Как супергены подпитывают эволюцию, несмотря на вредные мутации

В середине 1800-х годов, в тысячах километрах от дома, в душных тропических лесах Амазонки, у британского натуралиста Генри Уолтера Бейтса возникла проблема. На самом деле больше одной; были кусающие насекомые размером с большой палец, постоянная угроза малярии, ядовитые змеи и плесень, которая угрожала поглотить его драгоценные экземпляры, прежде чем их удастся отправить обратно в Англию. Но беспокоившая его насущная научная проблема касалась бабочек.

Бейтс заметил, что некоторые из ярко окрашенных бабочек Heliconius в лесу не порхают, как остальные; они двигаются медленнее.

К тому времени, когда открытие Бейтса стало известно знатокам английской науки, новое предложение Чарльза Дарвина о естественном отборе могло объяснить, почему произошла эта блестящая мимикрия.

Птицы и другие хищники избегают бабочек Heliconius, потому что они токсичны и имеют горький вкус. «Мимики» не были ядовитыми, но из-за того, что они были очень похожи на геликониусов с неприятным вкусом, вероятность того, что их съедят, была меньше. Чем ближе сходство, тем мощнее защита. Чего Бейтс и многие более поздние биологи-эволюционисты не могли объяснить, так это того, как такая мимикрия стала возможной.

Для получения правильных оттенков аквамарина и огненно-оранжевого в нужных местах на крыльях требовалось целое созвездие точно настроенных генов. Эти черты должны были передаваться по наследству с абсолютной точностью, поколение за поколением, чтобы сохранить маскировку Геликонии. Возможно, настоящие бабочки Heliconius могли позволить себе немного отличаться в окраске, потому что их токсины могли научить хищников держаться подальше в будущем, но имитаторы должны были быть неизменно безупречными копиями.

Тем не менее, случайная перетасовка и повторное смешение признаков при половом размножении должны были быстро нарушить основные модели окраски. Сегодня известно, что у многих видов ответом являются супергены — участки ДНК, соединяющие несколько генов в единую наследуемую единицу. «Это своего рода дикая карта», — говорит Марте Соделанд, молекулярный эколог из Агдерского университета в Норвегии. Эта агрегированная форма наследования «имеет очевидные преимущества, поскольку позволяет быстро адаптироваться, но мы ещё многого не знаем».

Когда-то супергены казались эволюционной причудой, но развитие генетического секвенирования показало, что они гораздо более распространены, чем предполагали исследователи. Не все супергены могут выполнять свою функцию, но работа последних нескольких лет показала, что признаки у широкого круга видов животных и растений могут управляться этими группами генов, которые функционируют как один ген. Супергены помогают диким подсолнечникам адаптироваться к различным средам, таким как песчаные дюны, прибрежные равнины и барьерные острова. В других семействах растений они производят тонкие, но важные изменения в плодовитости, которые помогают предотвратить инбридинг.

Исследование, опубликованное прошлой весной, показало, что у некоторых видов огненных муравьёв супергены определяют, какой тип социальной организации преобладает — имеет ли колония одну матку или более, или производит ли она больше самцов или самок. Супергены также, кажется, содержат объяснения многих давних загадок эволюции, таких как то, как виды могут иногда быстро адаптироваться к новым условиям, как популяции иногда могут развиваться в разных направлениях, даже живя близко друг к другу, и почему некоторые виды имеют «сбалансированные летальные системы» размножения, так что для выживания им необходимо иметь две разные версии хромосомы.

Но супергены не всесильны. Недавняя работа по эволюции супергенов рисует детальную картину их эффектов. Эти теоретические модели и исследования реальных популяций показали, что супергены часто накапливают вредные мутации гораздо быстрее, чем другие фрагменты ДНК, и это может постепенно привести к дегенеративным эффектам, которые подрывают первоначальные преимущества.

Определение супергена довольно техническое, и учёные до сих пор спорят о его тонкостях, хотя концепция существует с 1930-х годов. Но на самом простом уровне, говорит Саймон Мартин, биолог-эволюционист из Эдинбургского университета, суперген — это группа генов, которые наследуются вместе как единое целое, часто с большим количеством других некодирующих ДНК. «Вы можете продолжать производить два разных признака с несколькими генами и не беспокоиться о том, что они перепутаются», — сообщает Мартин.

Это перемешивание часто происходит во время производства яйцеклеток и сперматозоидов. В этом процессе материнские и отцовские копии хромосом выстраиваются в ряд и случайным образом меняют местами сегменты ДНК в процессе, называемом рекомбинацией. Рекомбинация хеджирует ставки природы на ценность различных перестановок генов; она повышает генетическое разнообразие и помогает отсеивать вредные мутации. Суперсила супергенов в том, что они блокируют это. Как правило, супергены содержат делеции, вставки или инверсии ДНК (последовательности, которые были вырезаны и сплайсированы в обратном направлении). В результате эти части хромосомной ДНК не совпадают с партнёром и с гораздо меньшей вероятностью рекомбинируют.

В 1970-х годах исследователи показали, что тот же самый механизм — с неправильным расположением хромосом, блокирующим рекомбинацию в сегментах хромосом, которые затем продолжают терять гены — привёл к эволюции Y-половых хромосом из X-хромосом у млекопитающих. Половые хромосомы — это, по сути, вышедшие из-под контроля супергены. И супергены, и половые хромосомы существуют потому, что иногда полезно наследовать некоторые наборы генов вместе, по словам Деборы Чарльзуорт, одного из генетиков-эволюционистов из Эдинбургского университета. В таких случаях «было бы идеально не проводить рекомбинацию, а соединять вещи, которые хорошо сочетаются друг с другом, навсегда», — гворит она.

