Молекулярные механізми генетичної ізоляції

Молекулярные механізми генетичної ізоляції

Б.М. Мідників, Е.А. Шубіна, М. Н. Мельникова.

Дарвин недарма назвав свій головний працю «Походженням видів». Він розумів, що видоутворення — основний процес біологічної еволюції. Здається дивною, що у біології немає досі узвичаєного визначення виду. І ми розуміємо, що коня і зебра, стати рішуча й м’яка пшениці — різновиди. Але спроби дати визначення цієї структурної одиниці класифікації, загальне для всієї живої природи, наштовхуються на серйозні труднощі.

Термин «вид» вперше був запропонований ще Арістотелем як сукупність об'єктів, объединяемых за подібністю. Лише 2000 років, в 1693 р., англійський натураліст Дж. Рей додав поняттю «вид» біологічний сенс. Відповідно до Розвіваюся, біологічний вид — це сукупність особин, які об'єднуються за двома критеріями: практичної тотожності морфологічних ознак і вільному схрещуванню з відтворенням ознак в прийдешнім.

Большинство дослідників тепер дійшли висновку, що морфологічний критерій для визначення виду недостатній. Генетики схиляються до другого критерію, виходячи із якого випливає, що самостійність виду підтримується генетичної ізоляцією. Н.В.Тимофеев-Ресовский на одній із лекцій із властивою йому експресією стверджував, що генетичної ізоляції було б еволюції — все виникаючі види внаслідок схрещування між собою «заболачивались» б, був б суцільною scrumbled, Шалтай-Болтай. Не то, можливо еволюції без генетичної ізоляції — обмеження обміну генами між виникаючими видами. Це твердження справедливо, проте є різні механізми, що перешкоджають межвидовому схрещуванню у природі.

Один з цих механізмів — географічна ізоляція, тобто. територіальна роз'єднаність видів. У 1870 р. М. Вагнер дійшов висновку, що у одному ареалі може виникнути лише одне вид, отже, у різних — різні. Таке видоутворення він їх назвав географічним. Тепер його називають аллопатрическим (allos — інший, patris — батьківщина). Дарвін, проте, допускав, що обмін генами може обмежуватися як географічним поділом популяций-основательниц.

Иногда в ізольованому місці проживання з вихідного виду виникають цілі «рої», чи, як його ще називають, «букети» нових видів. Приклади такого роду — вьюрки Дарвіна з Галапагосских островів, риби і ракоподібні Байкалу, цихлидовые риби Великих африканських озер. Усі вони живуть одному ареалі, не схрещуючи, бо виробилися спеціальні механізми генетичної ізоляції: розмноження у різний час, розбіжності у рисах шлюбного поведінки. Зазвичай, самці і самки різних видів просто більше не помічають одне одного. Однак це бар'єр легко подолати, наприклад, з допомогою імпринтингу (зйомки). Відомо, що у Євразії живуть різновиди качок й у природі вони не схрещуються. Але якщо яйце жодного виду качки підкласти в гніздо іншого, який побачив світло каченя вважатиме себе представником виду приймальні матері, а ставши дорослої птахом, буде схрещуватися тільки з особами, щодо нього які належать. Інколи доходить до парадоксів. К. Лоренц писав, що пташеня білого павича, виріс у розпліднику рептилій, потім усе життя намагався доглядати за гігантськими черепахами, не звертаючи увагу найгарніших впавши. Така ізоляція називається прекопуляционной. Різні види не утворюють гібридів і зберігають свою самостійність, оскільки просто більше не спаровуються. Такий спосіб найбільш побутує в вищих організмів, насамперед у птахів та ссавців.

Однако є численні випадки, коли така міжвидовий бар'єр відсутня, але гібриди тим щонайменше або утворюються, чи бувають безплідні, тобто. стерильні. Класичний приклад — стерильність мулів (гібридів від осла з кобилою) і ослюків (народжених від схрещування ослиці з жеребцем). Найбільше буває міжвидових гібридів серед рослин i нижчих тварин, скажімо, риб. Чому ті ж такі гібриди безплідні? Генетики раніше вважали, що залежить від різному числі хромосом перехресних видів. У осла, наприклад, 62 хромосоми, у коня — 64, а зрілих статевих клітинах — 31 і 32 відповідно. Після їхнього злиття в зиготе виявиться 63 хромосоми, які можуть розділитися порівну при освіті гібридних гамет. Тому в гібридного потомства статеві клітини будуть дефектними за кількістю хромосом, отже, і нежиттєздатними.

