Адаптация к местным условиям

Вкладка 1. Что такое хромосомные инверсии?

Инверсии – многообразный класс хромосомных мутаций. Большинство из них – небольшие (< 1 кБ). Другие, например знаменитая 3RP инверсия Drosophila melanogaster, имеют размер в несколько мегабаз, включая в себя несколько процентов всего генома и разворачивающая сотни или тысячи генов [10].

Инверсии делят на два класса: перицентрические инверсии, захватывающие центромеру и парацентрические – не захватывающие. При перицентрических инверсиях одиночный кроссовер, произошедший между двумя точечными разрывами приводит к образованию несбалансированных гамет, которые несут делеции, инверсии и могут иметь одну или две центромеры. Это может снизить фертильность, сделав инверсии субдоминантными (пониженная жизнеспособность гетерозигот). Некоторые перицентрические инверсии несомненно избегают снижения жизнеспособности в гетерозиготном состоянии, вероятно благодаря тому, что они тем или иным образом подавляют рекомбинацию [33]. Несмотря на всё это, небольшое количество возникающих перицентрических мутаций закрепляются в потомстве. Существуют большие систематические различия между таксонами в частоте мутаций и их влиянии на жизнеспособность. К примеру, гетерозиготы по инверсиям у растений гораздо чаще имеют пониженную жизнеспособность, чем у животных [10].

В то же время, многие парацентрические инверсии, найденные в природе, не испытывают негативного влияния субдоминантности. Это, вероятно, главная причина, почему их обнаруживается на несколько порядков больше, нежели перицентрических инверсий, как внутри вида, так и при анализе закрепившихся отличий между видами [33].

Инверсии были впервые показаны на гигантских политенных хромосомах слюнных желез мух и Двукрылые по-прежнему остаются группой в которой крупные инверсии могут быть легко обнаружены. Методики окрашивания хромосом способны визуализировать инверсии у некоторых других групп, включая млекопитающих, но с намного меньшим разрешением (и с большим трудом). Предположить наличие инверсии можно, когда при каком-то скрещивании стабильно наблюдается отсутствие рекомбинации в части генома, но подобные наблюдения требуют наличия картированных генетических маркеров. Секвенирование – третий путь, который позволяет выявить инверсии. Секвенирование коротких последовательностей, характерное для современных высокопроизводительных методов секвенирования, удобно в тех случаях, когда уже известны точки разрыва, но эта технология малоприменима для поиска новых инверсий.

Инверсии и рекомбинация

Ключевой эволюционный эффект инверсий состоит в том, что, в гетерозиготном состоянии, они подавляют рекомбинацию (рис. 2). Подавление возникает вследствие потери несбалансированных гамет, которые возникают при рекомбинации (Вкладка 1), невозможности слияния инвертированных регионов у гетерозигот, а также возможно каких-то других, еще неизвестных механизмов. Крупные инверсии в гетерозиготном состоянии дают низкие (но всё же положительные) показатели рекомбинации, что объясняется двойным кроссинговером и конверсией генов, но эти показатели на несколько порядков меньше, чем у гомозигот. Тем не менее, когда речь идет о промежутках в 10⁵ поколении и более, даже при очень ограниченной рекомбинации, мутации становятся важным источником генетического разнообразия внутри инвертированных участков, которые берут начало от одной хромосомы и следовательно не различаются вне зависимости от того когда они впервые возникли.

Единственный путь визуализировать эволюционные свойства инверсий – это проведение аналогий. Следует учесть, с одной стороны, сходство популяций с инвертированными и не инвертированными хромосомами, и, с другой стороны, сосуществование двух биологических видов. Внутри каждого вида имеет место нормальное Менделевское наследование. Между ними, однако, имеет место небольшой генетический обмен, благодаря редким случаям межвидовой гибридизации (причем в редких случаях возможна рекомбинация между инвертированной и неинвертированной хромосомой). Экологическая конкуренция между двумя видами (например при различии в жизнеспособности видов с двумя формами хромосомы) может привести либо к сосуществованию двух видов (то есть к устойчивому полиморфизму) или к вытеснению одного вида другим (то есть к фиксации одной из форм хромосомы).

Как развивается инверсия?

Как и другие типы мутаций, инверсии развиваются под действием отбора и случайного дрейфа. Многие инверсии, чрезвычайно маленькие в межгенных участках, вероятно развиваются нейтрально (только под действием дрейфа). Отбор может приводить к трем ситуациям. Инверсии могут вызвать структурные проблемы в мейозе, как например некоторые перицентрические инверсии. В другом случае, точка разрыва может сдвинуть рамку считывания или изменить экспрессию гена. Последствия могут быть вредоносными, как например, при некоторых болезнях человека [6], но в других случаях это может привести к мутации повышающей адаптацию. Наконец, она может влиять на инверсию таким образом, что имеется один или несколько преимущественно отбираемых аллелей.

