04.09.2017

Межвидовая гибридизация способствует накоплению хромосомных инверсий

Инверсии — это хромосомные перестройки, при которых участок хромосомы поворачивается на 180°. Эволюционное значение инверсий связано в первую очередь с тем, что инверсии затрудняют рекомбинацию — обмен участками гомологичных хромосом при мейозе. Анализ данных по 411 видам воробьинообразных птиц показал, что у близкородственных видов с перекрывающимися ареалами число крупных инверсий повышено по сравнению с видами, ареалы которых не пересекаются. По-видимому, отбор способствует закреплению инверсий у симпатрических видов, способных к гибридизации. Результаты согласуются с гипотезой о том, что инверсии сглаживают вредные последствия межвидовой гибридизации, способствуя сохранению коадаптированных (приспособленных друг к другу) генных комплексов. Благодаря инверсиям гибридное потомство реже получает конфликтующие комбинации генов. С другой стороны, инверсии препятствуют обратному слиянию недавно разделившихся видов, помогая им сохранять свою идентичность даже в условиях частой гибридизации.

1. Полезны или вредны хромосомные инверсии?

Эволюционная роль хромосомных инверсий активно изучается в последние годы. Однако в этом вопросе еще много неясного. В частности, не вполне понятны причины высоких темпов накопления инверсий, которые наблюдаются у ряда организмов.

Вновь возникающие инверсии, по идее, должны снижать приспособленность — а значит, отсеиваться отбором. Есть совсем очевидные случаи: например, если граница повернувшегося на 180° участка хромосомы разрежет пополам какой-то важный ген, то ген выйдет из строя. Такая инверсия, конечно, будет быстро отбракована и не сможет закрепиться в популяции. Но даже если границы инвертированного участка попадут в нефункциональные районы хромосомы, инверсия всё равно создаст определенные проблемы у особей, гетерозиготных по инверсии (то есть таких, у которых в двух гомологичных хромосомах данный участок повернут в разные стороны). Если при мейозе у такой особи рекомбинация (см. Chromosomal crossover) произойдет внутри инвертированного участка, то могут получиться гаметы с неправильным набором генов. Например, если инвертированный участок содержит гены А и B, то одни гаметы могут получить две копии гена А и ни одной копии B, другие — наоборот. Это, скорее всего, плохо скажется на приспособленности потомства.

Впрочем, сам механизм кроссинговера устроен таким образом, что вероятность рекомбинации участков, повернутых в разные стороны, резко снижается. Иными словами, инверсия блокирует рекомбинацию инвертированного участка. Благодаря этому многие инверсии оказываются безвредными (или, по крайней мере, не настолько вредными, чтобы исключить возможность их распространения за счет дрейфа в маленьких популяциях). Аллели, расположенные на инвертированном участке, при этом начинают наследоваться все вместе, единым блоком.

2. Две гипотезы о пользе инверсий

Геномные исследования показали, что в эволюции птиц крупные инверсии фиксируются (то есть не только возникают у какой-то одной особи, но достигают 100-процентной частоты в генофонде вида) довольно часто — в отличие от других крупномасштабных хромосомных перестроек, таких как транслокации (переносы участков с одной хромосомы на другую), слияние или разделение хромосом. Это наводит на мысль, что инверсии, возможно, оказываются полезными (или, что то же самое, поддерживаются отбором) чаще, чем принято считать.

Вопрос о том, в чем состоит эта предполагаемая польза, далек от разрешения. С одной стороны, она может быть никак не связана с блокировкой рекомбинации. Например, инверсия может привести к тому, что какие-то гены, оказавшись в ином окружении, будут регулироваться более выгодным для организма образом.

С другой стороны, совместное наследование комплекса аллелей, обеспечиваемое низкой частотой рекомбинации, тоже может оказаться полезным, если аллели хорошо «притёрты» друг к другу и лучше всего выполняют свои функции именно в такой комбинации. Допустим, на хромосоме по соседству расположены два гена A и B, и у каждого есть по два аллельных варианта. При этом аллель А₁ хорошо работает в компании с B₁, а А₂ — в сочетании с B₂. Другие комбинации (А₁B₂ и А₂B₁) работают хуже или даже вовсе не работают. В таких случаях говорят о «генетической несовместимости» (genetic incompatibility) или конфликте аллеля А₁ с аллелем B₂ (а А₂ — с B₁). Такая ситуация часто складывается при скрещивании близкородственных видов, уже успевших накопить в своих генофондах взаимно несовместимые аллели, но еще способных к гибридизации.

