Молекулярная эволюция генетического переключателя определения пола у медоносных пчёл

Почти 200 лет потребовалось учёным из Аризоны и Европы, чтобы выяснить, как постепенно и адаптивно эволюционировал молекулярный переключатель определения пола у медоносной пчелы.

Первый генетический механизм определения пола был предложен в середине XIX века монахом Иоганном Дзирсоном. Он пытался понять, как в пчелиных семьях производятся самцы и самки, и предположил, что самцы (трутни) являются гаплоидными — обладают одним набором хромосом. Это было подтверждено в XX веке с появлением микроскопов. Однако вопрос о том, как эта система гаплодиплоидного определения пола эволюционировала на молекулярном уровне, оставался одним из важнейших в генетике развития.

В декабрьском номере журнала Current Biology Роберт Пейдж (Университет штата Аризона), Мартин Байе (Институт эволюционной генетики, Университет Дюссельдорфа) и их коллеги представили заключительные части головоломки в статье «Постепенная молекулярная эволюция переключателя определения пола у медоносных пчёл через неполную пенетрантность женского пола».

Авторы изучили 14 природных вариантов последовательности гена-переключателя комплементарного определения пола (csd gene) для 76 генотипов пчёл. Ключевыми инструментами стали:

• Высокая частота рекомбинации у пчёл (самая высокая среди изученных животных), что помогло охарактеризовать локус csd.
• Ранее Пейдж и Байе смогли «выключить» один аллель и показать, как можно получить самца из диплоидного генотипа (работа была на обложке журнала Cell в 2003 году).

Основной нерешённый вопрос заключался в том, какие именно аллели ключевые, как они работают вместе и почему эта система эволюционировала.

Ключевые открытия:

1. Контроль женского пола: Для создания женского пола через ген csd достаточно пяти различий в аминокислотах (аргинин, серин, пролин), влияющих на сайты связывания белка и его конформацию.
2. Эволюционный промежуточный вариант: Был обнаружен природный эволюционный промежуточный аллель, где всего три аминокислотных различия балансируют между летальностью и индуцированием женского пола.
3. Механизм эволюции: Полученные данные свидетельствуют, что неполная пенетрантность может быть механизмом, позволяющим новым молекулярным переключателям эволюционировать постепенно и адаптивно.

В работе также принимали участие Кристина Зеельман, Таня Гемпе (Университет Дюссельдорфа), Мартин Хаслеманн (Институт генетики, Университет Кёльна), Ксавье Бекманс (Университет Лилля) и Ким Фондрк (Университет штата Аризона). Исследование поддержано грантами Deutsche Forschungsgemeinschaft.