Многие перицентрические мутации субдоминантны (см. Вкладку 1), что представляет собой эволюционную загадку. Субдоминантная инверсия будет подвергаться негативному отбору со скорость обратно пропорциональной её частоте.

Близкородственные виды часто имеют зафиксированные различия, что, тем не менее, предполагает, что инверсия появилась и распространилась в одной из линий от какого-то общего предка. Некоторые исследователи объясняют это явление дрейфом генов [7, 8]. Одним из подтверждений этой гипотезы является то, что однолетние растений показывают высокие показатели эволюции субдоминантных хромосомных перестроек [9, 10]. У многих однолетних растений происходят большие демографические колебания и, по крайней мере, иногда происходит самоопыление. Оба этих фактора значительно снижают эффективную численность популяции и, таким образом, увеличивают влияние дрейфа генов.

И наоборот, инверсии могут вызвать сверхдоминирование (преимущество гетерозигот) [2]. Генетическая основа сверхдоминирования, вероятно, не определялась любой инверсией. В принципе, это может быть результатом эффекта точечных разрывов. Как вариант, это может быть связано со сверхдоминированием в локусе, находящимся внутри инверсии, если один аллель зафиксировался на не инвертированной хромосоме, а другой – на инвертированной. Третья гипотеза – это так называемое «ассоциативное сверхдоминирование». В этом случае инверсия захватывает один или более вредоносных рецессивных аллелей, что вероятно для крупной инверсии [11]. Если инверсия в остальном имеет эволюционное преимущество, что бывает редко, она может распространяться до тех пор, пока их частота не станет достаточной для того, чтобы возместить это преимущество. В результате образуется система со сбалансированным полиморфизмом как при обыкновенном сверхдоминировании.

Некоторые инверсии приводят к явлению мейотического дрейфа: гаметы несут инверсию в более чем 50% случаев. Системы мейотического дрейфа часто несут пару взаимодействующих локусов, которые должны наследоваться совместно, что позволяет этой системе распространятся в популяции. Инверсия может приводить к супрессии рекомбинации, которая, в обратном случае разрушила бы систему мейотического дрейфа, и к распространению аллелей с этой системой.

Одна из причин, почему эволюционисты сходят с ума по инверсиям в том, что у некоторых видов они отличаются высоким разнообразием [2]. Полиморфные инверсии вероятно не являются древними, по крайней мере у мух, их возраст составляет 10⁶ поколений [13]. Крайне интересно, почему существуют огромные различия в уровнях полиморфизма и темпах фиксации для инверсий между близкородственными видами и внутри видов, например у дрозофиллы [4].

Половые хромосомы.

Инверсии сыграли ключевую роль в эволюции половых хромосом. В таких группах как млекопитающие, Y хромосома совершенно не рекомбинирует с X хромосомой на всей длине. Типы молекулярной вариации показали, что на ранних стадиях эволюции Y хромосомы млекопитающих произошла серия последовательных инверсий, которые привели к увеличению доли нерекомбинирующей области Y хромосомы [14].

Почему эволюция делала это? Многие гены, по-видимому, находятся под действием «поло-антагонистического отбора», то есть разные аллели благоприятны для женщин и мужчин. Теория говорит о том, что отбор направлен в сторону снижения рекомбинации между генами находящимися под действием такого отбора и локусом, который детерминирует пол [15, 16]. Не сложно увидеть почему: хромосома, определяющая мужской пол всегда несет аллель поддерживающий жизнеспособность мужских особей имеет преимущество перед альтернативным аллелем, который благоприятен для женских особей. Таким образом, инверсия, которая захватывает и фактор, определяющий мужской пол и аллель, благоприятный для мужских особей в другом локусе, будет распространяться. Серия инверсий может дополнительные локусы, связывая их в более крупный нерекомбинирующий блок, как, по всей видимости, и произошло с Y хромосомой млекопитающих. Тогда же, когда инверсии генетически отделили Y от X, Y хромосома эволюционировала дальше в бесполую генетическую структуру. Последовательность эволюционных механизмов привела Y хромосому к дегенерации – это следствие таких явлений, как дрейф генов («трещетка Мюллера») и вредоносные мутации, которые постепенно закрепляются, благодаря сцеплению с полезными мутациями. В случае млекопитающих и мух это привело к «генетической пустыне» на Y хромосоме, потере почти всего её генетической информации [17].

Многие (возможно большинство) группы животных и растений обладают половыми хромосомами не показывающими существенных различий между X и Y хромосомами, как это бывает у млекопитающих. У трехиглой колюшки, к примеру, большинство рекомбинаций и других действий половых хромосом осуществляется как у аутосом. В действительности, они и были аутосомами до недавнего времени: пол у родственных ей видов определяется совершенно другой парой хромосом [18]. Теория предполагает как это осуществляется: инверсия, которая захватывает одновременно мутацию определяющую пол и поло-антогонистичный локус на аутосоме может образовать новую половую хромосому, которая может перехватить функцию детерминации пола у прежних половых хромосом [19].

