24.04.2017

Материнская и отцовская забота о потомстве имеют разную генетическую основу

Самцы береговых хомячков Peromyscus polionotus — верные мужья и заботливые отцы, чего не скажешь о самцах оленьих хомячков P. maniculatus. Несмотря на контрастные различия социального и родительского поведения, эти виды очень близки и способны в лабораторных условиях давать плодовитое гибридное потомство. Изучение гибридов позволило частично расшифровать генетические и нейрологические основы родительской заботы. В частности, выяснилось, что высокая экспрессия гена, кодирующего нейропептид вазопрессин, равно как и повышенная активность вазопрессиновых нейронов паравентрикулярного ядра гипоталамуса, подавляют гнездостроительное поведение хомячков, хотя и не уменьшают их привязанность к детенышам. Исследование также показало, что сходные элементы родительского поведения у самцов и самок могут определяться разными наборами генов и эволюционировать независимо друг от друга.

Моногамия и отцовская забота о потомстве — довольно редкие признаки у млекопитающих. Они коррелируют друг с другом (моногамные самцы чаще бывают заботливыми отцами) и неоднократно возникали в разных эволюционных линиях.

Близкородственные виды грызунов с контрастно различающимся брачным и родительским поведением — удобные объекты для изучения эволюции этих поведенческих особенностей.

Еще один подобный объект — белоногие хомячки (род Peromyscus). В эволюции этого рода моногамия и отцовская забота о потомстве возникали как минимум дважды, в том числе — у береговых хомячков P. polionotus (рис. 1). Этот вид обитает в засушливых районах, где из-за суровых условий жизни и низкой плотности популяции самцам оказалось «выгоднее» (с точки зрения распространения своих генов) хранить верность одной самке и помогать ей растить детенышей, чем вести более типичный для самцов млекопитающих образ жизни, нацеленный на максимизацию числа партнерш.

Ближайшие родственники береговых хомячков — широко распространенные оленьи хомячки P. maniculatus — являются типичным промискуитетным видом. На хомячках Peromyscus ранее уже проводились интересные эволюционные исследования.

В отличие от моногамных и полигамных полевок, береговые и оленьи хомячки еще не утратили способность к межвидовой гибридизации. В лабораторных условиях их можно скрестить и получить плодовитое гибридное потомство. Изучение таких гибридов позволило американским биологам получить важные новые данные о генетических основах родительской заботы.

Для начала авторы убедились, что береговые хомячки (P. polionotus) действительно вкладывают больше сил в заботу о потомстве, чем оленьи хомячки (P. maniculatus). Для этого анализировались видеозаписи поведения хомячков в спокойной обстановке (в их родных клетках), а также проводились тесты в стрессовых условиях. Хомячка, у которого недавно родилось потомство, сажали в отдельную клетку и давали ему комок ваты, чтобы он мог построить гнездо. Через 30 минут туда же помещали одного детеныша (вне гнезда). После этого в течение 20 минут отслеживались разнообразные элементы родительского поведения: облизывание, перетаскивание в гнездо (retrieving), прикрывание детеныша собственным телом (huddling) и другие. Опыты подтвердили повышенный уровень родительской заботы у P. polionotus по сравнению с P. maniculatus (рис. 2), причем отцовское поведение у двух видов различается сильнее, чем материнское.

Следующий эксперимент был поставлен, чтобы оценить, в какой мере выявленные различия определяются генами, а в какой — воспитанием. Для этого новорожденных P. polionotus и P. maniculatus, появившихся на свет в один и тот же день, меняли местами, отдавая на воспитание родителям другого вида. Взрослые хомячки всегда без возражений принимали подкидышей и заботились о них не хуже, чем о родных детях. Когда повзрослевшие подкидыши обзаводились собственным потомством, их тестировали на заботливость. Оказалось, что уровень заботливости зависит от видовой принадлежности хомячка, но не от семьи, в которой он вырос. Это значит, что те аспекты родительского поведения, которые авторы смогли измерить и проанализировать, определяются в основном генами, а не воспитанием.

Что же это за гены и как их выявить? С этой целью исследователи скрестили самок P. maniculatus с самцами P. polionotus, а их потомство — гибридов первого поколения (F₁) — скрестили друг с другом. Так было получено 769 гибридных хомячков второго поколения (F₂) с разными комбинациями генов двух исходных видов.

Когда гибриды F2 обзавелись собственным потомством, их протестировали на заботливость, а затем генотипировали (см. Genotyping) при помощи новых эффективных методов Double-digest restriction-site-associated DNA sequencing (ddRAD-seq) и Multiplexed shotgun genotyping (MSG).

