Різноманітність білків гістосумісності підвищує репродуктивний успіх у самців очеретів і знижує біля самок

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 57

Ріс. 1. Ліворуч — дроздовидна очеретянка (Acrocephalus arundinaceus), головний об’єкт дослідження. Праворуч — ілюстрація різноманітності молекул головного комплексу гістосумісності (MHC) на прикладі клітин людини. Кожна клітина несе на собі молекули двох типів: MHCI (правіше) і MHCII (лівіше). Кожен з них у людини представлений трьома варіантами (позначені різними кольорами) і двома копіями від кожного з батьків (зверху материнські, знизу батьківські). Таким чином, кожна клітина людини несе два типи молекул MHC, причому кожен тип має шість варіантів. У птахів це розмаїття ще вище, але не всім воно виявляється вигідно. Зображення з сайтів flickr.com і en.wikipedia.org

Іноді буває так, що самці і самки одного виду переслідують різні поведінкові або еволюційні інтереси, і при цьому те, що вигідно одним, знижує виживаність інших. Таку ситуацію називають конфліктом статей. Більшість відомих конфліктів статей відноситься до сфери репродукції. Наприклад, у багатьох видів тварин самці прагнуть розмножуватися якомога частіше, а самки — якомога рідше. Але нещодавно у дроздовидних очеретів було виявлено конфлікт підлог ще й на рівні імунної системи: самцям вигідне велике розмаїття генів гістосумісності, а самкам — маленьке. І, судячи з усього, конфлікт цей невирішимо.

Молекули головного комплексу гістосумісності (Major histocompatibility complex, MHC) — важливі учасники практично будь-якої імунної відповіді. Це білки, які розташовуються в мембрані клітин організму. За їх допомогою звичайні — не імунні — клітини можуть подати сигнал про те, що з ними або навколо них щось не так.

Ріс. 2. Будова білка МНС класу I. Ліворуч — схема будови, праворуч — просторова модель. Зверху знаходиться пептид-зв’язувальна щілина (peptide-binding groove). Її форма визначає, які білки зможуть у ній закріпитися, а які ні. Саме різноманітність цих частин молекул дозволяє ефективно захищатися від вірусів. Малюнок з сайту healthdocbox.com

Всі молекули MHC діляться на дві великі групи. MHC класу I (MHC class I, MHCI) присутні майже на всіх клітинах організму. З їх допомогою імунні клітини розпізнають «своїх»: якщо на клітці відсутній такий білок, то ця клітина — або чужинець, або пошкоджена, і в будь-якому випадку підлягає знищенню. Крім того, в білках MHCI є невелика щілина, в яку кожна клітина поміщає шматочки власних білків (рис. 2 і рис. 3), демонструючи їх імунним клітинам, які, таким чином, бачать перед собою своєрідний «опис майна» кожної клітини (набір молекул MHCI зі шматочками білків в них). Якщо якийсь із цих білків здасться імунним клітинам незнайомим, то вони вирішать, що клітина вражена вірусом, або перетворилася на пухлинну, або якось ще пошкоджена, тобто, знову ж таки, є привід її знищити (детальніше про імунну функцію білків MHC читайте в новині Кобили визначають, вагітніти чи ні, по головному комплексу гістосумісності… сусіда, «Елементи», 15.01.2018).

Ріс. 3. Схема потрапляння білків всередину МНС класу I. Незнайомі клітині білки можуть бути вірусними (virus) або власними, але неправильно згорнутими (abnormal folding). Їх розпізнають ферменти убіквітінлігази і навішують убіквітинову мітку. Білковий комплекс — протеасома — розщеплює мічені білки, і їх залишки відправляються в ендоплазматичну мережу (ER). Там вони вбудовуються в молекули MHCI, а потім всі разом опиняються на мембрані клітини. Малюнок з сайту courses.washington.edu

Молекули MHC класу II (MHC class II, MHCII) є тільки на спеціалізованих клітинах, які ловлять молекули, що зустрічаються ним в організмі, і виставляють їх за допомогою MHCII на своїй мембрані, щоб інші імунні клітини могли зрозуміти, що діється в організмі. Далі мова піде тільки про білки MHC класу I.