В этом случае инверсия может оказаться полезной как раз потому, что она блокирует рекомбинацию. Если у представителя одного из гибридизующихся видов (например, вида с генотипом А₁B₁) данный участок хромосомы подвергнется инверсии, то он не будет рекомбинировать с альтернативным генотипом А₂B₂, характерным для второго вида. Следовательно, если особь с инверсией скрестится с чужаком, то гаметы гибридного потомства будут содержать только «правильные» комбинации аллелей. Если же с чужаком скрестится особь, не имеющая инверсии, то у гибридных потомков часть гамет будет нести конфликтующие наборы аллелей. Соответственно, приспособленность (эффективность размножения) гибридного потомства у особи с инверсией окажется выше — а значит, отбор будет способствовать распространению инверсии (конечно, при условии, что межвидовая гибридизация действительно имеет место).

3. Проверяемые следствия

Из разных гипотез о механизмах распространения инверсий вытекают разные проверяемые следствия. Если основным механизмом является генетический дрейф, а польза инверсий не играет существенной роли, то скорость фиксации инверсий в видовом генофонде не должна коррелировать ни с численностью популяции (см. курс лекций А. В. Маркова «Введение в науки о жизни», раздел «Нейтральные мутации и дрейф генов»), ни с перекрыванием видовых ареалов. Если же инверсии распространяются в основном под действием отбора (благодаря своей полезности), то возможны два варианта. Здесь всё будет зависеть от того, какова природа приносимой инверсиями пользы.

Если эта польза не связана с блокировкой рекомбинации, а связана, например, с выгодным изменением регуляции генов, то полезные инверсии, по идее, должны вести себя в ходе эволюции так же, как и все прочие редкие полезные мутации. А именно, скорость их накопления должна положительно коррелировать с численностью популяции (потому что чем больше выборка, тем чаще в ней, при прочих равных, будут происходить маловероятные события, такие как возникновение полезной мутации). Перекрывание ареалов близкородственных видов в этом случае не должно ускорять фиксацию инверсий. Более того, если польза инверсий не зависит от генетического контекста, то инверсии должны легко пересекать межвидовые границы в зонах гибридизации, то есть легко проникать из одного видового генофонда в другой и свободно распространяться там. В этом случае можно ожидать, что у симпатрических близкородственных видов будет не больше, а, скорее, даже меньше различий по инверсиям, чем у аллопатрических (проживающих на разных территориях).

Если же польза инверсий — в защите коадаптированных генных комплексов от распада и перемешивания, то следует ожидать, что инверсии будут быстрее всего накапливаться не в самых больших популяциях, а в тех, которые реально подвергаются угрозе такого распада и перемешивания. В первую очередь — в симпатрических популяциях близкородственных видов.

4. Инверсии у воробьинообразных

Эволюционные биологи из Чикагского университета Дэниел Хупер (Daniel M. Hooper) и Тревор Прайс (Trevor D. Price) проверили эти предсказания на основе данных о крупных хромосомных инверсиях у воробьинообразных (отряд Passeriformes). Ранее они пытались провести такую проверку на 32 видах вьюрковых ткачиков, представляющих лишь одно из семейств воробьинообразных. Оказалось, что в этом семействе частота фиксации инверсий положительно коррелирует как с численностью вида (которую приблизительно оценивали по площади ареала), так и с перекрыванием видовых ареалов. Это позволило отвергнуть гипотезу о дрейфе как об основном механизме распространения инверсий. Однако вопрос о природе пользы, приносимой фиксирующимися инверсиями, остался открытым. Дело в том, что у вьюрковых ткачиков площади ареалов положительно коррелируют со степенью их перекрывания, а малый размер выборки не позволил понять, какой из факторов в конечном счете важнее (D. M. Hooper, T. D. Price, 2015. Rates of karyotypic evolution in Estrildid finches differ between island and continental clades).

В новой статье, опубликованной в журнале Nature ecology and evolution, Хупер и Прайс рассмотрели более представительную выборку, включающую 411 видов воробьинообразных из 59 семейств. Анализировались только крупные перицентрические (то есть захватывающие центромеру) инверсии, которые можно обнаружить, просто разглядывая хромосомы под микроскопом. Полных геномных данных, позволяющих выявить все инверсии, по большинству рассмотренных видов пока нет.

Наложив данные по инверсиям на эволюционное дерево (которое для воробьинообразных надежно реконструировано по молекулярным и палеонтологическим данным), авторы оценили скорость фиксации инверсий в разных линиях (рис. 2). Оказалось, что эта скорость сильно варьирует: в одних линиях ни одной инверсии не закрепилось за 28 млн лет, тогда как в других инверсии фиксировались в среднем каждые 500 или даже 200 тысяч лет.

