05.01.2017

Вставка генома вольбахии может приводить к развитию новой половой хромосомы у ее хозяев

Эндосимбиотические бактерии-вольбахии известны тем, что подчиняют своим нуждам размножение хозяев. В частности, многие из них обладают феминизирующим эффектом — сдвигают соотношение полов в сторону самок. Кроме того, известно, что часть их ДНК путем горизонтального переноса может переходить в геном хозяев. В новом исследовании французских ученых показано, что эти их свойства могут способствовать долгосрочной эволюции системы определения пола у зараженных ими организмов. Наземные ракообразные мокрицы-броненосцы Armadillidium vulgare, зараженные бактерией вольбахией, утратили W-хромосому, ответственную за развитие в самку (зараженные мокрицы производят в основном самок, феминизируя генетических ZZ-самцов, из-за чего из популяции исчезают генетические самки ZW, а вместе с ними и женская W-хромосома). Однако впоследствии в некоторых популяциях мокриц в результате крупной вставки из генома вольбахий в одну из хромосом мокриц возник f-элемент, отвечающий за развитие в самок даже в отсутствие бактерий. Таким образом, у этих ракообразных сформировалась новая пара половых хромосом взамен старых, утративших свою функциональность из-за исчезновения женского варианта.

Хотя большинство видов многоклеточных животных раздельнополы (то есть в них есть самцы и самки), способы регуляции развития эмбриона по мужскому или женскому пути могут существенно различаться даже у близких видов. Кроме хромосомной системы определения пола, как у человека, известны также температурная система у крокодилов (на пол крокодильчиков влияет температура развития яйца) и гапло-диплоидная система у перепончатокрылых (самцы развиваются из неоплодотворенных яиц, несущих гаплоидный набор хромосом, а самки — из оплодотворенных, с диплоидным набором).

Хромосомное определение пола тоже может быть различным. Например, почти всем млекопитающим свойственна так называемая XX/XY-система — когда самки несут две Х-хромосомы (генотип ХХ), а для развития по самцовому типу необходимо наличие одной Y-хромосомы (генотип XY). Тот пол, представители которого несут две одинаковые половые хромосомы, называется гомогаметным (так как дает одинаковые половые клетки-гаметы, несущие Х-хромосому), а другой — гетерогаметным (дает гаметы двух типов — с Х- и с Y-хромосомой). В ZZ/ZW-системе, распространенной у птиц, ситуация схожая, только гетерогаметным полом оказывается женский (самцы имеют генотип ZZ, а самки — ZW).

Сами по себе системы определения пола оказываются удивительно лабильными, часто различаясь у близких видов, что даже не позволяет использовать их при выяснении филогенетических связей (см., например, S. D. Sarre et al., 2011. Transitions between sex-determining systems in reptiles and amphibians). Сам факт легкости смены системы определения пола можно объяснить тем, что в этом случае не меняются механизмы развития по тому или иному пути, а лишь меняется «переключатель», переводящий развитие с мужского пути на женский, или наоборот.

При этом причины и механизмы перехода от одной системы определения пола к другой остаются во многом неясными. Одна из гипотез связывает смену вариантов с отбором на соотношение полов. Согласно эволюционным моделям, для большинства видов оптимальным является соотношение самцов и самок 1:1 (см. Принцип Фишера). Однако в некоторых случаях оно может нарушаться за счет деятельности «эгоистичных» генетических элементов, распространение которых связано с одним из полов: возникает отбор на соотношение полов, компенсирующий эффект «эгоистичных» элементов.

Однако не так-то легко найти в природе модельные системы, на которых можно изучать эволюцию систем определения пола: чаще всего эти системы стабильны внутри вида и изменчивость по ним минимальна или вообще отсутствует. Одним из исключений является сухопутное равноногое ракообразное мокрица-броненосец Armadillidium vulgare (рис. 2). В норме у этой мокрицы наблюдается ZZ/ZW-определение пола. Однако многие самки заражены бактерией вольбахией (Wolbachia) и производят в основном самок, феминизируя генетических ZZ-самцов (см.: А. Марков. Антимужской микроб). В этой ситуации из популяции постепенно исчезают генетические самки ZW, а вместе с ними утрачивается женская W-хромосома.

Однако известны линии этих мокриц, не зараженные вольбахией, но также устойчиво воспроизводящие перекос в сторону самок за счет неизвестного f-элемента — гипотетического генетического фактора, переключающего развитие ZZ-самцов на «самочий» вариант. Еще в 1984 году французские ученые высказали гипотезу, что этим фактором является встроенный в геном мокрицы фрагмент ДНК вольбахии (см. J. J. Legrand et al., 1984. Nouvelles donnees sur le determinisme genetique et epigenetique de la monogenie chez le crustace isopode terrestre Armadillidium vulgare Latr.). И только сейчас у этой гипотезы появились подтверждения.