Сопоставление генотипов с родительским поведением позволило выявить 12 участков генома (см. Quantitative trait locus), влияющих на те или иные аспекты заботы о потомстве.

Например, на 4-й хромосоме нашелся участок, влияющий на гнездостроительное поведение обоих полов. Если гибридному хомячку этот участок генома достался от моногамного вида P. polionotus, то такой хомячок будет активнее строить гнездо по сравнению с особями, которым данный участок достался от полигамного вида P. maniculatus. Гетерозиготы (то есть гибриды, у которых есть по одной копии каждого из двух генетических вариантов) демонстрируют промежуточный уровень гнездостроительной активности.

Другой участок с такими же свойствами обнаружился на 9-й хромосоме. В этих двух случаях выявленные «локусы количественного признака» одинаковым образом влияют на поведение самцов и самок. Однако это справедливо лишь для четырех локусов из двенадцати. Остальные восемь локусов проявляются у самцов и самок по-разному, то есть либо влияют только на один из полов, либо на оба пола, но в противоположных направлениях. Например, на 5-й хромосоме есть участок, влияющий на интесивность облизывания детенышей. Вариант этого участка, характерный для P. polionotus, снижает облизывательную активность у самок, но повышает ее у самцов. Другой пример — участок 4-й хромосомы, влияющий на склонность к перетаскиванию в гнездо детенышей, обнаруженных вне гнезда. Вариант этого участка, характерный для P. polionotus, усиливает эту склонность у самцов, но не влияет на поведение самок.

Таким образом, исследование показало, что генетический базис материнского и отцовского поведения существенно различается. Одни и те же элементы поведения у самцов и самок могут контролироваться разными наборами генов. Это важный и довольно-таки неожиданный вывод. С одной стороны, он согласуется с тем фактом, что материнское и отцовское поведение эволюционируют во многом независимо друг от друга. Например, очевидно, что отцовская забота о потомстве у P. polionotus — «молодой» признак. Скорее всего, он возник после разделения предков оленьих и береговых хомячков, которое произошло несколько сотен тысячелетий назад. Материнская забота, напротив, уходит корнями в очень далекое прошлое. С другой стороны, если уж в ходе эволюции некий исходно «женский» признак вдруг начал проявляться у самцов, то логично предположить, что это произошло благодаря активации у самцов тех же самых генов, которые отвечают за развитие данного признака у самок. С третьей стороны, для такой активации необходимо модифицировать генетические переключатели, влияющие на то, как половые гормоны регулируют развитие тех или иных отделов мозга. Может быть, какие-то из найденных авторами локусов как раз и содержат такие переключатели. В этом случае логично, что эти локусы по-разному влияют на самцов и самок.

Некоторые из найденных 12 локусов влияют только на один из аспектов родительского поведения, другие — сразу на несколько. Наиболее обособленным в этом плане выглядит гнездостроительное поведение: нашлось целых два локуса, влияющих только на него и ни на что больше. Авторы также заметили, что такие элементы родительской заботы, как облизывание, перетаскивание и прикрывание детеныша своим телом сильно коррелируют друг с другом, тогда как гнездостроительное поведение стоит немного особняком. Скажем, если данный гибридный хомячок отличается повышенной склонностью к облизыванию детенышей, то он, скорее всего, будет и активно перетаскивать их, и накрывать своим телом, однако вовсе не факт, что он при этом будет еще и увлеченным строителем гнезд. И наоборот: активные строители не всегда могут похвастаться высокими показателями по другим аспектам родительского поведения.

Напоследок авторы решили поподробнее разобраться с одним из 12 выявленных локусов, а именно с тем, который располагается на 4-й хромосоме и влияет на гнездостроительное поведение у обоих полов, но не влияет на другие проявления родительской заботы. В пределах этого участка находится целых 498 генов. Это, конечно, не значит, что все они влияют на постройку гнезда: скорее всего, влияет лишь один из них, а большой размер выявленного локуса объясняется низкой разрешающей способностью методов, использованных при его поиске.

Чтобы найти ген, ответственный за межвидовые различия по гнездостроительной активности, авторы измерили у гибридов F₁ уровень экспрессии каждого из 498 генов в гипоталамусе — отделе мозга, играющем ключевую роль в родительском поведении. Оказалось, что только у 9 генов значимо различаются уровни экспрессии материнского и отцовского аллелей. Это значит, что варианты этих генов, характерные для двух видов хомячков, различаются по регуляторным участкам, влияющим на уровень экспрессии в гипоталамусе (это как раз то, чего следует ожидать от искомого гена, влияющего на постройку гнезда).

