Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Ли Биллингс
«5 000 000 000 лет одиночества». Глава из книги


А. Панчин
«Сумма биотехнологии». Глава из книги


И. Левонтина
«О чем речь». Главы из книги


Ч. Уилан
«Голая статистика». Главы из книги


Интервью М. Гельфанда с С. Шлосманом
«Замечательная статья» значит только то, что она содержит замечательный результат


П. Лекутер, Д. Берресон
«Пуговицы Наполеона». Глава из книги


Д. Вибе
Телескопы с жидкими линзами: как это работает


А. Паевский
Ближайший космос. Быстрее. Лучше. Дешевле


Р. Фишман
Прионы: смертоносные молекулы-зомби


Д. Мамонтов
Торий: спасет ли он планету от энергетического кризиса?







Главная / Новости науки версия для печати

Параллелизмы — результат быстрой эволюции сенсорных рецепторов


Спящая личинка Caenorhabditis elegans (белая стрелка) в многоклеточном плодовом теле почвенной амебы Dictyostelium. Фото с сайта www.cumc.columbia.edu
Спящая личинка Caenorhabditis elegans (белая стрелка) в многоклеточном плодовом теле почвенной амебы Dictyostelium. Фото с сайта www.cumc.columbia.edu

Американские генетики изучили независимое появление одного и того же нового признака у двух лабораторных линий нематоды Caenorhabditis elegans и у родственного вида Caenorhabditis briggsae. Им удалось выяснить, что признак возник в результате мутации в сходных генах у всех трех объектов. Они заключили, что репертуар возможных адаптивных решений весьма ограничен, с этим связано независимое появление сходных признаков. Кроме того, наиболее простым и быстрым решением является настройка сенсорных рецепторов: это действие не требует согласованного изменения комплекса генов, достаточно изменить один.

Когда Н. И. Вавилов обнародовал закон гомологических рядов, утверждающий сходные ряды изменчивости у близкородственных видов, то немедленно был обвинен в антидарвиновских настроениях. Действительно, мутации случайны — значит, и эволюционные траектории морфологической эволюции будут случайными. Их направление должно бы зависеть только от внешних условий, к которым вид обязан как следует приспособиться. У нейтральных признаков, тех, что не влияют на приспособленность, появление сходства маловероятно. Параллельные признаки, которыми оперировал Вавилов (а он начинал работать с признаками зерновых культурных растений), нейтральны, и в этом случае сходству репертуара изменчивости вроде бы неоткуда взяться. Тем не менее гомологические ряды существуют (Н. И. Вавилов был строг с фактами), так что на долгое время о законе гомологических рядов предпочитали не рассуждать.

Однако в последнее десятилетие обнаружилось, что фактов параллельной эволюции как на микро- , так и на макроуровне такое колоссальное изобилие, что ими нужно и должно заниматься всерьез. Генетики взялись за расшифровку путей формирования параллелизмов. Появилась возможность включить параллелизмы в модели генетических механизмов эволюции. (Появились и эпигенетические теории о механизмах параллельной эволюции; об этом можно прочитать в статье М. А. Шишкина «Эволюция как эпигенетический процесс».)

Наиболее значимые выводы о генетических механизмах параллельной эволюции основаны на анализе отдельных признаков, имеющих как адаптивное значение, так и нейтральное. К первым относятся, например, исследование устойчивости к антибиотикам у бактерий и, соответственно, генов, ответственных за ее формирование (см.: Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, «Элементы», 12.04.2006). Хорошим примером также является изучение цветового зрения у цихлид (см.: Эволюция цветного зрения у африканских цихлид шла двумя путями, «Элементы», 29.12.2009). Ко вторым, нейтральным признакам, можно отнести появление темного пятна на крылышках у разных видов дрозофил — чем не гомологические ряды Н. И. Вавилова! (см.: Тонкая подстройка» многофункционального гена может приводить к появлению новых признаков, «Элементы», 25.04.2006).

Наиболее важными выводами, которые генетики сделали на основе пока немногочисленных примеров, являются следующие:

  • эволюция выглядит предсказуемым процессом, хотя в основе его лежат случайные мутации;
  • число возможных эволюционных траекторий ограничено, так как ограничено число жизнеспособных комбинаций мутационных изменений;
  • сходные приспособления могут появляться в результате параллельного образования одинаковых мутаций в том или ином гене;
  • сходные приспособления могут появляться в результате разных наборов мутаций в одном и том же комплексе генов;
  • параллельные приспособления появляются чаще в результате настройки различных регуляторных, а не кодирующих генов.

Генетики из университетов Юты, Флориды и Рокфеллеровского университета разобрали в деталях еще один пример параллельного возникновения адаптивного признака. Этот пример позволил продемонстрировать, насколько легко появляются сходные признаки у разных видов, а также добавить несколько более общих правил относительно генетических механизмов гомологии. Ученые работали с модельным объектом нематодой Caenorhabditis elegans и с ее родственницей Caenorhabditis briggsae. Также в их распоряжении оказались разные линии лабораторных культур C. elegans, которые хотя и произошли от одной исходной гермафродитной особи, но велись изолированно в последние 50 лет. Этот материал позволил проследить образование параллельных мутаций как у особей со сходным геномом (разные потомственные линии одной особи), так и у разных видов.