5. Перекрывание видовых ареалов — лучший предиктор числа инверсий

Для дальнейшего анализа была отобрана 81 клада (независимая веточка эволюционного дерева), куда попало в общей сложности 284 вида из 411. Клады отбирались по определенным критериям: в частности, каждая клада должна включать не менее трех видов, эти виды должны быть близкородственными (время расхождения не более 15 млн лет), вся дивергенция клады должна быть приурочена к одному континенту, все виды должны иметь один и тот же тип питания (зерноядные, насекомоядные, всеядные и т. д.) Для каждой клады вычислили общую длину ветвей (она отражает суммарное время существования видов), среднюю площадь видовых ареалов, среднюю величину их перекрывания, а также учитывали ряд экологических показателей.

Статистический анализ этих данных, выполненный с использованием нескольких альтернативных подходов, показал, что число инверсий в кладе тесно связано только с двумя факторами: длиной ветвей и степенью перекрывания видовых ареалов. Площади ареалов (которые использовались в качестве грубой оценки численности вида) сами по себе, по-видимому, не влияют на скорость фиксации инверсий. Они могут быть связаны с ней лишь опосредованно — за счет того, что, при прочих равных, обширный ареал будет с большей вероятностью перекрываться с каким-нибудь другим ареалом. Длина ветвей отражает время существования видов. Если же говорить о скорости фиксации инверсий (то есть о числе инверсий, фиксирующихся за миллион лет), то эта величина, судя по полученным результатам, определяется в первую очередь степенью перекрывания ареалов близкородственных видов.

Типичная ситуация показана на рис. 1, где представлена история фиксации инверсий в одной из рассмотренных клад — у зеленушек (род Chloris). Один из трех видов клады, C. chloris, имеет обширный ареал, не пересекающийся с ареалами близких видов. В соответствии с этим у данного вида число зафиксировавшихся инверсий равно нулю. Два других вида, C. ambigua и C. sinica, имеют частично перекрывающиеся ареалы. При этом известно, что в зоне симпатрии (совместного проживания) между ними происходит гибридизация. Эти виды разделились 2,2 млн лет назад: за такое время между видами птиц, как правило, полная генетическая несовместимость не успевает развиться (в исследованной выборке есть гибридизующиеся виды, разошедшиеся 5–7 млн лет назад, причем нужно учитывать, что гибридизация может стать причиной заниженных оценок времени дивергенции — то есть на самом деле эти пары видов могли разойтись существенно раньше). В соответствии с этим у C. ambigua зафиксировалось три инверсии, у C. sinica — одна, так что общее число различий по инверсиям между ними стало равно четырем. Аналогичная картина наблюдается и в других кладах: инверсии чаще всего фиксируются у симпатрических родственных видов, которые либо гибридизуются сейчас, либо могли гибридизоваться в недавнем прошлом. Что касается площади ареалов, то в данном случае она явно не оказывает положительного влияния на число инверсий. Даже наоборот: у вида с самым обширным ареалом инверсий меньше всего, а вид с наименьшим ареалом оказался чемпионом по инверсиям в данной кладе. При этом время, в течение которого инверсии могли накапливаться, одинаково для всех трех видов клады.

Авторы также использовали имеющиеся геномные данные, чтобы проверить гипотезу о том, что на скорость фиксации инверсий сильно влияет скорость их появления. В таком случае фиксированные (достигшие 100-процентной частоты в генофонде) инверсии должны чаще встречаться в тех участках генома, где инверсии чаще возникают, — например, в районах с большим количеством повторяющихся нуклеотидных последовательностей. Это, однако, не подтвердилось. Напомним, что исследовались только очень крупные инверсии, заметные под микроскопом. Вполне возможно, что с мелкими инверсиями дело обстоит иначе (как на то указывают результаты ряда исследований в области сравнительной геномики). Ну а скорость фиксации крупных инверсий, по-видимому, определяется всё же отбором, а не мутагенезом.

6. Инверсии защищают молодые виды от вредных последствий гибридизации

Таким образом, полученные Хупером и Прайсом результаты согласуются с гипотезой о том, что отбор поддерживает инверсии у близких видов, способных к гибридизации, если их ареалы перекрываются, то есть в том случае, когда существует реальная опасность смешивания и разрушения коадаптированных генных комплексов. Очевидно, из этого следует, что польза, приносимая фиксирующимися инверсиями, связана в первую очередь с блокировкой рекомбинации.