Но цього правила далеко ще не абсолютно. Повна генетична ізоляція між видами з різним числом хромосом зовсім не від завжди обов’язкова. Понад те, існуй вона, еволюція не міг би йти — зміна ж числа хромосом — одиничний акт. Якщо «хромосомная» ізоляція було б абсолютної, особина, подвергшаяся мутації, вмирала в самотині, не залишивши потомства.

Мы знаємо багато різних видів з числом хромосом, знаємо думку і внутривидовые форми з різними числом таких. Звести генетичну ізоляцію до колебанию хромосомних чисел неможливо.

В нашої лабораторії багато років роботи з пошуку якогось молекулярного критерію виду. Але всі методи, у яких використовувалася ДНК, були або недостатньо чутливими, чи надмірно трудомісткими. Для цілей систематики рекомендувати їх було неможливо.

Помощь прийшла до нас, коли було відкрито рестриктазы — ферменти, расщепляющие нитки ДНК по суворо певним ділянкам нуклеотидної послідовності. Одне з таких ферментів — рестриктаза EcoRI (вперше виділена зі бактерії Escherichia coli штами R). Вона розщеплює ДНК у тих ділянках ГААТТЦ між гуанином (Р) і аденином (А). Після опрацювання розчину ДНК цієї рестриктазой виходить суміш фрагментів різною довжини, яку поділяють электрофорезом в агарозном чи полиакриламидном гелі і прокрашивают спеціальним флуоресцентним барвником. У результаті плівці гелю утворюється набір смуг — своєрідний спектр фрагментів різною довжини, які далі можна ідентифікувати, тоді як цьому є необхідність, чи порівнювати спектри різних видів.

С допомогою такого рестриктазного аналізу отримано багато даних із сходству і розбіжностям окремих генів, сателітних і мітохондріальних ДНК, ДНК вірусів і бактерій. Проте досить важко використовувати його з’ясування кревності організмів з ядерної ДНК. Пов’язано це про те, що більшість геномної ДНК тварин, рослин i грибів є унікальні нуклеотидные послідовності. Оскільки місця рестрикції у яких розподіляються нерегулярно, продукти розщеплення утворюється суміш фрагментів, що чітко відокремити друг від друга электрофорезом неможливо.

Кроме унікальних послідовностей, в ДНК є й багато разів повторювані, чи просто повтори. Вони різняться довжиною, розташуванням в геномі і пишатися кількістю копій (їх буває від кількох основних десятків мільйон). Саме множинність копій повторюваних послідовностей робить поділ рестриктазных фрагментів ядерної ДНК успішним. Зауважимо, функція більшості повторів невідома, більше, існує припущення, що де вони грають ніякої ролі. У нашій лабораторії висловлювалася гіпотеза про їхнє регуляторної функції, що можна уподібнити артиклям, закінченням і приводам саме в письмовому тексті.

Первые два автора (Мідників і Шубіна) розробили метод, дозволяє використовувати рестриктазный аналіз ядерної ДНК. Після попереднього видалення унікальних послідовностей повтори піддавалися ферментативному розщеплення і поділу электрофорезом. Цим засобом була досліджували ДНК тихоокеанських лососів (кети, горбуші, чавычи, нерки, кижуча і симы) у розрахунку відшукати показник, який дозволило б відрізнити одне нерестовое стадо риб від іншого (тобто. котрі заходять на нерест у різні річки). Та наслідок виявився протилежним: набір рестриктазных фрагментів повторюваних послідовностей ДНК кожному за виду риб був специфічним і залежав від статі, віку і її приналежність до нерестовому череді. Напрошувався висновок, що знайдено абсолютний критерій виду — мрія кожного систематика.

В принципі будь-який вид далекосхідних лососів, замість довгого морфологічного описи, можна охарактеризувати спектром рестриктазных фрагментів. Для кети він виглядає як Msp1 — 100, 250, 400, 550, 650, 800; Pst1 — 100, 250, 400, 550, 650, 800, 1700; Alu1 — 100, 250, 400, 550, 650, 800 (абревіатурою є такі назви рестриктаз, числами — кількість пар нуклеотидів, тобто. довжина фрагментів). Примітно, що це спектр не змінювався у кети і з річок Примор’я, і з Анадиру. У горбуші інша: Msp1 — 200, 420, 640; Pst1 1250, 1300, 1700, 2350, 2650; Alu1 — 250, 350, 520, 630, 680.

