В поисках генов видообразования

В поисках генов видообразования

Итак, постзиготическая изоляция возникает в результате фиксации несовместимых (конфликтующих) аллелей в разобщенных популяциях. Что же это за гены, изменения которых порождают такие конфликты? В принципе при скрещивании представителей двух давно разошедшихся популяций конфликтовать может что угодно с чем угодно. Но все-таки интересно было бы найти конкретные гены, ответственные за несовместимость. Для таких генов придумано броское название — «гены видообразования». Ясно, что в разных парах видов конфликтующие гены, скорее всего, будут разными. Несмотря на их несомненное присутствие у разошедшихся видов, идентифицировать их пока удается нечасто. Мы расскажем о нескольких таких удачных примерах.

Несколько генов видообразования нашли у дрозофил (Orr et al., 2004). Как правило, это гены, так или иначе связанные с размножением. Например, один из них, OdsH, вызывает гибридную стерильность (бесплодие) у самцов, полученных от скрещивания Drosophila simulans и D. mauritiana — видов, разделившихся 0,3–1,0 млн лет назад. Функция гена состоит в регуляции экспрессии ряда других генов, участвующих в сперматогенезе. Многие гены видообразования несут следы действия положительного отбора. По-видимому, это значит, что постзиготическая несовместимость часто развивается под действием разнонаправленного отбора (как в эксперименте с дрожжами), а не просто за счет пассивного накопления нейтральных различий.

Что касается млекопитающих, то у них пока описан только один такой ген — Prdm9, ответственный за стерильность мужского потомства при скрещивании двух видов (или подвидов, случай спорный) домовых мышей: Mus musculus и Mus domesticus. То, что где-то на 17-й мышиной хромосоме есть «ген гибридной стерильности», конфликтующий с несколькими другими генами при межвидовых скрещиваниях, было известно давно, но установить его идентичность удалось лишь в 2008 году. С тех пор ген Prdm9 активно изучают. При этом выяснилось много интригующих фактов. В частности, обнаружилась связь Prdm9 со стерильностью не только у гибридных мышей, но и у других животных. Например, у людей мутации этого гена приводят к мужскому бесплодию.

Функцию Prdm9 установили лишь в 2012 году. Оказалось, что ген отвечает за формирование «горячих точек рекомбинации» — мест, где хромосомы чаще всего рвутся, чтобы обменяться участками во время мейоза. В норме у мышей разрывы хромосом при подготовке к кроссинговеру происходят в нефункциональных частях генома, но, если работа Prdm9 нарушена, хромосомы начинают рваться где попало, в том числе в регуляторных областях жизненно важных генов. Мыши с такими генетическими дефектами бесплодны, потому что у них не образуются жизнеспособные половые клетки (Brick et al., 2012).

У растений выявлено около 40 генов видообразования. Как правило, это тоже гены, связанные с размножением — с созреванием пыльцы, ускорением или отсрочкой цветения, механизмами «узнавания» подходящей пыльцы тканями пестика (к этим механизмам относится и самонесовместимость, о которой мы говорили в главе 3). У растений признаки действия положительного отбора на гены видообразования тоже есть, но не такие четкие, как у дрозофил. Возможно, случайные процессы играют в видообразовании у растений более важную роль (Rieseberg, Blackman, 2010).

Один из интересных случаев связан с домашним рисом (см. главу 2). Согласно данным археологии и генетики, азиатский культурный рис Oryza sativa был одомашнен на юге Китая 9 тыс. лет назад (Molina et al., 2011). С тех пор было выведено много сортов, подразделяющихся на две большие группы: O. s. indica (длиннозерные сорта) и O. s. japonica (круглозерные).

«Индийские» и «японские» сорта разделились не менее 3–4 тыс. лет назад и с тех пор эволюционировали аллопатрически, т. е. выращивались в разных районах, почти не скрещиваясь друг с другом. За это время в их генофондах успели накопиться взаимно несовместимые мутации, что привело к частичной репродуктивной изоляции, а именно к снижению плодовитости гибридов indica и japonica. Это можно рассматривать как наметившееся разделение азиатского культурного риса на два вида.

Несовместимость indica и japonica определяется несколькими локусами, структура и функция которых активно изучаются. Китайским генетикам удалось в общих чертах расшифровать принцип действия одного из «локусов несовместимости» S5 (Yang et al., 2012). Локус включает пять белок-кодирующих генов: ORF1, ORF2, ORF3, ORF4 и ORF5 (от open reading frame, открытая рамка считывания — так по традиции обозначают плохоизученные гены с неизвестной функцией). У локуса S5 есть три варианта (аллеля), один из которых (S5i) характерен для большинства сортов indica, другой (S5j) — для japonica, а третий (S5n) — для некоторых сортов, которые дают нормальное плодовитое потомство при скрещивании как с индийскими, так и с японскими сортами. Было показано, что, если вставить в геном japonica ген ORF5 indica, получаются растения с пониженной плодовитостью. Если то же самое проделать с генами ORF3 и ORF4, плодовитость растений не снижается.

