Александр Марков - Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Несколько генов видообразования нашли у дрозофил ( Orr et al., 2004 ). Как правило, это гены, так или иначе связанные с размножением. Например, один из них, OdsH , вызывает гибридную стерильность (бесплодие) у самцов, полученных от скрещивания Drosophila simulans и D. mauritiana — видов, разделившихся 0,3–1,0 млн лет назад. Функция гена состоит в регуляции экспрессии ряда других генов, участвующих в сперматогенезе. Многие гены видообразования несут следы действия положительного отбора. По-видимому, это значит, что постзиготическая несовместимость часто развивается под действием разнонаправленного отбора (как в эксперименте с дрожжами), а не просто за счет пассивного накопления нейтральных различий.

Что касается млекопитающих, то у них пока описан только один такой ген — Prdm9 , ответственный за стерильность мужского потомства при скрещивании двух видов (или подвидов, случай спорный) домовых мышей: Mus musculus и Mus domesticus . То, что где-то на 17-й мышиной хромосоме есть «ген гибридной стерильности», конфликтующий с несколькими другими генами при межвидовых скрещиваниях, было известно давно, но установить его идентичность удалось лишь в 2008 году. С тех пор ген Prdm9 активно изучают. При этом выяснилось много интригующих фактов. В частности, обнаружилась связь Prdm9 со стерильностью не только у гибридных мышей, но и у других животных. Например, у людей мутации этого гена приводят к мужскому бесплодию.

Функцию Prdm9 установили лишь в 2012 году. Оказалось, что ген отвечает за формирование «горячих точек рекомбинации» — мест, где хромосомы чаще всего рвутся, чтобы обменяться участками во время мейоза. В норме у мышей разрывы хромосом при подготовке к кроссинговеру происходят в нефункциональных частях генома, но, если работа Prdm9 нарушена, хромосомы начинают рваться где попало, в том числе в регуляторных областях жизненно важных генов. Мыши с такими генетическими дефектами бесплодны, потому что у них не образуются жизнеспособные половые клетки ( Brick et al., 2012 ).

У растений выявлено около 40 генов видообразования. Как правило, это тоже гены, связанные с размножением — с созреванием пыльцы, ускорением или отсрочкой цветения, механизмами «узнавания» подходящей пыльцы тканями пестика (к этим механизмам относится и самонесовместимость, о которой мы говорили в главе 3). У растений признаки действия положительного отбора на гены видообразования тоже есть, но не такие четкие, как у дрозофил. Возможно, случайные процессы играют в видообразовании у растений более важную роль ( Rieseberg, Blackman, 2010 ).

Один из интересных случаев связан с домашним рисом (см. главу 2). Согласно данным археологии и генетики, азиатский культурный рис Oryza sativa был одомашнен на юге Китая 9 тыс. лет назад ( Molina et al., 2011 ). С тех пор было выведено много сортов, подразделяющихся на две большие группы: O. s. indica (длиннозерные сорта) и O. s. japonica (круглозерные).

«Индийские» и «японские» сорта разделились не менее 3–4 тыс. лет назад и с тех пор эволюционировали аллопатрически, т. е. выращивались в разных районах, почти не скрещиваясь друг с другом. За это время в их генофондах успели накопиться взаимно несовместимые мутации, что привело к частичной репродуктивной изоляции, а именно к снижению плодовитости гибридов indica и japonica . Это можно рассматривать как наметившееся разделение азиатского культурного риса на два вида.

Несовместимость indica и japonica определяется несколькими локусами, структура и функция которых активно изучаются. Китайским генетикам удалось в общих чертах расшифровать принцип действия одного из «локусов несовместимости» S5 ( Yang et al., 2012 ). Локус включает пять белок-кодирующих генов: ORF1 , ORF2 , ORF3 , ORF4 и ORF5 (от open reading frame , открытая рамка считывания — так по традиции обозначают плохоизученные гены с неизвестной функцией). У локуса S5 есть три варианта (аллеля), один из которых ( S5i ) характерен для большинства сортов indica , другой ( S5j ) — для japonica , а третий ( S5n ) — для некоторых сортов, которые дают нормальное плодовитое потомство при скрещивании как с индийскими, так и с японскими сортами. Было показано, что, если вставить в геном japonica ген ORF5 indica , получаются растения с пониженной плодовитостью. Если то же самое проделать с генами ORF3 и ORF4 , плодовитость растений не снижается.

Этого недостаточно, чтобы понять, как работает локус S5 и почему аллели S5i и S5j плохо сочетаются друг с другом. Для выяснения этого вопроса авторы скрещивали в разных сочетаниях многочисленные сорта риса (как обычные, так и трансгенные), оценивали плодовитость гибридов, подсчитывали соотношение разных генотипов в гибридном потомстве и, конечно же, сравнивали нуклеотидные последовательности локуса S5 у разных сортов.

Выяснилось, что гены ORF1 и ORF2 одинаковы у всех сортов, а значит, не в них причина несовместимости. Ген ORF3 кодирует белок, похожий на белок теплового шока, — шаперон Hsp70 . Такие белки защищают клетку от различных стрессов. У indica ген ORF3 в рабочем состоянии, у japonica в нем произошла делеция (выпало 13 нуклеотидов), и поэтому белок ORF3 утратил функциональность.

Белок ORF4 , кодируемый геном ORF4 , в норме располагается на мембране мегаспор (клеток, из которых у цветковых растений образуется зародышевый мешок, а после оплодотворения — семя). ORF4 является рецептором, т. е. реагирует на какое-то вещество, находящееся снаружи от клеточной мембраны, и передает сигнал внутрь клетки. У indica ORF4 испорчен мутацией, у japonica он в рабочем состоянии.

Наконец, ORF5 является ферментом (аспартатной протеазой) и в норме выделяется клеткой во внешнюю среду. Там он участвует в синтезе сигнального вещества, на которое реагирует рецептор ORF4 . У indica ORF5 активен, у japonica — нет.

Таким образом, генотип indica можно обозначить как 3+4−5+, japonica — как 3−4+5−. Механизм действия этих генов, объясняющий пониженную плодовитость гибридов, показан на рисунке. Белки 5+ и 4+, действуя сообща, выступают в роли «убийц», а белок 3+ является «защитником».

Сигнальное вещество, синтезируемое при участии белка 5+, воспринимается рецептором 4+, что приводит (по неизвестной пока причине) к нарушению работы важной внутриклеточной структуры (эндоплазматической сети). Если в клетке есть белок-защитник 3+, клетка останется жива. Если же белок 3+ отсутствует, в клетке включится программа клеточной смерти (апоптоза), и клетка погибнет. Именно это и происходит с половиной будущих семян у гибридов indica и japonica . Погибают мегаспоры, унаследовавшие от гибридного родительского организма генотип japonica , в котором нет гена-защитника 3+, зато есть ген 4+, позволяющий белку 5+ довести клетку до самоубийства.