Результат нас потребу не лише здивував, а й засмутив, тому що ми шукали генетичні відмінності стад всередині жодного виду. Та й у ролі видового критерію спектр виявився мало придатний, оскільки його визначення за нашою методикою була досить трудомістким. Це, до речі, ахіллесова п’ята хіба що розроблених методів. Вперше прокладена дорога виявляється найважчим і часто забувається.

Наша ідея воскресла після роботи В. В. Гречко (Інститут молекулярної біології РАН) і А. Н. Федорова (Інститут молекулярної генетики РАН), запропонувавши більш найпростіший спосіб (його названо методом таксонопринтов), дозволяє вивчати розподіл фрагментів повторюваних послідовностей. У цій методу ДНК гидролизуют короткощепящими рестриктазами без відділення унікальних послідовностей від повторюваних, а які утворилися полинуклеотиды мітять радіоактивним фосфором (32Р) по концевым залишкам. Після цього суміш поділяють электрофорезом, виявляють фрагменти з допомогою радиоавтографии і через це отримують їх спектр, чи таксонопринт.

Результаты дослідження об'єктів методом таксонопринтов і нашим в попередній спосіб виявилися подібними. Які ж молекулярні характеристики виду та популяцій ми змогли отримати?

Таксонопринты окремих популяцій всередині виду (від риб і ящірок до людини) ідентичні. Не відрізняються вони й у більшості географічно ізольованих популяцій. Наприклад у пустельних ушастых їжаків спектр фрагментів ДНК однаковий, незалежно від цього, живуть тварини навколо Ашгабада, Кара-Колы чи Ташкента [1 ]. Ідентичні таксонопринты кети, нерестящейся у річках від Анадиру до Примор’я; не різняться у цій молекулярному ознакою і раси людини.

Но деяких випадках спектр фрагментів ДНК всередині жодного виду має невеликі відмінності, приміром, у добре відомого лососевої риби гольця, поширеної від Північної Європи до Далекого Сходу, соціальній та Америці. Є дві форми цього виду — житлова, тобто. прісноводна, і прохідна — лише заходящая у річки у час нересту. Скрізь, де є обидві форми (у річках Шпіцбергену, північ від Євразії від Норвегії до Таймиру), їх таксонопринты ідентичні. Однак у географічно ізольованих популяціях Східного Сибіру, де живуть лише житлові гольці, їх ДНК вже відрізняється одним-двома фрагментами. Це — гольці з озера Лабынкыр, з озер Забайкалля і Чукотки, і навіть далекосхідний голець — мальма. Можна укласти, що у географічно ізольованих ареалах йде поступове аллопатрическое видоутворення [2 ].

Иное справа, якщо близькі види живуть спільно — їх таксонопринты відрізняються досить різко. Такі «спектри» різні, наприклад, у що у Підмосков'ї звичайного і белогрудого їжаків. Мало й у традиційному наборі фрагментів ДНК двох видів гольців, які населяють чукотское озеро Эльгыгытгын, — арктичного гольця і малоротой палии, яка, до речі, і з морфологічним ознаками відрізняється від інших гольців настільки, що її виділили в окремий рід Salvethymus.

Все усе веде до думки, що з симпатрических видів, котрі живуть спільно і, певне, спільно що виникли, дивергенція швидко проявляється у вигляді відмінностей таксонопринтов. Але вони близькими і навіть ідентичними у аллопатрических видів, чиї ареали розділені відстанню. Добрим прикладом — американський бізон і європейський зубр. Вони походять від жодного виду (Bison priscus), свого часу населявшего величезну територію — від сучасного Британії до східного берега Північної Америки. Коли материки розділилися, нащадки колись єдиного виду нагромадили чимало морфологічних відмінностей, але таксонопринты залишилися ідентичними. До речі, бізон і зубр вільно схрещуються, і гібриди характеризуються гетерозисом — гібридної потужністю. Легко схрещуються в неволі, і навіть на стиках місця проживання й прокурори дають плодючого нащадка гірські барани — європейський муфлон, переднеазиатский уриал і центральноазіатський архар, які населяють різні гірські системи. Таксонопринты цих видів практично однакові [3 ]. Схоже, що такі види генетично не ізольовані, хоча мають багато різняться морфологічних чорт, якими систематики вважають їхню самостійними.