Этого недостаточно, чтобы понять, как работает локус S5 и почему аллели S5i и S5j плохо сочетаются друг с другом. Для выяснения этого вопроса авторы скрещивали в разных сочетаниях многочисленные сорта риса (как обычные, так и трансгенные), оценивали плодовитость гибридов, подсчитывали соотношение разных генотипов в гибридном потомстве и, конечно же, сравнивали нуклеотидные последовательности локуса S5 у разных сортов.

Выяснилось, что гены ORF1 и ORF2 одинаковы у всех сортов, а значит, не в них причина несовместимости. Ген ORF3 кодирует белок, похожий на белок теплового шока, — шаперон Hsp70. Такие белки защищают клетку от различных стрессов. У indica ген ORF3 в рабочем состоянии, у japonica в нем произошла делеция (выпало 13 нуклеотидов), и поэтому белок ORF3 утратил функциональность.

Белок ORF4, кодируемый геном ORF4, в норме располагается на мембране мегаспор (клеток, из которых у цветковых растений образуется зародышевый мешок, а после оплодотворения — семя). ORF4 является рецептором, т. е. реагирует на какое-то вещество, находящееся снаружи от клеточной мембраны, и передает сигнал внутрь клетки. У indica ORF4 испорчен мутацией, у japonica он в рабочем состоянии.

Наконец, ORF5 является ферментом (аспартатной протеазой) и в норме выделяется клеткой во внешнюю среду. Там он участвует в синтезе сигнального вещества, на которое реагирует рецептор ORF4. У indica ORF5 активен, у japonica — нет.

Таким образом, генотип indica можно обозначить как 3+4?5+, japonica — как 3?4+5?. Механизм действия этих генов, объясняющий пониженную плодовитость гибридов, показан на рисунке. Белки 5+ и 4+, действуя сообща, выступают в роли «убийц», а белок 3+ является «защитником».

Сигнальное вещество, синтезируемое при участии белка 5+, воспринимается рецептором 4+, что приводит (по неизвестной пока причине) к нарушению работы важной внутриклеточной структуры (эндоплазматической сети). Если в клетке есть белок-защитник 3+, клетка останется жива. Если же белок 3+ отсутствует, в клетке включится программа клеточной смерти (апоптоза), и клетка погибнет. Именно это и происходит с половиной будущих семян у гибридов indica и japonica. Погибают мегаспоры, унаследовавшие от гибридного родительского организма генотип japonica, в котором нет гена-защитника 3+, зато есть ген 4+, позволяющий белку 5+ довести клетку до самоубийства.

Схема, объясняющая пониженную плодовитость гибридного потомства от скрещивания сортов Nanjing 11 (indica, генотип 3+4?5+) и Balilla (japonica, генотип 3?4+5?). Материнская клетка (диплоидная) дает в результате мейоза четыре гаплоидные мегаспоры. Материнская клетка, как и все гибридное растение, гетерозиготна по трем рассматриваемым генам и поэтому содержит как рабочие (3+, 4+, 5+), так и нерабочие (3?, 4?, 5?) варианты трех белков. В результате мейоза из нее образуются гаплоидные мегаспоры двух типов: с генотипом indica и с генотипом japonica (генотипы не перекомбинируются, потому что все три гена расположены вплотную друг к другу на хромосоме). Поначалу в мегаспорах сохраняются все шесть белков, унаследованных от материнской клетки, но впоследствии в них остаются только белки, закодированные в геноме самой мегаспоры. При этом белок 5+, выделяющийся в межклеточное пространство, действует на все мегаспоры независимо от того, закодирован ли он в их геноме. Мегаспоры с генотипом japonica погибают, потому что на них действуют совместно оба белка-убийцы 5+ и 4+, а белка-защитника 3+ у них нет. Мегаспоры с генотипом indica выживают, потому что у них нет убийцы 4+ и есть защитник. Из Yang et al., 2012.

Что касается сортов, которые свободно скрещиваются и с indica, и с japonica, то у них могут быть разные генотипы, например, 3?4?5? или 3+4+5?. Несовместимость проявляется, только когда с носителем аллеля 5+ скрещивается растение с генами 3? и 4+. Тогда у половины мегаспор не окажется защитника (3+) от действующих совместно «убийц» 5+ и 4+.

Для диких родственников культурного риса, в том числе для предкового вида Oryza rufipogon, характерен генотип 3+4+5+, т. е. активны и оба «убийцы», и «защитник». Скорее всего, такой же генотип был и у первых одомашненных сортов риса. Вероятно, у диких предков все три гена зачем-то нужны (хотя мы пока не знаем зачем), а переход к «культурной» жизни на возделываемых полях сделал их излишними. Впоследствии у двух групп сортов, indica и japonica, закрепились мутации, выводящие из строя некоторые гены этого комплекса. Внутри каждой группы мутации были взаимно совместимыми, потому что несовместимые комбинации, такие как 3?4+5+, отсеивались отбором. Но отбор не проверял мутации, закрепившиеся в одной группе, на совместимость с мутациями, закрепившимися в другой. Так и возникла частичная постзиготическая несовместимость между сортами — в полном согласии с моделью Добжанского — Мёллера.