Молекули MHC називають «комплексом», тому що це не одна молекула, а кілька, і кодує їх окремий генний локус (група генів). Кількість генів у локусі може відрізнятися у різних організмів. Наприклад, у людини в локусі MHCI три гени, тому кожна клітина несе на собі шість варіантів молекул (три батьківських, три материнських). Крім того, для кожного гена в популяції існує цілий набір алелей, тому всі ці шість варіантів можуть бути різними. У цій варіативності є певний сенс: з одного боку, різноманітність молекул MHCI дозволяє створити індивідуальний клітинний «паспорт» для кожної особини, за яким імунна система зможе відрізнити її клітини від чужорідних, а з іншого боку, алельні варіанти MHCI можуть розрізнятися формою білок-зв’язувальної щілини, і чим різноманітніше форми щілин, тим більше шанс, що чужорідний (наприклад, вірусний) білок закріпиться в одній з щілин і буде представлений імунною системою.

Однак у різноманітності MHCI є і свої мінуси. Наприклад, при великій кількості різних алелей зростає ймовірність того, що імунні клітини приймуть своїх за чужих (оскільки «заплутаються» в різноманітності паспортів) і розвинеться аутоімунна реакція.

У птахів генів MHCI ще більше, ніж у людей; більше того, їх кількість буває непостійною. Наприклад, в одній з попередніх статей автори обговорюваної роботи спробували підрахувати кількість генів MHCI у дроздовидної очерету (A. Biedrzycka et al., 2016. Testing genotyping strategies for ultra‐deep sequencing of a co‐amplifying gene family: MHC class I in a passerine bird). У них вийшло, що кожен птах може нести від 19 до 42 генів. Тобто популяція очеретів дуже різнорідна: в особин може різнитися кількість генів, а також алельні набори, оскільки від батьків могли прийти як однакові, так і різні варіанти генів.

Є підстави вважати, що самцям і самкам очеретів вигідні різні рівні різноманітності генів MHCI. Так, відомо, що у самців і самок деяких видів тварин розрізняється сила імунної відповіді (див. Y. Z. Foo et al., 2016. The effects of sex hormones on immune function: a meta‐analysis). Наприклад, це проявляється в тому, що самців частіше атакують паразити. Можливо, це пояснюється тим, що самці зазвичай ведуть більш активне життя, ніж самки, але і в цілому імунна відповідь у них слабша. У самок, навпаки, частіше розвиваються аутоімунні захворювання, тобто імунітет працює занадто сильно і руйнує власні клітини. До того ж, позначається різниця в статевих гормонах: тестостерон швидше пригнічує імунну відповідь, а естроген і прогестерон — підсилюють. Все це в сукупності дозволяє припустити, що самкам вигідно знижувати різноманітність генів MHCI, а самцям, навпаки, — підвищувати, щоб посилити імунну відповідь.

Таку ситуацію, коли інтереси двох статей кардинально розрізняються, називають конфліктом статей (Sexual conflict, див.:Статевий відбір захищає від вимирання, «Елементи», 23.05.2015). Як правило, він призводить до того, що у самців і самок виникають протидіючі один одному еволюційні пристосування. Наприклад, самці дрозофіл виділяють у сперму токсичні речовини, щоб їх самку не запліднювали чужі сперматозоїди. Але у цих токсичних речовин є «побічний» ефект: вони скорочують життя самок. Самки у відповідь виробляє механізм стійкості до отрути сперми, що дозволяє їм довше жити, але часто веде до зниження плідності. Але таке вирішення конфлікту можливе, тільки якщо відповідні гени знаходяться на статевих хромосомах. У такій ситуації гени на Y- і Х-хромосомах піддаються відбору незалежно. А у випадку з генами MHCI ситуація повинна бути влаштована складніше, так як вони знаходяться на аутосомах (неполових хромосомах, які у самців і самок однакові).

