Александр Марков - Перспективы отбора. От зеленых пеночек и бессмысленного усложнения до голых землекопов и мутирующего человечества

Полезны или вредны хромосомные инверсии?Эволюционная роль хромосомных инверсий активно изучается в последние годы, однако в этом вопросе еще много неясного. В частности, не вполне понятны причины высоких темпов накопления инверсий, которые наблюдаются у некоторых организмов.

Вновь возникающие инверсии, по идее, должны снижать приспособленность — а значит, отсеиваться отбором. Есть совсем очевидные случаи: например, если граница повернувшегося на 180° участка хромосомы разрежет пополам какой-то важный ген, тот выйдет из строя. Такая инверсия, конечно, будет быстро отбракована и не сможет закрепиться в популяции. Но даже если границы инвертированного участка попадут в нефункциональные районы хромосомы, инверсия все равно создаст определенные проблемы у особей, гетерозиготных по инверсии (то есть таких, у которых в двух гомологичных хромосомах данный участок повернут в разные стороны). Если при мейозе у такой особи рекомбинация (кроссинговер) произойдет внутри инвертированного участка, то могут получиться гаметы с неправильным набором генов. Например, если инвертированный участок содержит гены А и Б , то одни гаметы могут получить две копии гена А и ни одной копии Б , а другие — наоборот. Это, скорее всего, плохо скажется на приспособленности потомства.

Впрочем, сам механизм кроссинговера устроен так, что вероятность рекомбинации непохожих (например, повернутых в разные стороны) участков резко снижается. В том-то и состоит главная идея кроссинговера: обмен участками должен происходить только между очень похожими последовательностями (см. Исследование № 5). Иными словами, инверсия блокирует рекомбинацию инвертированного участка. Благодаря этому многие инверсии оказываются безвредными или почти безвредными. Аллели, расположенные на инвертированном участке, начинают наследоваться все вместе, единым блоком.

Две гипотезы о пользе инверсий.Геномные исследования показали, что в эволюции птиц крупные инверсии фиксируются (то есть не просто возникают у какой-то одной особи, но достигают стопроцентной частоты в генофонде вида) довольно часто — в отличие от других крупных хромосомных перестроек, таких как транслокации (переносы участков с одной хромосомы на другую), слияние или разделение хромосом. Это наводит на мысль, что инверсии чаще, чем принято считать, оказываются полезными, или, что то же самое, поддерживаются отбором.

Вопрос о том, в чем же состоит эта предполагаемая польза, далек от разрешения. С одной стороны, она может быть никак не связана с блокировкой рекомбинации. Например, инверсия может привести к тому, что какие-то гены, оказавшись в ином окружении, будут регулироваться более выгодным для организма образом.

С другой стороны, совместное наследование комплекса аллелей, обеспечиваемое низкой частотой рекомбинации, тоже может оказаться полезным, если аллели хорошо «притерты» друг к другу и слаженно выполняют свои функции именно в такой комбинации. Допустим, на хромосоме по соседству расположены два гена A и Б и у каждого есть по два аллельных варианта. При этом аллель А 1хорошо работает в компании с Б 1, а А 2— в сочетании с Б 2. Другие комбинации ( А 1 Б 2и А 2 Б 1) работают хуже или вовсе не работают. В подобных случаях говорят о генетической несовместимости, или конфликте, аллеля А 1с аллелем Б 2(а А 2— с Б 1). Такая ситуация часто складывается при скрещивании особей близкородственных видов, уже успевших накопить взаимно несовместимые аллели, но еще способных к гибридизации.

В этом случае инверсия может оказаться полезной как раз потому, что она блокирует рекомбинацию. Если у представителя одного из гибридизующихся видов (например, вида с генотипом А 1 Б 1) данный участок хромосомы подвергнется инверсии, то он не будет рекомбинировать с альтернативным генотипом А 2 Б 2, характерным для второго вида. Следовательно, если особь с инверсией скрестится с чужаком, то гаметы гибридного потомства будут содержать только «правильные» комбинации аллелей. Если же с чужаком скрестится особь, не имеющая инверсии, то у гибридных потомков часть гамет будет нести конфликтующие наборы аллелей. Соответственно, приспособленность гибридного потомства у особи с инверсией окажется выше — а значит, отбор будет способствовать распространению инверсии (конечно, при условии, что межвидовая гибридизация действительно имеет место).

Проверяемые следствия.Из разных гипотез о механизмах распространения инверсий вытекают разные проверяемые следствия. Если основным механизмом служит генетический дрейф (случайные колебания частот генетических вариантов), а польза инверсий не играет существенной роли, то скорость фиксации инверсий не должна коррелировать ни с численностью популяции, ни с перекрыванием видовых ареалов. Если же инверсии распространяются под действием отбора (благодаря своей полезности), то возможны два варианта. Здесь все будет зависеть от того, какова природа приносимой пользы.

Если эта польза не связана с блокировкой рекомбинации, а связана с выгодным изменением регуляции генов, то полезные инверсии должны вести себя так же, как и все прочие редкие полезные мутации. А именно: скорость их накопления должна положительно коррелировать с численностью популяции (поскольку чем больше выборка, тем чаще в ней, при прочих равных условиях, будут происходить маловероятные события, такие как возникновение полезной мутации). Перекрывание ареалов близкородственных видов в этом случае не должно ускорять фиксацию инверсий. Более того, если польза инверсий не зависит от генетического контекста, то они должны легко пересекать межвидовые границы в зонах гибридизации, то есть легко проникать из одного видового генофонда в другой и свободно распространяться там. В этом случае логично ожидать, что у симпатрических близкородственных видов будет не больше, а скорее даже меньше различий по инверсиям, чем у аллопатрических (проживающих на разных территориях).

Если же польза инверсий — в защите коадаптированных («притертых» друг к другу) генных комплексов от распада и перемешивания, то следует ожидать, что инверсии будут быстрее всего накапливаться не в самых больших популяциях, а в тех, которые реально подвергаются угрозе такого распада и перемешивания. В первую очередь — в симпатрических популяциях близкородственных видов.