Міжвидова гібридизація у меченосців підвищує ризик злоякісних новоутворень

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 58

Ріс. 1. Дві пари видів меченосців, у яких в ролі «гена видоутворення» виступає ген xmrk, що бере участь у формуванні чорних плям і викликає меланому у гібридів. Вгорі: Xiphophorus maculatus і X. hellerii, що розділилися 3 млн років тому і гібридизуються тільки в лабораторії. Внизу: X. birchmanni і X. malinche, що розділилися менше мільйона років тому і гібридизуються в природі. У кожній парі у першого виду є ген xmrk, у другого — ні. Фото з сайтів encyclo-fish.com, web.forumacvarist.ro, inaturalist.ca

Незважаючи на активне вивчення процесу видоутворення в природі і лабораторії, досі вдалося виявити лише дуже невелике число генів, відповідальних за знижену пристосованість міжвидових гібридів (так званих «генів видоутворення»). Колектив біологів з США, Німеччини та Мексики поповнив цю колекцію новим красивим прикладом. Як з’ясувалося, міжвидовій гібридизації у риб-меченосців перешкоджає ген xmrk, функція якого пов’язана з формуванням чорних плям на тілі і плавниках. Цей ген, розташований на 21-й хромосомі, нормально працює тільки в парі з додатковим регулятором, розташованим на 5-й хромосомі. Якщо гібридний нащадок отримує ген xmrk від одного з батьківських видів, а додатковий регулятор — від іншого, то замість чорних плям у нього з великою ймовірністю розвивається злоякісна меланома.

Формування генетичної несумісності між роз’єднаними популяціями (післязіготичної репродуктивної ізоляції, див. Post-zygotic isolation) відіграє важливу роль у видоутворенні. Постзіготична ізоляція проявляється в зниженій пристосованості гібридного потомства (аж до стерильності гібридів або їх повної нежиттєздатності). В основі її формування лежить накопичення в роз’єднаних генофондах генетичних варіантів (алелей), які не перевірялися відбором на сумісність один з одним, і тому з якоюсь ймовірністю серед них можуть виявитися конфліктуючі пари. Згідно класичної моделі Ф. Г. Добржанського і Г. Д. Меллера, генетична несумісність повинна наростати пропорційно квадрату часу, що минув з моменту поділу генофондів (див.:Генетична несумісність наростає по параболі, «Елементи», 26.09.2010).

Незважаючи на активне вивчення молекулярно-генетичних основ видоутворення, досі вдалося виявити лише дуже небагато — менше двох десятків — так званих «генів видоутворення», тобто конкретних конфліктуючих генів, що вносять значний внесок у зниження пристосованості міжвидових гібридів. Через це поки важко судити про загальні закономірності, тобто, наприклад, про те, які гени частіше за інших опиняються в ролі «генів видоутворення» і чому.

У хребетних на сьогоднішній день знайдено всього лише два «гена видоутворення». Про один з них, Prdm9, розказано в новині «Ген видоутворення» не дозволяє хромосомам рватися в недозволених місцях («Елементи», 18.06.2012). Деякі комбінації алелей Prdm9 з іншими генами призводять до безпліддя міжвидових гібридів у мишей.

Другий ген, xmrk, викликає злоякісні новоутворення (меланоми) у гібридів другого покоління риб-меченосців Xiphophorus maculatus і Xiphophorus hellerii. Меланоми розвиваються з природних темних плям на тілі і плавниках, які характерні для першого з двох видів (рис. 1). Раніше було показано, що виною всьому конфлікт між геном xmrk меченосца X. maculatus і якимось невстановленим геном, розташованим на п’ятій хромосомі X. hellerii.

Ген xmrk виник у меченосців приблизно 3 млн років тому в результаті дупликації гена egfrb, кодуючого рецептор епідермального фактора зростання (див. Epidermal growth factor receptor). Функції xmrk, мабуть, пов’язані з регуляцією поділу меланоцитів і формуванням чорних плям на тілі і плавниках риб.

Втім, роль xmrk у видоутворенні у меченосців досі залишалася спірною (M. Schartl, 2008. Evolution of Xmrk: an oncogene, but also a speciation gene?). Справа в тому, що X. maculatus і X. hellerii розділилися давно — теж близько 3 млн років тому, і в природі вони вже не гібридизуються. До того ж меланома у лабораторних гібридів розвивається в досить пізньому віці. Тому неясно, наскільки вона знижувала б репродуктивний успіх гібридів у природній обстановці.

Стаття колективу дослідників із США, Мексики та Німеччини, опублікована в журналі Science, проливає нове світло на механізми післязіготичної ізоляції у меченосців і роль гена xmrk у розвитку меланоми у гібридів. Автори виявили, що від меланоми страждають багато особин у гібридних популяціях, де відбувається природна гібридизація двох інших видів меченосців: X. birchmanni і X. malinche (рис. 1). Ці види розійшлися набагато пізніше, ніж X. maculatus і X. hellerii, — менше мільйона років (250 000 поколінь) тому. Вони іноді гібридизуються в мексиканських річках.