Таким образом, круг поиска сузился до 9 генов. Один из них, ген Avp, сразу стал «главным подозреваемым» по трем причинам. Во-первых, уровень его экспрессии в гипоталамусе весьма высок у обоих видов. Во-вторых, межвидовые различия по уровню экспрессии именно у этого гена оказались наибольшими. В-третьих, он кодирует не что иное, как нейропептид вазопрессин — важнейший регулятор социального и полового поведения.

Ранее было показано, что уровень вазопрессина отрицательно коррелирует с гнездостроительным поведением у мышей (A. Bult et al., 1992. Differences in the number of arginine-vasopressin-immunoreactive neurons exist in the suprachiasmatic nuclei of house mice selected for differences in nest-building behavior). Чтобы убедиться в негативном влиянии вазопрессина на постройку гнезд, авторы провели дополнительные эксперименты с трансгенными мышами, у которых можно искусственно регулировать активность вазопрессиновых нейронов паравентрикулярного ядра гипоталамуса (с хомячками такие фокусы невозможны, поскольку они не являются модельными видами и для них столь сложные техники пока не разработаны). Всё подтвердилось: искусственное возбуждение вазопрессиновых нейронов подавляет гнездостроительное поведение у мышей, и наоборот, подавление работы этих нейронов способствует активной постройке гнезд.

У полигамных хомячков P. maniculatus уровень экспрессии вазопрессина в гипоталамусе в 2,8 раз выше, чем у моногамных P. polionotus, строящих более качественные гнезда. Таким образом, логично предположить, что гнездостроительное поведение P. polionotus усилилось в ходе эволюции благодаря снижению уровня экспрессии вазопрессина в гипоталамусе (которое, в свою очередь, было вызвано изменением регуляторных участков гена Avp). Чтобы это проверить, исследователи вводили хомячкам P. polionotus в мозг вазопрессин (а другим особям, в качестве контроля, окситоцин или плацебо) и смотрели, как это скажется на постройке гнезда и других аспектах заботы о потомстве. Результаты получились вполне убедительные. Вазопрессин резко снизил интенсивность гнездостроительного поведения как у самцов, так и у самок P. polionotus. Ни плацебо, ни окситоцин такого эффекта не дали. При этом вазопрессин не повлиял на другие аспекты родительского поведения (облизывание, перетаскивание и прикрывание детеныша собой). Это согласуется с результатами генетического анализа, показавшего, что участок 4-й хромосомы, содержащий ген Avp, влияет только на постройку гнёзд, но не на другие проявления родительской заботы.

Таким образом, усиление гнездостроительного поведения у P. polionotus, по-видимому, действительно связано с изменением регуляторной области гена Avp, которое привело к снижению экспрессии вазопрессина в гипоталамусе. Это довольно неожиданный результат, поскольку принято считать, что эволюция отдельных элементов поведения в норме должна идти не за счет изменений генов многофункциональных сигнальных белков или гормонов, а за счет изменений генов рецепторов, реагирующих на эти сигнальные вещества. Казалось бы, вазопрессин — слишком многофункциональный регулятор, чтобы менять его экспрессию ради подстройки какого-то мелкого поведенческого нюанса (подобные вмешательства должны слишком часто приводить к нежелательным побочным эффектам). Однако исследование показало, что такой способ эволюции поведения все же не является запрещенным.

Данная работа представляет собой важный шаг к пониманию общих принципов эволюции поведения. Особенно интересен вывод о том, что одни и те же элементы поведения у самцов и самок могут не только эволюционировать независимо друг от друга, но и иметь разный генетический базис. Не менее интересны данные, свидетельствующие о том, что разные компоненты взаимосвязанного комплекса поведенческих признаков, такого как забота о потомстве, могут иметь как общую, так и индивидуальную генетическую основу, что будет приводить иногда к согласованной, а иногда — к независимой эволюции этих признаков.

Источник: Andres Bendesky, Young-Mi Kwon, Jean-Marc Lassance, Caitlin L. Lewarch, Shenqin Yao, Brant K. Peterson, Meng Xiao He, Catherine Dulac & Hopi E. Hoekstra. The genetic basis of parental care evolution in monogamous mice // Nature. Published online 19 April 2017.

Александр Марков

Источники:

1. elementy.ru