Книга: Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Друг от друга все дальше и дальше

Друг от друга все дальше и дальше

Формирование постзиготической изоляции — своего рода точка невозвращения, после которой у двух популяций остается мало шансов слиться обратно в один вид. Многочисленные факты говорят о том, что постзиготическая изоляция возникает автоматически, сама собой, без помощи какого-либо «отбора на несовместимость» или других специальных механизмов. Единственное, что для этого нужно, — это фактическая разобщенность двух популяций (отсутствие генетического обмена — неважно, по какой причине) и время. Причем времени может потребоваться много: до 10 млн лет и даже больше. Ну а если на популяции действует интенсивный разнонаправленный отбор, постзиготическая изоляция может развиться очень быстро, всего за несколько сотен поколений (на это указывают результаты экспериментов, с которыми мы вскоре познакомимся).

В конце 1930-х — начале 1940-х годов прошлого века Феодосий Добжанский и Герман Мёллер предложили простую модель, согласно которой постзиготическая несовместимость разобщенных популяций развивается как неизбежный побочный эффект их разобщенности. Допустим, в исходной популяции, еще до разделения, все особи имели генотип A_1B1C₁D₁ (предположим для простоты, что организмы гаплоидные). Но вот популяция по какой-то причине разделилась — например, несколько особей занесло бурей на необитаемый остров. После этого в каждой из двух популяций, материковой и островной, будут независимо закрепляться разные мутации — неважно, под действием отбора или дрейфа. Например, в островной популяции закрепится мутация в локусе A. Теперь генотип у обитателей острова будет A_2B1C₁D₁. Может ли это привести к постзиготической несовместимости с материковой популяцией, где сохранился исходный генотип? Вряд ли, потому что ген А₂ вполне совместим с генами B₁, C₁ и D₁ (иначе он бы не смог закрепиться в островной популяции). Но вот по прошествии какого-то времени в материковой популяции закрепилась другая мутация, например в локусе B. Теперь генотип материковых особей — A_1B2C₁D₁. Ген В₂ совместим с A₁, C₁ и D₁: это было «проверено» отбором, который в противном случае отбраковал бы ген B₂ и не дал ему закрепиться в материковой популяции. Однако ген B₂ не проверялся отбором на совместимость с геном A₂, который закрепился на острове. Следовательно, с некоторой вероятностью эти гены могут оказаться несовместимыми.

Очевидно, что вероятность появления пары несовместимых генов в двух популяциях будет расти пропорционально квадрату числа различающихся генов (т. е. квадрату «генетического расстояния» между популяциями). Например, если в каждой популяции закрепилось по одной мутации, как в нашем примере, то существует только одна пара потенциально несовместимых (не проверявшихся отбором на совместимость) генов: А₂ и B₂. Если закрепилось по две мутации (например, в островной популяции генотип стал A_2B1C₂D₁, в материковой A_1B2C₁D₂), то таких не проверенных отбором пар будет уже четыре: конфликт может возникнуть между A₂ и B₂, A₂ и D₂, C₂ и B₂, C₂ и D₂. Если в каждой популяции закрепилось по три мутации (все в разных локусах), число потенциально несовместимых пар будет равно девяти, и т. д.

Таким образом, модель Добжанского — Мёллера предсказывает, что число генов, ответственных за генетическую несовместимость, должно расти с ускорением, как снежный ком. Если предположить, что различия накапливаются с постоянной скоростью (т. е. исходить из допущения о равномерном ходе молекулярных часов), то число «генов несовместимости» должно быть пропорционально квадрату времени, прошедшего с момента разделения популяций.

Модель предполагает, что главную роль в формировании постзиготической изоляции играют попарные антагонистические взаимодействия («антагонистический эпистаз») между разными локусами. Если учитывать возможность конфликтов не только между двумя, но и между тремя и более локусами, то картина существенно усложнится.

В течение 70 с лишним лет, прошедших с момента появления этой модели, в ее работоспособности мало кто сомневался. Ее преподавали в университетах, а генетики, опираясь на нее, занимались поиском конкретных «генов несовместимости», порой весьма успешно. Но вот проверить ее напрямую не удавалось. Для этого нужно сравнить число генетических различий с числом «генов несовместимости» в нескольких парах родственных видов, различающихся по времени своего расхождения. Главная проблема в том, как подсчитать «гены несовместимости».

