Разные скорости рекомбинации сдерживают высокоэгоистичные гены
Рыба-гамлет может быть одновременно отцом и матерью своего потомства — эта особенность помогает исследователям понять, почему гены часто рекомбинируют активнее у одного пола.
При переходе от одного поколения к следующему гены перетасовываются перед передачей в яйцеклетки и сперматозоиды — процесс, называемый рекомбинацией. Однако гены в половых клетках родителя с разными половыми хромосомами (чаще всего у самца) обычно рекомбинируют в меньшей степени или не рекомбинируют вовсе. Исследователи из Института эволюционной биологии Макса Планка в Плёне, Центра океанических исследований Гельмгольца в Киле, Кильского университета и Смитсоновского тропического института в Панаме определили возможную причину этого явления. Для этого они проанализировали частоту рекомбинации у необычного модельного организма — рыбы Hypoplectrus nigricans (чёрный гамплет), обитающей в Карибском море.
При образовании сперматозоидов и яйцеклеток хромосомы разрезаются и собираются заново. Это позволяет создавать новые генетические варианты — важную движущую силу эволюции. Однако степень перемешивания генетического материала в половых клетках зависит от пола. Обычно половые клетки родителя с одинаковыми половыми хромосомами (XX) рекомбинируют сильнее, чем у родителя с разными хромосомами (XY) — явление, известное как правило Холдейна–Хаксли, широко наблюдаемое у растений и животных.
Учёные давно ищут причину этого явления. Чёрный гамплет со своей необычной системой одновременного гермафродитного спаривания помог пролить свет на эту загадку. В отличие от многих других рыб, Hypoplectrus nigricans не смущается наблюдателей во время ежедневных брачных игр у побережья Панамы. Это позволило дайверам наблюдать любопытную форму размножения: гермафродитная рыба не только может откладывать икру, но и оплодотворять икру других особей. Таким образом, попеременно с партнёром она может быть отцом или матерью своего потомства.
Яйцеклетки рекомбинируют сильнее, чем сперматозоиды
Учёные детально изучили потомство пары гамплетов, включая анализ ДНК личинок. Поскольку им также был известен генетический состав взрослых рыб, исследователи смогли определить, какие части генома внёс каждый родитель и какие сегменты ДНК были рекомбинированы. «Наш анализ показал, что хотя рыбы, будучи гермафродитами, производят и сперматозоиды, и яйцеклетки, их гены рекомбинируют сильнее при образовании яйцеклеток, чем при образовании сперматозоидов», — объясняет Лукас Теодосиу из Института эволюционной биологии Макса Планка в Плёне.
Теория мейотического драйва у самок
Проведя детальный анализ ДНК, исследователи выявили паттерн, соответствующий конкретной теории, объясняющей правило Холдейна–Хаксли. «Поскольку гамплет производит и яйцеклетки, и сперматозоиды, мы теперь можем исключить другие причины наблюдаемых различий в частоте рекомбинации», — говорит Теодосиу. Согласно теории мейотического драйва у самок, разные скорости рекомбинации являются результатом различий в образовании мужских и женских половых клеток.
Например, у млекопитающих генетический материал из мужских клеток-предшественников распределяется между четырьмя половыми клетками. У самок, однако, три из этих клеток впоследствии погибают, остаётся только одна яйцеклетка, несущая генетический код. Таким образом, уже при образовании половых клеток гены женского организма конкурируют за то, чтобы быть представленными в выжившей яйцеклетке.
Некоторые гены или участки хромосом особенно искусны в том, чтобы обеспечить себе место в яйцеклетке, что иногда имеет серьёзные последствия: хромосомная конкуренция может вызывать ошибки расхождения, приводящие к потере хромосом и стерильности гамет. Кроме того, вредоносные аллели могут накапливаться в «драйвовых» областях хромосом, которые, как правило, являются областями необычно низкой рекомбинации.
Частое разрезание, обмен и повторная вставка сегментов генов при образовании яйцеклеток могло, таким образом, возникнуть для предотвращения получения преимущества определёнными генами или хромосомами. В этом случае можно ожидать определённого паттерна рекомбинации на хромосомах. «И мы обнаружили именно такой паттерн у чёрного гамплета. Наши выводы, следовательно, согласуются с гипотезой о том, что мейотический драйв у самок может объяснять половые различия в частоте рекомбинации», — говорит Теодосиу.
Теперь учёные хотят изучить роль рекомбинации при скрещивании разных видов. Во время погружений у побережья Панамы исследователи обнаружили множество вариантов этой красочной тропической рыбы. «Гамплеты находятся в процессе видообразования, и в настоящее время формируются новые варианты. Анализируя ДНК этих вариантов и их гибридного потомства, мы можем наблюдать эволюцию в действии».