У багатьох особин X. birchmanni, особливо у самців, на хвості є чорна пляма, відсутня у X. malinche. Розвиток цієї ознаки, мабуть, стимулюється чоловічими статевими гормонами, тому у більшості самок чорні плями відсутні. У самців з гібридних популяцій чорна пляма зустрічається набагато частіше, ніж у чистокровних X. birchmanni. У гібридних самців чорна пляма швидко росте і нерідко перетворюється на злоякісну меланому, руйнуючу тканини хвоста (рис. 2). Частота зустрічності меланоми у самців у гібридних популяціях сягає 19%. У чистокровних X. birchmanni меланому розвивається вкрай рідко (з 1296 спійманих авторами диких самців її не виявилося ні в кого).

Ріс. 2. Міжвидова гібридизація X. malinche і X. birchmanni веде до підвищеної частоти зустрічності чорної плями на хвості у гібридів, причому у багатьох особин пляма перетворюється на меланому. A — X. malinche (вгорі), X. birchmanni з маленькою чорною плямою на хвості (в середині) і гібридна особина з меланомою (внизу). B — частота зустрічуваності чорної плями на хвості (фенотип «spotted caudal») в трьох гібридних популяціях (AGCZ — Aguazarca, CALL — Calnali Low, CHAF — Chahuaco Falls) вище, ніж у чистокровних X. birchmanni, а цей xe. D — графік, що показує, що площа чорної плями у гібридів зростає з віком набагато швидше, ніж у чистокровних X. birchmanni. E — поперечний зріз хвоста, ураженого меланомою. Видно, що чорні клітини меланоми (відзначені синіми зірочками) проникли всередину хвоста і зайняли простір між поступово деградуючими пучками м’язів. Зображення з обговорюваної статті в Science

В даному випадку не доводиться сумніватися в тому, що меланома знижує пристосованість гібридів в природних умовах (на відміну від ситуації з вивченими раніше X. maculatus і X. hellerii). По-перше, у багатьох гібридних самців меланому розвивається ще до настання статевої зрілості. По-друге, багаторічні спостереження за гібридними популяціями показали, що з віком частота зустрічуваності чорної плями на хвості у самців знижується. Поряд з іншими даними (в тому числі генетичними), це говорить про знижену виживаність гібридних самців з чорною плямою на хвості, тому що пляма схильна перетворюватися на меланому.

Автори зробили логічне припущення, що в цій парі видів, як і у досліджених раніше X. maculatus і X. hellerii, меланома розвивається у гібридів через конфлікт між якимись генами схрещуваних видів. Тепер ці гени потрібно було знайти.

Для початку вчені відсеквенували повні геноми обох видів з високим покриттям. Потім вони отримали «чорнові» геноми для 392 самців X. birchmanni. На основі цих геномів був проведений повногеномний пошук асоціацій (GWAS), який дозволив знайти гени, від яких залежить наявність або відсутність чорної плями на хвості.

Вдалося знайти два гени на 21-й хромосомі, від алельного стану яких залежить, чи буде у самця на хвості чорна пляма. Одним з них виявився вже знайомий нам ген xmrk, відповідальний за розвиток меланоми у гібридного потомства двох інших видів меченосців (X. maculatus і X. hellerii). Другий ген — myrip, функції якого пов’язані з транспортом меланосом. Тільки перший з двох генів активно експресується в чорних плямах і меланомах у дорослих самців. Другий ген імовірно відіграє якусь роль на ранніх етапах формування забарвлення (в перші тижні життя рибки), але це поки тільки гіпотеза.

Виявивши «гени чорної плями» у чистокровних X. birchmanni, вчені приступили до аналізу гібридних геномів. При цьому використовувалися методи, що застосовуються в медичній генетиці для пошуку генетичних основ захворювань у змішаних популяціях (див. Admixture mapping). Були проаналізовані геноми 209 самців з гібридної популяції Chahuaco falls, де від меланоми страждає кожен п’ятий самець.

Генетичні основи наявності або відсутності чорної плями у гібридів виявилися такими ж, як у чистоковних X. birchmanni. Як правило, пляма є у тих гібридних самців, яким ділянка 21-ї хромосоми з генами xmrk і myrip дісталася від X. birchmanni, а не від X. malinche. Що стосується меланоми, то вона розвивається у тих гібридних самців, у яких гени xmrk і myrip від X. birchmanni поєднуються з невеликою ділянкою 5-ї хромосоми від X. malinche (рис. 3). У цій ділянці знаходиться ген cd97, про який відомо, що він бере участь у контролі клітинних ділів і відіграє важливу роль у розвитку багатьох злоякісних пухлин.