Лишь в 2010 году сразу двум научным коллективам одновременно удалось преодолеть эту трудность. Первая работа выполнена сотрудниками Чикагского университета на дрозофилах (Matute et al., 2010). Среди ее авторов — Джерри Койн, написавший замечательную научно-популярную книгу Why evolution is true (Coyne, 2009) о доказательствах эволюции.

Ученые воспользовались тем обстоятельством, что некоторые виды дрозофил, хотя и разошлись давно, все еще сохранили способность к гибридизации. Авторы скрещивали самок Drosophila melanogaster с самцами двух других видов: D. simulans и D. santomea. Эволюционные пути видов melanogaster и simulans разошлись 5,4 млн лет назад, melanogaster и santomea — примерно 12,8 млн лет назад. Таким образом, время независимого существования в двух парах видов различается в 2,4 раза, и количество генетических различий тоже (собственно, по последнему и вычислили первое!). Если гипотеза Добжанского — Мёллера верна, число «генов несовместимости» в паре melanogaster — santomea должно быть примерно в 2,4² = 5,76 раза больше, чем в паре melanogaster — simulans.

Чтобы подсчитать «гены несовместимости» в каждой паре, авторы использовали большую, включающую сотни линий, коллекцию дрозофил D. melanogaster с различными делециями — выпадениями небольших участков генома. У мух из этих линий делеции поддерживаются в гетерозиготном состоянии. То есть у каждой мухи в одной хромосоме отсутствует какой-то кусочек, но в другой, парной хромосоме этот кусочек имеется. При этом вторая, целая хромосома, во-первых, «помечена» какой-нибудь доминантной мутацией (чтобы сразу было видно, кому из потомства она досталась), во-вторых, она неспособна рекомбинировать — обмениваться участками с парной хромосомой во время мейоза. Половина половых клеток такой мухи получает целую хромосому с меткой, а другая половина — хромосому с недостающим фрагментом и без метки.

Делеции, имеющихся в разных линиях, в общей сложности покрывают почти весь геном. Авторы скрещивали самок из этих линий (напомним, все они относятся к виду melanogaster) с самцами simulans и santomea. От таких межвидовых скрещиваний рождаются только самки. Потомство мужского пола погибает на ранних стадиях.

Здесь нужно сделать небольшое отступление, чтобы объяснить, почему так получается. Дело в том, что у самцов дрозофил, как и у людей, только одна X-хромосома, а у самок — две. Поэтому гены, расположенные в X-хромосоме, у самцов имеются в единственном экземпляре. Если хоть в одном из них имеется летальная мутация, самец обречен. У самки же есть вторая копия X-хромосомы, в которой данный ген может быть нормальным. Нормальная копия гена «перекрывает» действие испорченной копии, и муха выживает.

Что же за летальные мутации сидят в генах Х-хромосомы гибридных самцов? Это, очевидно, те самые «гены несовместимости», ради поиска которых все и было затеяно. Они конфликтуют с какими-то другими генами в геноме того вида, которому не принадлежит данная X-хромосома. Причем из того факта, что гибридные самки все-таки выживают, можно сделать вывод, что все «гены несовместимости» в данной паре видов рецессивны. Допустим, если несовместимыми являются гены A₂ и B₂, причем ген B расположен на Х-хромосоме, то гибридные самки с генотипом A₁A_2B1B2 будут жить, а самцы с генотипом A₁A_2B2 погибнут.

Итак, при скрещивании самки melanogaster с самцом simulans или santomea все потомство состоит из дочерей. Причем эти дочери будут двух типов. Первому типу достанется от матери, самки melanogaster, хромосома с отсутствующим кусочком. У таких гибридных мух соответствующий кусочек будет присутствовать в единственном экземпляре — в парной хромосоме, полученной от отца. Таким образом, отцовские гены, расположенные в этом кусочке, окажутся в «оголенном» (гемизиготном) состоянии — как если бы они сидели в X-хромосоме самца. Если в этом фрагменте хромосомы имеется рецессивный «ген несовместимости», гибридные самки будут иметь пониженную жизнеспособность или вообще погибнут. Второй тип дочерей получит от матери melanogaster целую хромосому с меткой (по метке можно определить, к какому из двух типов относится данная гибридная самка). Все гены будут в двух экземплярах, и рецессивная несовместимость не проявится, т. е. все самки второго типа должны выжить.