Возникает природне запитання: навіщо ж у геномі існують повторювані послідовності, які виявляються методом таксонопринтов? На думку, ці ділянки ДНК грають роль маркерів, тобто. розпізнають гени, які мають входитимуть у дію, у що розвивається зиготе. Запускають їх регуляторні білки, що у цитоплазмі заплідненої яйцеклітини. У сперматозоидах цитоплазми немає, тому немає цих білків. Якщо такі фрагменти ДНК однакові або дуже близькі в батьківському інституті і материна родини, батькові і материнські хромосоми працюють спільно, забезпечуючи нормальний розвиток зиготи.

А якщо різняться? Тоді регуляторні білки яйцеклітини з труднощами впізнають гени, привнесені у ній спермием, та його робота виявляється загальмованою, зигота перестає розвиватися, гине, і ми констатуємо випадок генетичної міжвидовий ізоляції. Генетики добре знають так званий материнський ефект, з допомогою якого батькові гени різних видів чи далеко розпаленілих різновидів входять у роботу пізно або включаються взагалі. З погляду класичної генетики — це нонсенс, адже хромосоми обох батьків рівноправні.

Возможен щодо простий експеримент на утвердження материнського ефекту. Якщо запліднену яйцеклітину міжвидової гібрида з допомогою мікроманіпулятора запровадити цитоплазму яйцеклітини батьківського виду, материнський ефект буде знято: регуляторні білки цитоплазми батьківській лінії активують гени батьківського геному. Цим самим чином можна стимулювати розвиток міжвидових гібридів, які звичайно виникають. Нарешті, цитоплазмой яйцеклітини можна активувати вихідні гени щоб одержати клонованого зародка з недиференційованої соматичної клітини.

Рассмотренная ізоляція — слідство роботи специфічного молекулярного механізму. Він притаманний організмам, размножающимся статевим шляхом, причому не лише симпатрических видів з посткопуляционной ізоляцією. Для роз'єднаних відстанню видів що механізм непотрібен, її в неї і немає. Тому подібні чи ідентичні таксонопринты ДНК бізона і зубра, європейської спільноти і амурського їжаків.

Другой механізм виникнення репродуктивного бар'єра у видів з прекопуляционной ізоляцією, наприклад у птахів. Але вони близькі види мають ідентичні таксонопринты ДНК, ним не чого відмінність між сигнальними послідовностями, оскільки самці і самки різних видів просто більше не дізнаються одне одного й не схрещуються.

Наша гіпотеза — про регуляторної функції повторів ДНК підтвердилася щодо геномів тихоокеанських лососів (кети, горбуші, нерки, чавычи, симы і кижуча) і форелей (камчатської микижи і американських стальноголового лосося, райдужною форелі і лосося Кларка). Таксонопринты різних видів чітко розрізнялися [4, 5 ].

Дальнейшие дослідження привели нас на відкриття нового способу генетичної ізоляції, що колись ні помічений.

Во багатьох наших північних озерах і річках співіснують різновиди сиговых риб, близьких до лососевым. Крім сига, до них належить байкальский і північний омули, розмірів нельма, дрібна ряпушка і чимало інших. Природно було очікувати суттєвої різниці в таксонопринтах співіснують видів.

На справі не було так: ці «паспорти» ДНК були дуже подібними, або навіть ідентичними, крім американських сигов-вальков, два виду яких проникли до Азії. Відомо, що різні сиги, котрі живуть спільно, легко схрещуються. У Печорі, наприклад, кількість гібридних особин сига і омуля сягає третини від кількості обох стад. Отже, ці дві виду давним-давно мали злитися у процесі еволюції до одного. Оскільки це не відбувається, має існувати якийсь механізм, охороняє самостійність видів, попри постійне схрещування.

Разгадку ми знайшли у старих роботах Н. И. Николюкина, Г. Свердсона та інших дослідників. Там повідомлялося, що міжвидові гібриди сиговых риб відрізняються потужним гетерозисом. У зв’язку з цим виникла ідея заселяти водойми гібридами звичайного сига і рипуса (великої форми ряпушки).

Идею, проте, втілити зірвалася. Якщо перша покоління гібридів було великим і життєздатним, те в їх нащадків з’являлися численні каліцтва: зрощені чи скривлені хребці, щелепи як в мопсів, одне око чи голови і т.д. Забезпечити їх розмноження вдавалося лише схрещуванням гібридів першого покоління одним із батьківських видів, тобто. поворотним (поглотительным) схрещуванням. Але наступне покоління знову втрачала гібридні якості.

