотических рекомбинаций в процессах размножения. Рекомбинация начинается с появления разрывов в двойной спирали ДНК. Эти разрывы происходят в определенных участках — горячих точках рекомбинации. Так вот, оказалось, что у животных с разными аллелями Prdm9 наборы «hot spots» различаются. Это справедливо и для мышей, и для людей. Разберем же подробнее роль белка Prdm9. Белковый продукт гена Prdm9 (белок PRDM9) является ферментом гистон-H3-лизин-4-триметилтрансферазой. У этого белка есть участок («цинковый палец», описанный несколькими независимыми учеными в 2010 году), связывающий определенные последовательности ДНК. Функция фермента состоит в нанесении особой эпигенетической метки на один из гистонов. Данная метка (триметилирование 4‑го лизина гистона H3) часто, хотя и не всегда, наносится там, где расположены промоторы генов, активных в данной клетке. При этом PRDM9 — не единственный белок, умеющий наносить эту метку; есть и другие белки с такой же функцией. Действует PRDM9 следующим образом. У нормальных мышей PRDM9 в начале мейоза присоединяется к определенной последовательности нуклеотидов, которую он распознает при помощи своих «цинковых пальцев». Здесь белок ставит на гистон «эпигенетическую метку» и «пропускает» фермент разрезания ДНК. Образовавшийся разрыв двойной цепи ДНК в дальнейшем используется для рекомбинации (кроссинговера) или залечивается. Однако данный белок не является единственным, способным ставить метки и у мышей-мутантов, с выпавшим(неработающим) PRDM9, «ножницы» направляются к другим эпигенетическим меткам, поставленным другими белками. Некоторая часть этих меток располагаются в промоторах активных генов. Мыши с отключенным геном Prdm9 жизнеспособны, но бесплодны: у них нарушается спаривание хромосом во время мейоза и не образуются нормальные половые клетки. Итак, PRDM9 при помощи эпигенетических меток активирует гены, необходимые для мейоза, а также указывает на участки хромосомы в которых будет происходить обмен участков в кроссинговере, путем определения мест разрывов хромосом. Именно эти свойства и обеспечивают способность PRDM9 при наличие в нем мутаций вызывать гибридную стерильность.

Однако, вышеописанный белок не является единственной причиной гибридной стерильности. Рассмотрим другие источники этого явления.

Очень важной причиной гибридной стерильности являются хромосомные перестройки. Случайно возникшая инверсия может помешать прохождению кроссинговера в биваленте, гетерозиготном по инверсии (при наличии точки рекомбинации не в середине петли). Транслокации, делеции, дупликации также способны помешать появлению фертильных гибридов. Они могут мешать путем неполного синапсиса бивалентов на стадии пахитены (или ранее) и апаптозом недоспаренных клеток. Например, у гибридов бизона и яка хромосомные перестройки приводят к образованию стерильных самцов и плодовитых самок. Происходит же это прекращением сперматогенеза на стадии сперматоцитов, из-за того, что биваленты неправильно расходятся на стадии пахитены мейоза. Схожая ситуация наблюдается у мулов и зеброидов. Совсем недавно же была показана схожая ситуация у мулардов – гибридов кряквы и мускусной утки.

Дарвин уделил отдельной внимание ступенчатой стерильности. В данном случае гибриды могут отличаться друг от друга по степени фертильности: фертильны, слабо фертильны (в различной степени) и стерильны. Сравнительно недавно было проведено исследование посвященное этой теме, рассматривающее стерильность про скрещивании трех популяций пунаре(эдаких очаровательных южноамериканских грызунов). Ступенчатость, кстати, наблюдалась лишь у самцов, самки были вполне фертильны. Вместо морфологического определения стерильности были применены цитогенетические методы. Обнаружилось, что у стерильных особей мейоз заканчивался на стадии пахитены, а у более стерильных - до ранней зиготены. Был сделан вывод о том, что подобное расщепление было вызвано расщеплением по генам-контроллерам спаривания (А1 и А2) и по генам, контролирующим контроль спаривания (В1 и В2). Возможные сочетания: А1А1 В1В1 - хорошее спаривание/хороший контроль, А1А1 В1В2 - хорошее спаривание/плохой контроль – потомки фертильны, А1А2 В1В2 - плохое спаривание/плохой контроль – потомки стерильны, А1А2 В1В1 - плохое спаривание/хороший контроль – потомки более стерильны. И в принципе, эта схема (уточню, что речь не идет о точных молекулярных механизмах, и схема довольна условна) дает вполне логичное объяснение градации стерильности. Примечательно, что родители имели разное число хромосом.

