Гены, которые «не ладят друг с другом» в гибридах рыбок-меченосцев, ускоряют видообразование

Исследователи из Стэнфорда получили новые данные о том, как возникновение репродуктивных барьеров между организмами создает новые виды и движет невероятным разнообразием жизни на Земле.

Одним из основных способов, с помощью которого существа становятся отдельными видами, является «гибридная несовместимость» — явление, при котором потомство двух скрещивающихся и всё ещё близкородственных видов имеет проблемы со здоровьем или сниженную репродуктивную способность. Знакомый пример — мул, стерильное потомство самца осла и самки лошади.

Однако определение того, как гибридная несовместимость работает на генетическом уровне, долгое время ускользало от ученых, оставляя без ответа фундаментальные вопросы о происхождении видов.

Теперь, работая с популяциями рыбок-меченосцев, исследователи из Стэнфорда обнаружили набор генов, известных как гены Комплекса I, которые участвуют в серьезных проблемах развития и ранней гибели гибридных рыб, полученных от скрещивания двух видов меченосцев. Результаты подтверждают теорию о том, что проблемные генетические несоответствия чаще всего возникают в быстро эволюционирующих генах, особенно в случаях, когда несколько генов должны работать синхронно для выживания организма.

Исследование опубликовано 10 января в журнале Nature.

«Мы определили комбинации генов, которые плохо взаимодействуют, когда наследуются гибридным потомством», — сказал Бен Моран, аспирант в лаборатории Молли Шумер, доцента биологии в Стэнфордской школе гуманитарных и естественных наук. «Изучение этой модельной системы у меченосцев может помочь нам больше узнать о том, что формирует новые виды и удерживает их разделенными».

«Как биологов, нас действительно интересует разнообразие жизни вокруг нас, и мы хотим понять, как это разнообразие возникает на генетическом уровне», — сказала Шумер. «Но получить эмпирические данные об отдельных генах, вызывающих проблемы гибридной несовместимости, было очень сложно. В этом исследовании меченосцев у нас была возможность понять всю цепочку генов, влияющих на организм».

Воссоединение после разделения

Рыбы, находящиеся в центре исследования, — два близкородственных вида: Xiphophorus birchmanni (овцеголовый меченосец) и Xiphophorus malinche (горный меченосец).

Как следует из их названий, у многих самцов меченосцев есть заостренное украшение на хвостовом плавнике. Однако у X. birchmanni эта черта в процессе эволюции исчезла. По сравнению с X. malinche, они также имеют более крупное тело и другую окраску.

Соответствуя своим внешним различиям, два вида рыб также эволюционировали, чтобы занимать разные участки рек в центральной Мексике: X. malinche предпочитает верховья на большей высоте, а X. birchmanni — низовья ниже по течению.

Начиная с 1990-х годов, исследователи начали документировать необычных гибридных рыб в реках, что указывало на гибридизацию, позже подтвержденную генетическим тестированием. Ученые полагают, что продолжающееся скрещивание X. birchmanni и X. malinche на самом деле является случаем ошибочной идентификации, вызванной увеличением присутствия человека в этом районе. Сток загрязняющих веществ с ферм и предприятий в речные воды, возможно, нарушил обонятельные и визуальные сигналы, которые виды рыб обычно используют, чтобы отличать друг друга.

«Это разрушение репродуктивных барьеров у естественно гибридизирующихся меченосцев дало нам уникальную возможность изучить генетику гибридной несовместимости», — сказала Шумер, которая в течение 10 лет исследует популяции рыб в районе Идальго в Мексике.

Поиск конфликтующих генов

Чтобы определить потенциально интересные гены, Моран, Шумер и коллеги секвенировали геномы меченосцев, чтобы установить ДНК-отпечатки, связанные с каждым видом. Секвенирование также дало им доступ к генам в митохондриях меченосцев.

Митохондрии содержат свой собственный отдельный геном — реликт того времени, когда эти некогда свободноживущие микробы вступили в симбиоз с древними клетками более миллиарда лет назад. По сравнению с основной частью генов организма, расположенных в ядрах клеток, митохондриальные гены эволюционируют гораздо быстрее. Это происходит по нескольким причинам, включая использование ими других путей репарации ДНК и отсутствие таких генетических процессов, как рекомбинация.

Предыдущие исследования Шумер показали, что комбинации митохондриальных и ядерных генов, которые должны работать вместе для выполнения критически важной функции, могут быть хорошими кандидатами на роль причин гибридной несовместимости у этих рыб. Соответственно, исследователи сосредоточились на генах, кодирующих белки, из которых состоит Комплекс I — высокосложный фермент, необходимый для производства клеточного «топлива» в митохондриях.

Следуя этой идее, команда Стэнфорда и коллеги увидели, что гибридные меченосцы с определенными комбинациями этих генов Комплекса I действительно демонстрировали гибридную несовместимость. Пострадавшие рыбы страдали от значительных проблем развития, особенно задержки развития и сердечно-сосудистых дефектов, которые часто приводили к смерти до или вскоре после рождения.

«При объединении от родителей двух разных видов меченосцев эти гены не производили совместимые белки для создания хорошо функционирующего Комплекса I, и гибридное потомство не могло нормально развиваться», — сказал Моран.

«Гибридная несовместимость, которую мы наблюдаем у части потомства X. birchmanni и X. malinche с этими генами, — это редкий эмпирический случай, когда мы действительно знаем гены, вызывающие проблему, и как они эволюционируют», — сказала Шумер.

В перспективе исследователи из Стэнфорда планируют глубже изучить детали гибридизированного белкового комплекса. «С точки зрения молекулярной биологии, есть много интересных вопросов о том, почему эта большая молекула [Комплекс I] не работает, на которые мы надеемся найти ответы», — сказал Моран.

В более широком смысле исследование также дополняет растущий объем доказательств того, что гибридизация между близкородственными группами видов встречается чаще, чем считалось ранее. Однако многие аспекты эволюционных последствий и динамики этого генетического обмена остаются плохо изученными.

«Понимание связи между эволюционными процессами и тем, что происходит с реальными видами, для меня действительно захватывающе», — сказала Шумер.