Ріс. 3. Частота зустрічуваності меланоми у гібридів залежно від походження двох ключових ділянок геному. Ділянка на 5-й хромосомі містить ген cd97, ділянка на 21-й хромосомі включає гени xmrk і myrip. Меланома найчастіше розвивається у тих особин, яким обидві копії першої ділянки дісталися від X. malinche (mal), а обидві копії другої — від X. birchmanni (bir). Ризик меланоми менше у особин, гетерозіготних (het) по одній з цих ділянок (тобто у тих, кому одна копія однієї з ділянок дісталася від X. birchmanni, а інша — від X. malinche). Всі інші комбінації (наприклад, обидві ділянки — від одного і того ж виду, або перша ділянка — від X. birchmanni, а другий — від X. malinche) не призводять до розвитку меланоми. Малюнок з обговорюваної статті в Science

На основі цих та інших даних, отриманих авторами, вималювалася наступна картина. Близько 3 млн років тому в одного з представників роду Xiphophorus, який дав початок майже двом десяткам сучасних видів, дуплиціювався ген egfrb, кодуючий рецептор епідермального фактора зростання. Надалі одні нащадки цього родоначальника втратили «зайву» копію гена, а в інших вона збереглася, трохи змінившись (ставши «новим» геном xmrk) і набувши нової функції, пов’язаної з формуванням елементів забарвлення — чорних плям (рис. 4). Мутації, що закріпилися в новому гені xmrk, мабуть, змушують кодований їм рецептор постійно перебувати в активованому стані. Швидше за все, ген xmrk сприяє посиленому розмноженню меланоцитів, що веде до зростання чорних плям. Однак поділ меланоцитів регулюється також і іншими генами, в тому числі геном cd97. У видів, що мають ген xmrk, відбір постійно підтримує ці додаткові регулятори в такому стані, щоб вони не дозволяли гену xmrk перестаратися і перетворити нешкідливу чорну пляму в меланому. Однак у видів, що втратили ген xmrk (а разом з ним і ризик розвитку меланоми), ця стримуюча функція cd97 та інших регуляторів перестає підтримуватися відбором і втрачається. Тому у гібридного потомства, що виходить при схрещуванні виду, що має xmrk, з видом, позбавленим цього гена, підвищується ймовірність розвитку меланоми. Це відбувається, коли нащадок отримує xmrk від першого з двох видів, а додатковий регулятор (наприклад, cd97), який не вміє приборкувати активність xmrk, — від другого.

Ріс. 4. Еволюційне дерево меченосців. Чорним колом позначено передбачуваний момент появи гена xmrk. Надалі у різних видах цей ген зберігся (їх назви набрані чорним шрифтом), а інші його втратили (синій шрифт). Сірим шрифтом набрані види, у яких наявність або відсутність гена xmrk не встановлено. Чорними і червоними овалами обведені дві пари видів, у яких гібридизація призводить до меланоми. В обох парах один з видів має ген xmrk, а інший ні. Малюнок з додаткових матеріалів до обговорюваної статті в Science

Цікаво, що у вивченій раніше парі видів (X. maculatus і X. hellerii) в ролі додаткового регулятора, що конфліктує з xmrk, виступає не cd97, а якийсь інший ген, теж розташований на 5-й хромосомі. З цього (а також зі структури еволюційного дерева, представленого на рис. 4) випливає, що «проблема гібридної меланоми» у двох вивчених парах видів майже напевно розвинулася незалежно. Це важливий висновок: фактично, вперше вдалося показати, що один і той же ген (в даному випадку xmrk) може виступати в ролі «гена видоутворення» у різних пар дивергуючих видів.

Таким чином, дослідження поповнило дуже невелику поки колекцію добре вивчених «генів видоутворення» з сильними ефектами. Необхідно пам’ятати, що в більшості випадків видоутворення, мабуть, обходиться без таких генів: генетична несумісність між роз’єднаними генофондами наростає поступово за рахунок накопичення безлічі набагато більш слабких генетичних конфліктів. Ще один нюанс, про який слід пам’ятати, полягає в тому, що генетична несумісність не підтримується відбором безпосередньо. Зниження пристосованості потомства нікому не дає еволюційної переваги, навіть якщо це потомство гібридне. Накопичення конфліктуючих генів у роз’єднаних популяціях — лише побічний результат їх роз’єднаності. Його причина в тому, що відбір не перевіряє алелі, що закріпилися в різних популяціях, на сумісність один з одним.

Джерело: Daniel L. Powell, Mateo García-Olazábal, Mackenzie Keegan, Patrick Reilly, Kang Du, Alejandra P. Díaz-Loyo, Shreya Banerjee, Danielle Blakkan, David Reich, Peter Andolfatto, Gil G. Rosenthal, Manfred Schartl, Molly Schumer. Natural hybridization reveals incompatible alleles that cause melanoma in swordtail fish // Science. 2020. V. 368. P. 731–736. DOI: 10.1126/science.aba5216.

Див. також про еволюцію генетичної несумісності (післязіготичної репродуктивної ізоляції):

1) Генетична несумісність наростає по параболі, «Елементи», 26.09.2010.

2) «Ген видоутворення» не дозволяє хромосомам рватися в недозволених місцях, «Елементи», 18.06.2012.

3) Китайські генетики зрозуміли, чому японський рис не схрещується з індійським, «Елементи», 18.09.2012.

4).

Олександр Марков