Группа французских ученых из Университета Пуатье (кстати, среди них не было ни одного из соавторов вышеупомянутой статьи 1984 года) во главе с Себастьяном Леклерком (Sebastien Leclercq) отсеквенировала геномы четырех самок мокриц из датской популяции, несущей f-элемент. 0,11% всех прочтенных последовательностей ДНК показали высокое сходство с известными геномами вольбахий, при этом их удалось собрать в девять длинных фрагментов-скаффолдов (промежуточных неполных структур секвенируемой последовательности, помогающих сборке ее полной версии; см. Е. Прохорчук. Код жизни: прочесть не значит понять), самый большой из которых имел длину 3,13 Мб (мегабаз — миллионов пар оснований). Причем наиболее близки эти последовательности оказались к феминизирующим штаммам вольбахий, заражающих исследуемый вид мокриц и его близкого родственника.

Конечно, проще всего эти результаты можно было бы объяснить тем, что в этих мокрицах живут вольбахии, которые и были отсеквенированы вместе с ракообразными. Однако эти мокрицы были взяты из популяции, в которой нет вольбахий. Но исследователи дополнительно удостоверились в этом: просвечивающий электронный микроскоп не показал наличия бактериальных клеток в ооцитах, хорошо видных в зараженных особях (рис. 2). Кроме того, даже если собрать все гены вольбахии, обнаруженные в отсеквенированных последовательностях, то 331 ген из полного набора в 1888 генах будут отсутствовать или будут существенно укорочены, причем 85 из этих 331 необходимы для жизнедеятельности бактерии.

Восемь из девяти бактериальных скаффолдов обнаружились только в самках и, кроме того, наследовались совместно. Из этого исследователи заключили, что все они и представляют собой единый f-элемент, возникший в результате вставки из генома вольбахии в одну из хромосом мокрицы, в то время как девятый скаффолд — это след независимого эпизода горизонтального переноса ДНК от бактерии к членистоногому. Функциональная роль большой вставки из генома вольбахии как феминизирующего агента подтверждается и тем, что она наследуется строго по материнской линии, что показано в генеалогическом анализе на протяжении шести поколений. Кроме того, первые восемь скаффолдов из генов вольбахии (предположительный f-элемент) в два раза реже встречался в результатах секвенирования, чем девятый скаффолд — именно так и должно быть, если этот феминизирующий агент работает в гемизиготе как W-хромосома!

Последнее, что выяснили исследователи, проведя скрещивания с мокрицами из другой популяции с ZZ/ZW-определением пола, — это то, что f-элемент (теперь его можно рассматривать как синоним большой вставки из генов вольбахии) расположен не в исходной половой хромосоме мокрицы, а встроен в бывшую аутосому (неполовую хромосому). Таким образом, у этих ракообразных возникла новая пара половых хромосом.

Полученные результаты подтверждают исходную гипотезу более чем 30-летней давности о смене системы определения пола у мокриц (рис. 3). Заражение феминизирующей вольбахией привело к утрате одной из исходных половых хромосом (W) и переходу на цитоплазматическое определение пола (видимо, за счет бактерий). При этом исходная Z-хромосома функционально стала одной из аутосом. После этого произошла большая вставка генов вольбахии, включая те, что отвечают за феминизирующий эффект (что именно это за гены, пока точно неизвестно) в одну из аутосом, а прекращение инфицирования вольбахией (в этом нет ничего удивительного — такие случаи «излечения» уже известны) привело к восстановлению на новой основе ZZ/ZW-хромосомного определения пола.

В последние годы становится всё отчетливее видно, насколько симбионты, в том числе бактериальные, могут влиять на адаптацию своих хозяев. Исследование французских ученых показывает, что симбионты могут участвовать и в таком «интимном» процессе, как образование половых хромосом. Конечно, пока у нас есть данные только по одному случаю, мы не можем сказать, является ли это распространенным механизмом эволюции или, скорее, биологическим курьезом — для этого нужны новые исследования. Однако теперь мы, по крайней мере, знаем, что такие исследования имеют смысл.

Подготовлено по материалам: Sebastien Leclercq, Julien Theze, Mohamed Amine Chebbi, Isabelle Giraud, Bouziane Moumen, Lise Ernenwein, Pierre Greve, Clement Gilbert, and Richard Cordaux. Birth of a W sex chromosome by horizontal transfer of Wolbachia bacterial symbiont genome // Proceedings of the National Academy of Sciences. December 27, 2016. V. 113. No. 52. P. 15036–15041. Doi: 10.1073/pnas.1608979113.

Сергей Лысенков

Источники:

1. elementy.ru