В соответствии с этим предположением, регион новой Y хромосомы детерминирующий пол, у трехиглой колюшки несет инверсию. Возможно, у Y хромосомы не было достаточно времени для того, чтобы накопить инверсии в оставшейся части её длины, как это произошло у млекопитающих.

Видообразование

Инверсии приводят к видообразованию в нескольких случаях. Существует интересное наблюдение, что темпы эволюции хромосом и видообразования возможно коррелируют [20], но эта модель не говорит нам о том какой из этих факторов является причиной, а какой следствием, или, быть может, они оба являются следствием некоего третьего фактора. Некоторые исследователи, например знаменитый M.J.D. White [21], выдвигают предположение о том, что фиксация различий по инверсиям важна для эффектов постзиготической изоляции в связи с эффектами субдоминирования. Проблема этой гипотезы в том, что, при сильном субдоминировании, дрейф генов будет негативно сказываться на зафиксированных инверсиях [22].Тем не менее, при благоприятствующих демографических условиях (например, частые колонизации и вымирания) и жизненных циклах (например, самоопыление и близкородственные скрещивания), как показано на моделях, в популяциях могут зафиксироваться хромосомные перестройки, которые в гетерозиготном состоянии существенно снижают жизнеспособность организмов [8].

Вне зависимости от того как образуются зафиксированные различия между популяциями, мы ожидаем образования горячих точек аккумуляции различий и генов, на которые положительно действует отбор, что приводит к несовместимости между видами [23]. Это одно из объяснений интригующего факта, наблюдаемого на подсолнечнике [24] и мухах [25]: локусы вовлечены одновременно в пред- и постзиготическую изоляционную карту к инверсиям, которые разделяют близкородственные сорта.

Альтернативная гипотеза состоит в том, что инверсии, на самом деле, фиксируются благодаря адаптивны различиям, которые еще до инверсии существовали в одном из этих локусов. Это гипотеза основывается на адаптации к местным условиям, на которой мы сейчас остановимся подробнее.

Адаптация к местным условиям

Четкий признак того, что инверсии вовлечены в процесс адаптации, получен путем географического варьирования их частоты. Яркий пример этого – инверсия 3RP у Drosophila melanogaster, которая дает параллельные широтные градиенты на трех континентах [26]. Более того, их частоты остаются довольно постоянными при климатических изменениях на протяжении 20 лет [27]. Другие примеры градиентов инверсий, коррелирующих с градиентами природных условий наблюдались у нескольких видов Anopheles, комара - переносчика малярии в Африке [28].

Адаптация к местным условиям – это ситуация при которой разные гены более благоприятны при разных условиях. Инверсия, которая захватывает два или более аллелей, которые адаптированы к местным условиям и дают преимущество при отборе, которое, таким образом, способствует распространению этой инверсии [29]. Этот эффект приводит к подавлению рекомбинации: новая инверсия несет только аллели, адаптированные к местным условиям, в то время как организмы с перестройками несут смеси генов хорошой и плохой приспособленности. Отсутствие эпистаза необходимо инверсии для получения преимущества, при котором механизмы адаптации к местным условиям работают даже в тех случаях, когда локусы отвечают за приспособляемость к различным факторам среды. Это одна из причин почему механизм адаптации к местным условиям возможно работает гораздо чаще, чем другие гипотетические механизмы, что зависит, например, от тонкого баланса генетического взаимодействия, приводящему к образованию инверсий.

Механизмы адаптации к местным условиям могут также начать действовать после гибридизации двух видов: аллели внутри каждого вида адаптированны к этой генетической среде, точно также как гены внутри видов адаптированы к разному экологическому давлению. Это может объяснить, почему пары видов дрозофилы, являющиеся симпатрическими и потому имеющие возможность скрещиваться, отличаются по инверсиям чаще, чем аллопатрические пары [25]. Теория эволюции половых хромосом, описанная выше, может также быть рассмотрена как пример механизма адаптации к местным условиям, с мужскими и женскими особями, функционирующими как две среды отбора. В сущности, эти гипотезы сводятся к тому, что инверсии распространяются потому, что они препятствуют рекомбинации между разделенными наборами аллелей, которые хорошо работают в определенных условиях окружающей среды или у определенного пола. С того момента, когда рекомбинация начинает нормально идти внутри популяций с инвертированными и не инвертированными хромосомами, инверсии в состоянии избавиться от многих вредных последствий воздействия других генетических механизмов, которые накопились за время, когда рекомбинация была полностью остановлена [30].