Дополнительным аргументом в пользу этого является обнаруженная авторами повышенная частота фиксации инверсий на половой хромосоме Z. Эта хромосома имеется в двух экземплярах у самцов птиц и в одном — у самок (см. ZW-определение пола). Давно известно, что конфликты между генами двух гибридизующихся видов наиболее опасны для гибридного потомства в том случае, если несовместимые гены находятся на рекомбинирующей половой хромосоме (у млекопитающих это хромосома Х, у птиц — Z). При этом страдает в первую очередь приспособленность гетерогаметного пола. У млекопитающих это самцы, у которых только одна Х-хромосома, у птиц — самки, у которых только одна Z-хромосома (см. Haldane’s rule). У гетерогаметного пола конфликтующие гены, сидящие на хромосоме X или Z, присутствуют в единственном экземпляре, и поэтому конфликт сразу проявляется в фенотипе. У гомогаметного пола есть еще вторые копии этих генов, сидящие на второй половой хромосоме. Они могут сгладить конфликт или вовсе не дать ему проявиться (в этом случае говорят о рецессивной несовместимости). Поэтому, если идеи авторов верны, следует ожидать, что отбор будет сильнее всего поддерживать инверсии именно на хромосоме Z, что и подтверждается.

Что касается «непарной» половой хромосомы W, которая есть только у самок и всегда в одном экземпляре, то на ней у воробьиных птиц крупные инверсии тоже фиксируются с повышенной частотой. Это уже нельзя объяснить пользой от блокировки рекомбинации, потому что хромосома W, подобно Y-хромосоме млекопитающих, и так ни с чем не рекомбинирует (за исключением маленького участка, гомологичного кусочку хромосомы Z). Но непарные половые хромосомы вообще эволюционируют не так, как остальные хромосомы. Ведь они фактически размножаются клонально, как геномы каких-нибудь бактерий, и поэтому в них повышена частота фиксации слабовредных мутаций. К тому же в W-хромосоме очень много повторов, что способствует возникновению инверсий.

Впрочем, полученные авторами данные о связи между симпатрией и фиксацией инверсий можно истолковать и по-другому. Дело в том, что, препятствуя рекомбинации, инверсии мешают генофондам двух гибридизующихся видов слиться обратно в единый генофонд. Иными словами, инверсии защищают молодые виды от коллапса — обратного слияния в один вид. В таком случае можно предположить, что повышенное число инверсий у симпатрических видов объясняется не тем, что симпатрия делает инверсии выгодными (то есть создает предпосылки для распространения инверсий под действием отбора), а тем, что инверсии повышают шансы симпатрических видов не коллапсировать. Поэтому те симпатрические виды, у которых было мало различий по инверсиям, слились, а те, у кого инверсий было много, — сохранились как отдельные виды.

Это альтернативное объяснение не может быть отвергнуто на основе имеющихся данных, хотя авторы считают его несколько менее правдоподобным, чем их основная гипотеза о положительном влиянии симпатрии на распространение инверсий. Ведь если накопление инверсий — не результат симпатрии, а лишь причина сохранения видовой идентичности в условиях симпатрии, то вопрос о механизмах, способствующих накоплению инверсий (в том числе в условиях аллопатрии), так и остается без ответа. Впрочем, авторы допускают, что обе версии могут быть верны одновременно. То есть инверсии, с одной стороны, распространяются в условиях симпатрии под действием отбора, потому что сглаживают вредные последствия гибридизации, а с другой — не дают двум генофондам полностью смешаться, помогая видам сохранять свою идентичность.

7. Могут ли «зарождающиеся виды» так и остаться «зарождающимися»?

Если инверсии действительно являются одновременно и фактором, делающим гибридизацию менее вредоносной, и одной из причин сохранения симпатрическими видами своей идентичности, то вырисовывается крайне интересная картина. Возможно, инверсии являются одним из механизмов, обеспечивающих длительное стабильное сосуществование гибридизующихся видов, которые не могут ни окончательно разойтись, ни окончательно слиться. Похоже, некоторые виды могут оставаться в таком «подвешенном состоянии» в течение миллионов лет. Удивительный пример устойчивого сосуществования «недоразделившихся» видов недавно обнаружили финские энтомологи, изучающие рыжих лесных муравьев (Formica rufa species group). Как выяснилось, гибридизующиеся виды Formica aquilonia и F. polyctena (это самые обычные, широко распространенные лесные муравьи, строящие большие муравейники) не могут ни до конца разделиться, ни слиться в один вид, потому что отбор благоприятствует гибридным самкам, но при этом беспощадно отбраковывает гибридных самцов (J. Kulmunia, P. Pamilo, 2014. Introgression in hybrid ants is favored in females but selected against in males). Следует пояснить, что самцы у муравьев даже не гетерогаметные, а вообще гаплоидные, поэтому у них сразу проявляются все генетические конфликты, на какой бы хромосоме они ни находились.

Рассмотренное исследование вносит важный вклад в понимание роли инверсий в видообразовании. Поскольку данная тема сейчас стала весьма популярной, новые открытия в этой области вряд ли заставят себя долго ждать.

Подготовлено по материалам: Daniel M. Hooper & Trevor D. Price. Chromosomal inversion differences correlate with range overlap in passerine birds // Nature Ecology & Evolution. Published online 28 August 2017.

Александр Марков

Источники:

1. elementy.ru