16.02.2011

За видообразование может отвечать один-единственный ген

Несмотря на то что Чарльз Дарвин назвал свою знаменитую книгу «Происхождение видов», сам механизм видообразования он считал «тайной тайн». По сей день, полтора столетия спустя, вопрос, почему две группы животных становятся генетически несовместимыми, остаётся одной из величайших загадок биологии, пишет NewScientist.

Можно понять, когда две популяции одного вида начинают жить отдельно, адаптируясь к разным условиям, пока не лишаются теоретической возможности спариваться друг с другом. Но видообразование без физической изоляции объяснить гораздо труднее. Ещё удивительнее то, что за видообразование может отвечать всего лишь один ген.

Он находится в сердце процесса генетической рекомбинации. Во время производства яйцеклеток и сперматозоидов хромосомы скрещиваются и обмениваются генами, которые вы унаследовали от мамы и папы. Эта перетасовка и есть источник генетической уникальности каждой особи. До сих пор никто не подозревал, что рекомбинация может играть роль в создании новых видов.

Прорыв произошел, когда выяснилось, что сей ген с прозаическим именем Prdm9 тоже участвует в формировании репродуктивной несовместимости между различными членами одного и того же вида.

История Prdm9 начинается в 1974 году. Молодой генетик Иржи Форейт, сотрудник Чехословацкой академии наук, занимался скрещиванием двух подвидов мыши — и вдруг обнаружил, что мужское потомство при определённой комбинации родителей не может размножаться. Дальнейшее скрещивание показало, что частичную ответственность за репродуктивную изоляцию несёт неопознанный ген. Это был первый ген видообразования, обнаруженный у позвоночных. И он до сих пор остаётся единственным.

Загнать виновника в угол пану Форейту и его коллегам удалось только в начале нового тысячелетия при исследовании мышиной хромосомы-17, содержащей всего шесть генов.

Между тем в Оксфордском университете эволюционный биолог Крис Понтинг занялся поиском генов, которые делают нас уникальными. К его удивлению, таковым оказался всё тот же Prdm9 — самый быстроразвивающейся ген в человеческой истории. Люди и шимпанзе отличаются более чем на 7% ДНК-символов в Prdm9, что в пять раз больше средней разницы между генами наших видов.

Но почему именно он, а не ген, который кодирует однозначно человеческие черты вроде языка или большого мозга? Вскоре Понтинг выяснил, что Prdm9 развивается с необыкновенной быстротой у всех представителей животного царства — от грызунов и анемонов до улиток и червей. Он не уникален для человека.

Тем самым Понтинг зашёл в тупик: ген, обладавший явной эволюционной ролью, одновременно связан с врождённым бесплодием. Бред! Но, быть может, стерильность — это лишь побочный продукт основной функции гена? Тогда что это за функция? И вновь ответ пришёл оттуда, откуда не ждали.

Генетическую рекомбинацию впервые описали около века назад, однако с 1931 года, когда лауреат Нобелевской премии Барбара Макклинток продемонстрировала механизм кроссинговера, это направление далеко не продвинулось. Лишь работа над секвенированием полных геномов возродила интерес к рекомбинации. В частности, учёных интересовало, где именно совершается скрещивание хромосом. Предполагалось, что это происходит случайно на всём протяжении генома, но вскоре удалось выявить «горячие точки» рекомбинации, в которых кроссинговер фиксируется в 80% случаев. В человеческом геноме таких точек по меньшей мере 25 тыс., но при создании яйцеклетки и сперматозоида активна только небольшая часть из них. Этот феномен имеет смысл, если «горячие точки» уводят кроссинговер от важнейших частей генома, ведь рекомбинация — это всегда своего рода нарушение нормальной структуры ДНК.

В 2008 году Джил Маквеан и Саймон Майерс из Оксфордского университета обнаружили, что около 40% «горячих точек» имеют одну и ту же 13-символьную последовательность ДНК (мотив). Раз есть замок, то должен быть и ключ, активирующий здесь процесс рекомбинации. В прошлом году этот ключ был найден тремя исследовательскими группами независимо друг от друга: как и предполагалось, им оказалась белковая структура «цинковый палец». А какой белок ею обладает? Вы угадали: наш старый знакомый Prdm9.

Открытие, которое сделали Джил Маквеан, а также Бернар де Масси из Института генетики человека в Монпелье (Франция) и Кеннет Пэйджен из Лаборатории Джексона в Бар-Харборе (США), позволяет объяснить, почему этот ген эволюционирует так быстро. Всякий раз, когда происходит кроссинговер, часть последовательности ДНК на границе разрыва теряется, стирая мотив «горячей точки», с которой связан белок Prdm9. Клетки ремонтируют эту дыру путём копирования последовательности из неповрежденной области другой хромосомной пары. Но иногда особь имеет этот мотив только на одной хромосоме, и тогда ремонт стирает «горячую точку». Следовательно, они должны исчезнуть одна за другой через несколько поколений. Очевидно, что этого не происходит, за что стоит благодарить Prdm9: любая мутация, меняющая «цинковые пальцы» белка Prdm9, просто меняет последовательность ДНК, с которой он связывается, постепенно создавая новый мотив «горячей точки».

Более того, ген Prdm9 создан для перемен. Кодируемый им белок имеет несколько «цинковых пальцев» (12 или 13 у большинства людей), кодирующие последовательности которых выстраиваются одна за другой (такая структура называется мини-сателлитом). По причинам, которые ещё не вполне понятны, мини-сателлиты необычайно склонны к мутациям, поэтому Prdm9 прекрасно оснащён для борьбы с эрозией «горячих точек».

Хорошо, роль Prdm9 в рекомбинации может объяснить его быструю эволюцию. Но как быть с видообразованием? Может быть, способность определять точки, в которых хромосомы обмениваются материалом, каким-то образом даёт Prdm9 власть делать определённые комбинации яйцеклетки и сперматозоида несовместимыми? Или же эти две способности объединились в одном гене по чистой случайности? Исследователи склоняются в пользу первой версии.

До сих пор никто даже не искал связи между Prdm9 и стерильностью у животных, помимо мышей. Мы знаем, однако, что различные группы людей имеют разные варианты Prdm9. У большинства европейцев, например, белок Prdm9 имеет 13 «цинковых пальцев», но у некоторых их восемь, а у других — восемнадцать. У мышей этого достаточно для получения стерильного потомства. Изменения в этом гене вполне могут вбить клин между различными частями человеческой популяции...

Дмитрий Целиков

Источники:

1. КОМПЬЮЛЕНТА