Итак, існують по меншою мірою два механізму генетичної посткопуляционной ізоляції. Перший, найвідоміший, запобігає освіту гібридів чи обумовлює їх стерильність чи нежиттєздатність. Таких видів таксонопринты ДНК різняться. У видів з подібними чи ідентичними таксонопринтами перше покоління гібридів зберігає риси обох батьків, плідно й володіє гібридної потужністю. Саме відбувається обмін генами між видами. Проте в другому поколінні нежиттєздатно, він відтворює себе у прийдешнім, але може схрещуватися з батьківськими видами. Протилежне схрещування підтримується у природі автоматично, якщо, скажімо, гібридні самці стерильні, як в окуневых риб роду Aetheostoma.

Похоже, другий механізм поширений у природі щонайменше, аніж перший. За даними Николюкина, нащадки від гібридизації різних видів осетрових риб (осетер білуга, білуга севрюга, осетер севрюга) схрещуються не тільки між собою, як із батьківськими видами. І це зазначено для сиговых (ряпушка сиг) і коропових (плітка лящ, червоноперка густера) риб. Такі міжвидові гібриди у другому і всіх подальших поколіннях «розчиняються» в батьківських чередах. Якщо чисельність одного батьківського виду істотно перевершує чисельність іншого, другий витісняється який із водойми. Так, дрібна, але численна ряпушка витісняє з водойми сига, плітка — ляща тощо. Г. Свердсон назвав це явище генетичним паразитизмом.

Широко чи поширений цей механізм ізоляції у природі? Зустрічається він та інших групах тварин? Хоча даних з цього приводу мало, ми можемо вирішити ці питання ствердно. Наприклад, легко схрещуються индиговая і блакитна вівсянки — два виду американських пташок, які у Скалистых горах. Незважаючи те що, що його гібридних особин сягає 70% від кількості, види зберігають свою самостійність. Ще одне підтвердження механізму посткопуляционной ізоляції, що призводить межвидовому схрещуванню й освіті плідних гібридів, які «розчиняються» в батьківських видах, — виргинский олень і олень-мул з Північної Америки: вони особини жодного виду може мати мітохондрії іншого. Такі феномени описані також в деяких видів гризунів і жабок.

Более того, цей механізм генетичної ізоляції здавна використовують у практиці, чому чимало прикладів. Нари — гібриди двогорбого і одногорбого верблюдів — високо цінуються за гибридную потужність, але оскільки він губиться вже наступного поколінні, господарським цінних якостей наров підтримують, схрещуючи його з однією з батьківських видів. Міжвидові гібриди (а, по думці інших систематиков навіть межродовые) Яка і великої рогатої худоби характеризуються мясистостью і жирномолочностью. Але в них самці неплодовиты, тому задля збереження цих якостей гібридних самок схрещують з биками чи самцями яків. Стерильними бувають гібридні самці при межродовом схрещуванні — бізонів (чи зубрів) з великим рогатих худобою.

Было б заманливо виявити ті послідовності ДНК, які визначають малу життєздатність другого гібридного покоління й необхідність поворотного схрещування. Але це не є належить до цієї теми цієї статті.

Список литературы

1. Банникова А. А. та інших. Порівняння повторюваних послідовностей ДНК ссавців сімейства Erinaceidae методом рестриктазного аналізу // Генетика. 1995. Т.31. № 11. С.1498—1506.

2. Максимов В. В. та інших. Гірський голець — нову форму арктичного гольця (рід Salvelinus) з водойм Таймиру // Зап. іхтіології. 1995. Т.35. № 3. С.296—301.

3. Мельникова М. Н. та інших. Дослідження поліморфізму і дивергенції геномної ДНК на видовій і популяційному рівні (з прикладу порід диких та розподіл домашніх овець) // Генетика. 1995. Т.31. № 8. С.1120—1131.

4. Шубіна Е.А., Мідників Б.М. Сімейства повторюваних послідовностей в ДНК далекосхідних лососів роду Oncorhynchus // Молекуляр. біологія. 1986. Т.20. № 4. С.947—956.

5. Мідників Б.М. та інших. Проблема родового статусу тихоокеанських лососів і форелей (геносистематический аналіз) // Зап. іхтіології. 1999. Т.39. № 1. С.14—21.