Таким образом, по количественному соотношению гибридных дочерей первого и второго типа можно определить, содержится ли в данном кусочке хромосомы «ген несовместимости». Если обоих типов примерно поровну — значит, «гена несовместимости» там нет; если самок первого типа оказалось существенно меньше, чем второго, значит, он там есть.

Схема экспериментов с дрозофилами. Хромосомы melanogaster (mel) показаны косой штриховкой, хромосомы santomea (san) — серым цветом. Скрещивается самка melanogaster с самцом santomea. Самая короткая — Y-хромосома, X-хромосома подлиннее. Черным показан отсутствующий участок хромосомы (в данном случае — X-хромосомы). Хромосома с отсутствующим участком помечена буквами df (от deficiency). Вторая X-хромосома самки melanogaster — целая и помеченная доминантной мутацией Bar. В результате межвидового скрещивания получаются гибридные дочери двух типов: одни несут «целую» материнскую хромосому с меткой, другие получают от матери «урезанную» хромосому df. По выживаемости дочерей второго типа можно понять, есть ли в том кусочке ДНК, который был вырезан из хромосомы df, «ген несовместимости». Из Matute et al., 2010.

Таким непростым способом, скрещивая самок из пятисот линий melanogaster с различными делециями с самцами simulans и santomea, авторы просканировали 80 % мушиного генома в поисках «генов несовместимости». Им удалось выявить десять участков, содержащих «гены несовместимости», в паре melanogaster — simulans. В паре melanogaster — santomea таких участков оказалось 65, т. е. в 6,5 раза больше. Можно заметить, что эта величина близка к числу, предсказанному моделью Добжанского — Мёллера (5,74). При помощи сложных статистических методов авторы подтвердили, что их результаты гораздо лучше соответствуют предсказанию модели Добжанского — Мёллера об ускоряющемся, параболическом росте числа «генов несовместимости», чем альтернативной гипотезе о линейном росте. Так классическая модель наконец-то получила красивое подтверждение.

Вторая работа была выполнена на растениях рода Solanum (паслен) сотрудниками Мемфисского и Индианского университетов (Moyle, Nakazato, 2010). Использовалось не три, как в первом исследовании, а четыре близких вида, различающихся по времени расхождения. Здесь тоже авторам понадобилась громадная коллекция подопытных линий, но на этот раз это были линии не мух, а томатов, и различались они не делециями, а небольшими фрагментами геномов диких видов рода Solanum, «встроенными» в геном томата. Получены эти линии были путем межвидовой гибридизации и последующих многократных «возвратных» скрещиваний с помидорами. Для каждой линии было известно, какой именно чужеродный фрагмент внедрился в ее геном. У каждой линии авторы измерили жизнеспособность семян и пыльцы. Если в данной линии оба показателя были в норме, из этого делался вывод, что фрагмент ДНК чужого вида, встроившийся в геном этой линии, не содержит «генов несовместимости». Таким способом удалось подсчитать, как и в первом исследовании, число участков генома, содержащих «гены несовместимости». Расчеты проводились раздельно для жизнеспособности семян и пыльцы.

Результаты по жизнеспособности семян полностью совпали с предсказанием модели Добжанского — Мёллера: число «генов несовместимости», влияющих на этот признак, растет пропорционально квадрату генетической дистанции. С пыльцой, правда, получился отрицательный результат: число «генов несовместимости», влияющих на этот признак, по мере увеличения генетической дистанции растет линейно, а не по параболе. Почему — пока не ясно. Авторы предполагают, что на стерильность пыльцы сильно влияют не попарные, а более сложные взаимодействия между многими локусами.

Так или иначе, обоим научным коллективам удалось получить эмпирические подтверждения адекватности модели Добжанского — Мёллера по крайней мере для некоторых ситуаций. Отрадно, что классики и на этот раз оказались недалеки от истины.