В недавно изданной учеными из ИЦИГа работе исследовались два близкородственных вида серых полевок, различающихся по хромосомным перестройкам. У них также обнаружилась градуированная стерильность по разным полам: самцы были более стерильны, чем самки (мейоз прекращался на стадии лептотены). Данное исследование эмпирически подтвердило правило Холдейна (если при гибридизации видов или популяций один пол отсутствует или стерилен, то это гетерогаметный пол). Также был сделан вывод, что виды теряют фертильность постепенно, но самцы становятся стерильнее быстрее, чем самки.

Возникает логичный вопрос: как вообще мейоз проходил при таких различиях в хромосомном строении у родителей(при таком количестве хромосомных перестроек)? Объясняется это тем, что хромосомы способны спариваться как гомологично, так и негомологично. Это позволяет образовываться гаметам и может привести к образованию потомства. Однако не стоит расчитываться на то, что у потомства будет все замечательно: скорее всего будет происходить резкое увеличение числа хромосомных мутаций, то не приведет к полноценной половой(к ней ведь относится и рождение потомства) жизни.

Важнейшую роль гибридная стерильность играет в видообразовании. Популяцию по тем или иным причинам разделяется и изолируются. Это может быть как появление географического барьера (аллотропическое видообразование) так и экологического или поведенческого барьера (симпатрическое видообразование). Независимо от причины, популяции становятся генетически несовместимыми друг с другом. Причем процесс этот долгий: показано, что у африканских цихлид он протекал в течении 10 миллионов лет! Там происходила эволюция органов цветовосприятия, который у этих рыбок играет важную роль в определении пригодности партнера. Впрочем, я отвлекся. Так вот, в 30-40-ых годах учеными Добржанским и Мёллером была предложена модель, согласно которой несовместимость возникает как побочный эффект закрепления в двух генофондах различных мутаций, некоторые из которых в силу простой случайности оказываются несовместимы с мутациями, закрепившимися в другом генофонде.

Поясним на примере. Жила-была популяция с генотипом A₁B₁С₁D_1. Жила себе и горя не знала. Однако в один момент, произошла изоляция ее на две части. С концами, да так что никакого потока генов между ними не было. И стали в этих изолированных популяция возникать и закрепляться разные мутации. В одной стал генотип A₂B₁С₁D₁, и несовместимой эти популяции не стали, поскольку иначе эта мутация и не закрепилась. Однако в другой популяции возникла мутация В₂. И совсем не факт, что она будет совместима с А₂(с С_{1 и} D₁ она совместима, что логично). И подобным образом мутации будут копиться и вероятность того, что они окажутся несовместимыми становится все выше и выше и выше… и в один прекрасный день две популяции одного вида станут двумя популяциями двух разных видов. И это рассматривается лишь простейшая модель, при которой гена антагонистичны друг-другу попарно, а ведь бывают случаи конфликтов между двумя и тремя локусами, что усложняет ситуацию донельзя. Однако, несмотря на всю логичность, и я бы даже сказал стройность это модели, до недавнего времени она не была подтверждена на практике, что в основном было связано со сложностью подсчета генетических различий и их несовместимости. Однако же и данный камешек не смог долго задерживать все ускоряющийся ход научной машины. В 2010 году сразу двумя научными коллективами была преодолена эта трудность. Одна из этих работ, по ряду причин, была проведена на двух видах дрозофил, сохранивших ограниченную способность к межвидовой гибридизации. Был сделан вывод, что их результаты гораздо лучше соответствуют предсказанию модели Добржанского–Мёллера об ускоряющемся, параболическом росте числа «генов несовместимости», чем альтернативной гипотезе о линейном росте (то есть о том, что число «генов несовместимости» растет пропорционально числу накопленных различий, а не квадрату этого числа).

Параллельно был проведен эксперимент на растениях рода Solanum (паслён), который также привел к схожим результатом. Это послужило эмпирическими подтверждениями состоятельности модели Добржанского–Мёллера, что не может не радовать меня, как неодарвиниста.

В общем и целом, я свою роль в освещении современных подтверждений и дополнений к гипотезам о гибридной стерильности Дарвина считаю выполненной. Но не могу не заметить, что несмотря на то, что на многие вопросы Дарвина из IX главы современными учеными и были даны ответы, но часть из них не была должным образом рассмотрена. Хотя я более чем уверен, что это лишь вопрос времени.