Автори обговорюваної статті протягом 20 років спостерігають за популяцією дроздовидних очеретів у Швеції. У рамках цієї роботи вони вимірювали різноманітність генів MHCI в популяції — підраховували кількість різних алелей у кожної особини (цей параметр важливіше, ніж просто кількість копій гена, адже ці копії можуть нести на собі однакові алелі). Виявилося, що середнє значення цього параметра коливається навколо 13,5 алелей на одну особину, не залежить від статі птахів і не корелює з тривалістю їх життя. Де в такому випадку шукати прояви конфлікту статей?

Коли невдовзі немає очевидних відмінностей у житті дорослих особин, можна спробувати дослідити їхній успіх у розмноженні. Автори вивчили два параметри — успіх вильоту (offspring fledging success; кількість тих, хто вилетів з гнізда пташенят по відношенню до тривалості життя батька) і успіх повернення (offspring recruitment success; кількість вирослих пташенят, які повернулися в досліджувану зону для розмноження, теж по відношенню до тривалості життя батька). І якщо перший з них — успіх вильоту — також не корелював з різноманітністю генів, то ось другий показав певну кореляцію (рис. 4).

Ріс. 4. Успіх повернення пташенят залежно від кількості різних алелей MHCI у батька. По горизонтальній осі відкладено кількість алелей, по вертикальній вісі — статистичний параметр, що відображає успіх повернення по відношенню до тривалості життя і успіху вильоту. Кружечками позначені самки, трикутниками — самці. Пунктирна лінія — середні показники для самок, суцільна — для самців. Зображення з обговорюваної статті

З діаграми видно, що якщо у самців успіх повернення потомства швидше зростає зі збільшенням різноманітності MHCI, то у самок, — навпаки, знижується. На підставі цих даних дослідники побудували математичну модель, що пророкує оптимальне розмаїття MHCI для максимального успіху повернення (рис. 5). Виявилося, що для самок оптимальним виявляється мати по 10 алелей, а для самців оптимальне значення не визначено, можливо, воно навіть більше 20.

Ріс. 5. Результати моделювання, що пророкує оптимальну кількість алелей MHCI для максимального успіху повернення потомства. Зліва — самки, справа — самці. Зображення з обговорюваної статті

Цікаво, що успіх повернення безпосередньо не корелює з різноманітністю MHCI самих пташенят і залежить тільки від різноманітності MHCI батьків. При цьому успіх вильоту ніяк з різноманітністю MHCI не пов’язаний. Пояснювати цю ситуацію автори пропонують наступним чином: поки пташеня сидить в гнізді, його достатньо годувати і оберігати від хижаків, тому відмінності в якості їжі і здоров’я батьків не впливають істотно на його життя. Пізніше, коли він вилітає з гнізда, він зазнає атаки патогенів і витримує великі фізичні навантаження, і саме тут виявляється важливо, наскільки якісно про нього піклувалися на початку життя. Тому різноманітність MHCI батьків впливає на успіх повернення, але не на успіх вильоту. Чому ж власне розмаїття MHCI пташенят не корелює з поверненням? Автори пов’язують це з тим, що різниця в рівнях імунної відповіді самців і самок виникає разом з початком статевої поведінки і синтезом статевих гормонів. Тому до моменту повернення пташенят в місця, де вони вилупилися, рівень імунної відповіді у молодих самців і самок однаковий, а значить вплив різноманітності MHCI ще не проявився.

Це один з рідкісних випадків, коли конфлікт підлоги було виявлено поза генами, що відповідають безпосередньо за статеву поведінку. І тим складніше його вирішити: самки і самці «прагнуть» до різного ступеня різноманітності MHCI, але гени у них загальні. Можна було б пом’якшити цей конфлікт на рівні регуляції роботи генів, проте подібні механізми в цьому випадку поки не відомі. На даний момент конфлікт самців і самок очеретів залишається недозволеним, а середній рівень різноманітності — 13,5 алелей — ні для кого не є оптимальним.

Джерело: Jacob Roved, Bengt Hansson, Maja Tarka, Dennis Hasselquist, Helena Westerdahl. Evidence for sexual conflict over major histocompatibility complex diversity in a wild songbird // Proceedings of the Royal Society B. 2018. DOI: 10.1098/rspb.2018.0841.

Поліна Лосєва