Для имитаторов бабочек Heliconius Бейтса сочетание цветовых всплесков из разных генов может иметь катастрофические последствия. Бабочки пожинают плоды мимикрии только в том случае, если они достаточно похожи на геликониусов, чтобы обмануть хищников. Вот почему многие учёные исследуют, как возникают супергены и какие последствия могут быть для видов, поскольку их супергены продолжают развиваться. Понимание происхождения супергена — «один из самых сложных вопросов», — говорит Таня Слотте, генетик-эволюционист из Стокгольмского университета, изучающая супергены у растений. «И не факт, что это вообще всегда возможно».

Недавно Кэти Лоттерхос, морской биолог-эволюционист из Северо-восточного университета, построила компьютерную модель для изучения первых предварительных шагов на пути от инверсии к супергену. Её модель, опубликованная в Philosophical Transactions of the Royal Society B в августе как часть специального выпуска о супергенах, показала, что чем больше исходный триггер ДНК, тем больше вероятность того, что суперген разовьётся. Причина была проста: более крупный перевёрнутый фрагмент ДНК с большей вероятностью захватит несколько генов и соединит их вместе как единое целое.

Любые полезные мутации, возникающие в результате инверсии, могут затем способствовать её распространению как супергена. Но более важный вывод из модели Лоттерхос заключался в том, что инверсии сами по себе не обязательно обеспечивают эволюционное преимущество. Если набор генов уже хорошо адаптирован к своему окружению, инверсия не позволит ему внезапно стать супергеном. Этот факт может помочь объяснить, почему сложные жизненные признаки обычно не закрепляются в виде супергенов: давления обычного отбора часто бывает достаточно для сохранения признаков. Лоттерхос поняла, что вопрос о том, предшествует ли адаптация инверсии или наоборот, никогда не может быть решён.

Супергены предлагают серьёзные преимущества в наследовании адаптивных признаков, но они имеют свою цену. Если в одной копии хромосомы обнаруживается вредная мутация, которая ломает ген, скорее всего, на соответствующей хромосоме будет функционирующая резервная копия, которая поможет организму выжить. А поскольку рекомбинация гарантирует, что мутация наследуется независимо от других генов, естественный отбор может со временем отсеять мутацию. Однако для супергенов это неверно. Поскольку они редко рекомбинируют, любые вредные мутации, которые они приобретают, имеют тенденцию оставаться. Таким образом, преимущества супергенов могут сопровождаться существенными недостатками.

Например, Бердан и Бенджамин Вилстра из Института биологии Лейдена обнаружили, что у саламандры, называемой хохлатым тритоном, половина яиц, которые она откладывает, нежизнеспособны из-за всех мутаций, накопившихся в одном супергене. Их супергены, кажется, сдерживают их репродуктивный успех. Супергены также могут усложнять процесс спаривания. У некоторых видов супергены создают систему размножения, которая фактически имеет четыре пола. Например, из-за супергена у североамериканских птиц, называемых белогорлыми воробьями, есть две «морфы» с непохожей окраской и поведением. Мало того, что самцы должны найти самок, они должны найти партнёра из противоположной морфы. В противном случае потомство погибнет либо от наследования супергенов от обоих родителей, либо от отсутствия наследования. Выживают только цыплята, получившие «сбалансированное летальное» наследование одного супергена и одного обычного сегмента хромосомы.

Бердан говорит, что с такой высокой ценой удивительно, что супергены вообще развились. «Любой набор вариантов будет очень сложно поддерживать, особенно на протяжении миллионов поколений», — говорит она. «Это одна из самых больших загадок супергенов». Она предположила, что несколько типов отбора могут работать вместе, чтобы сохранить супергены, и что определённые условия могут быть наиболее благоприятными для их сохранения в популяции.

По иронии судьбы, одним из механизмов, который иногда может сохранять супергены, является рекомбинация — явление, которому они обычно сопротивляются. Аманда Ларракуэнте, эволюционный генетик из Университета Рочестера, и её соавторы описали такой случай в апреле прошлого года в eLife. Ларракуэнте была очарована «эгоистичным» геном под названием Segregation Distortor (SD), возникшим у некоторых плодовых мушек в Замбии и искажающим соотношение полов в их потомстве. «Это убийца сперматозоидов», — объяснила она, но он убивает только те сперматозоиды, которые не несут хромосомы с SD. Где-то за последние 3000 лет одна из версий SD захватила большой участок хромосомной ДНК, создав суперген, известный как SD-Mal, который распространился среди популяций плодовых мушек по всей Африке.

Секвенирование и анализ ДНК, проведенные Ларракуэнте, Давеном Пресгрейвсом и их коллегами, показали, что хромосомы с SD-Mal накапливают вредные мутации, о чём свидетельствует почти полное отсутствие рекомбинации между SD-Mal и родственной хромосомой. Но исследователи не обнаружили столько мутаций, сколько ожидали. Они обнаружили, что причина в том, что иногда муха наследует две хромосомы с SD-Mal — и эти два супергена достаточно похожи, чтобы между ними могла происходить некоторая рекомбинация. Эта рекомбинация, в свою очередь, позволяет со временем очистить супергены мух от нескольких вредных мутаций.

Сейчас Ларракуэнте и Пресгрейвс ищут другие супергены SD в популяциях диких плодовых мух, чтобы понять эволюцию и влияние супергенов в целом. Их результаты показывают, что очищающие эффекты рекомбинации на геномы никогда не перестают быть важными. Сложные черты, которые делает возможным стабильное и предсказуемое наследование супергенов, могут быть неоценимы для адаптации видов, но даже супергены могут выиграть от случайного смешивания.