Впервые изучена генетическая динамика инбредной депрессии

Исследователи впервые изучили широкие генетические изменения, сопровождающие снижение репродуктивного успеха в инбредных популяциях. Хотя науке известно более века, что небольшие популяции близкородственных растений или животных, вероятно, страдают от низкого репродуктивного успеха, точный механизм, лежащий в основе этой "инбредной депрессии", остаётся предметом дискуссий.

Новое исследование, опубликованное в Conservation Biology, впервые рассматривает инбредную депрессию в связи с экспрессией всех генов организма — чтобы увидеть, какие гены более или менее активны в инбредных популяциях и какую функцию они выполняют.

Скрещивая самцов и самок плодовых мушек, генетически идентичных друг другу, исследователи из Университета Иллинойса смогли определить, насколько генетическое сходство снижает репродуктивный успех мух. Эксперимент повторили на шести линиях мух, идентичных друг другу, за исключением состава одной из их хромосом; только гены хромосомы 3 различались между линиями.

Исследователи также скрестили три линии с самой высокой инбредной депрессией между собой, создав аутбредные линии для сравнения с инбредными.

С помощью олигонуклеотидных микрочипов, способных одновременно измерять активность всех генов организма, учёные смогли увидеть, какие гены были более или менее активны (повышенная или пониженная регуляция) в инбредных линиях по сравнению с аутбредными.

Шесть инбредных линий плодовых мух показали значительную вариацию в степени инбредной депрессии — от 24 до 79 процентов по сравнению с неинбредными мухами. Также было обнаружено, что 567 генов в линиях с высокой инбредной депрессией экспрессировались на более высоком или низком уровне, чем те же гены в других инбредных линиях. Только 62 процента этих генов располагались на хромосоме 3 (единственной, различавшейся между линиями), что указывает на то, что вариации в хромосоме 3 изменили экспрессию генов на других хромосомах.

"Эти результаты позволяют предположить, что значительная часть инбредной депрессии обусловлена несколькими ключевыми генами, влияющими на экспрессию других генов", — заявил профессор и заведующий кафедрой зоологии Кен Пейдж, руководивший исследованием.

Особого внимания заслуживают идентичные изменения в экспрессии 46 генов во всех трёх линиях с высокой инбредной депрессией, отметил Пейдж, что делает их интересными для дальнейшего изучения.

Гены, связанные с инбредной депрессией, можно было сгруппировать в три широкие функциональные категории: участвующие в метаболизме, стрессе и защите. Это неожиданное открытие, сказал Пейдж, "потому что мы считаем инбридинг случайным процессом".

Многие метаболические гены были повышены в регуляции у инбредных мух, как и гены, борющиеся с патогенами, такими как бактерии или вирусы. Третья группа генов была понижена в регуляции. Они кодируют белки, защищающие организм от реактивных атомов и молекул, способных повреждать клетки.

По словам Пейджа, эти изменения в экспрессии генов перенаправляют энергию от размножения и подрывают некоторые основные клеточные функции.

Считается, что инбредная депрессия является результатом наследования вредного набора генов. Обычно организм с двумя родителями имеет две версии каждого гена — материнскую и отцовскую. Эти разные формы одного гена называются аллелями. Если материнская и отцовская аллели различаются, одна из них обычно доминирует, передавая все свои качества потомству. Другая, "замолченная" аллель называется "рецессивной".

Некоторые аллели вредны для здоровья. Большинство из них рецессивны, то есть не вызывают проблем, если организм не наследует две их копии — по одной от каждого родителя. Когда аллели различаются, одна (доминантная аллель) часто маскирует вредные эффекты другой.

Однако взаимодействие родительских аллелей в потомстве может быть довольно сложным. Иногда аллель вызывает заболевание или расстройство, даже если она спарена с другой аллелью. Иногда несколько генов влияют на один признак. А иногда две разные аллели могут приводить к более высокому уровню активности гена, чем у любого из родителей (последнее явление называется сверхдоминированием, или overdominance).

Когда спариваются близкородственные особи, их потомство, вероятно, получит идентичные аллели по многим признакам. Многие потенциально вредные рецессивные аллели больше не маскируются доминантными, поэтому возникает больше генетических нарушений. Аналогично, потомство, унаследовавшее две идентичные аллели по некоторым признакам, также потеряет любые преимущества, ранее обеспечиваемые сверхдоминированием.

Биологи давно задавались вопросом, какой из этих механизмов вызывает репродуктивные неудачи, наблюдаемые в инбредных популяциях. "Это всё ещё обсуждается", — сказал Пейдж.

Новое исследование показало, что около 75 процентов снижения репродуктивного успеха у инбредных мух можно отнести на счёт потери доминантных аллелей и последующего "раскрытия" вредных рецессивных аллелей. Более удивительно, что данные также указали, что 25 процентов снижения были обусловлены потерей сверхдоминирования.

"Это означает, что у нас действуют два механизма, — сказал Пейдж. — Один действительно преобладает, но другой тоже может быть важен".

Тот факт, что инбридинг затрагивает относительно большое количество генов, является плохой новостью для защитников природы, надеющихся спасти небольшие популяции растений или животных от вымирания, отметил Пейдж.

Это означает, что не существует простого решения проблемы инбредных популяций. Лучший подход — попытаться сохранить и поддерживать генетическое разнообразие в природных популяциях задолго до того, как они начнут скатываться в "вихрь вымирания", заключил он.