Ученых интересовал конкретный признак формирования так называемой дауэровской, или «спящей», личинки. Спящая личинка у ценорабдитис образуется при стрессовых температурах, недостатке пищи или перенаселении. В таком состоянии нематода благополучно переживает самые худшие времена, а при наступлении адекватных условий начинает развитие с прерванной точки, то есть с третьей линьки. Перенаселение в природных условиях, так же как и непосредственный недостаток пищи, грозит популяции различными неприятностями (голодание, недостаток подходящих микроусловий и т. д.), потому воспринимается как сигнал к формированию спящей личинки. В лабораторных условиях при перенаселении (а как же иначе может быть в культурах?) дауэровская личинка всё равно формируется, хотя пищи всегда в изобилии. При этом подавляющая часть популяции изымается из репродуктивного пула, остаются лишь те особи, которые так или иначе не среагировали на сигнал перенаселения. Ясно, что именно они и получат преимущество в изобильной лабораторной среде, других же эта покоящаяся стадия предательски оставит за бортом отбора. Именно поэтому в лабораторной среде нематода довольно быстро перестает реагировать на сигнал перенаселения и спящую личинку не формирует. От этой спящей стадии, как выяснилось, отказались обе лабораторных популяции Caenorhabditis elegans, а также соседи по лаборатории Caenorhabditis briggsae. Естественно, важно было выяснить, как это адаптивное новшество появилось у трех различных популяций.

Дауэровская личинка начинает формироваться при повышении концентрации особого феромона (чем больше животных в культуре, тем выше его концентрация). Известно, что активными компонентами этого феромона являются различные вариации сахара аскарилозы. Эти компоненты были раньше определены и синтезированы химически, так что с ними вполне можно ставить эксперименты. В первичном эксперименте удалось определить, что четыре из этих компонентов вызывают формирование спящей личинки у исходной лабораторной линии Caenorhabditis elegans, зато не работают с двумя эволюционировавшими линиями нематоды. Для упрощения задачи ученые выбрали один из этих компонентов (его назвали C3), так как именно устойчивость к данному компоненту определяется единственным локусом. Из сравнения геномных последовательностей исходной популяции и двух других выяснилось, что устойчивость появилась в результате выпадения (делеции) двух генов рецепторов. Ясно, что если исчезают рецепторы к определенному компоненту, то исчезает и реакция на этот компонент, в данном случае не формируется дауэровская личинка. В двух лабораторных линиях эта делеция прошлась по разным нуклеотидам (см. рис. 1), но так или иначе захватила оба гена. Иными словами, независимо в двух популяциях делеция уничтожила гены двух одинаковых рецепторов.

Рис. 1. Участок X-хромосомы C. elegans, который выпал в результате делеции. Но отрезки выпавших последовательностей в двух лабораторных линиях C. elegans (соответственно LSJ2 и CC1) различаются, так как линии эволюционировали независимо. Схема из обсуждаемой статьи в Nature
Рис. 1. Участок X-хромосомы C. elegans, который выпал в результате делеции. Два гена, srg-36 и srg-37, являются рецепторами к активному компоненту феромона спящей личинки. Именно они оказались повреждены в результате делеции. Но отрезки выпавших последовательностей в двух лабораторных линиях C. elegans (соответственно LSJ2 и CC1) различаются, так как линии эволюционировали независимо. Схема из обсуждаемой статьи в Nature

Ученые подтвердили свои выводы относительно природы этих рецепторов, рассмотрев, где именно эти гены работают — они экспрессируются в хемосенсорных нейронах. А в терморецепторах и в рецепторах, ответственных за хемотаксис, не экспрессируются. Это означает, что, разыскивая основных посредников между феромоном и формированием дауэровской личинки, ученые не ошиблись.

У Caenorhabditis briggsae нашелся ген, аналогичный двум найденным посредникам, их явный эволюционный родственник, так называемый ортолог. И, как легко догадаться, в лабораторной популяции, отказавшейся от спящей личинки, именно этот ген оказался вырезан делецией. Сколько ни добавляли феромона (того самого C3, с которым работали на C. elegans), все личинки C. briggsae развивались своим чередом, не впадая в спячку. Зато на исходную (дикую) популяцию C. briggsae C3 отлично действовал, вызывая закономерное формирование покоящейся стадии.

Таким образом, в условиях, когда спящая личинка оказывается лишней или даже вредной, популяция быстро от нее избавляется. При этом отбор нацеливается на сходные гены, приводя их так или иначе в нерабочее состояние. Генетики рассудили, что вряд ли причиной сходной мутации было характерное генетическое окружение генов, провоцирующее делеции. Ведь у разных видов и окружение это различается, а выброшенными оказались гомологичные гены. Поэтому, скорее всего, существует не так уж много мутаций, которые способны предотвратить формирование спящей стадии и одновременно были бы не слишком вредны для животного. Большинство возможных мутаций имеют множественные последствия и наверняка снижают общую приспособленность. Для данного конкретного признака доступное решение оказалось единственным.

В целом, гораздо безопаснее изменить один конкретный рецептор, чем подстраивать друг под друга целую сеть регуляторов развития. Сенсорные рецепторы — световые, вкусовые и хемочувствительные — эволюционируют очень быстро, оперативно подлаживая организм к окружающей обстановке. Хотя, как отмечают генетики, этот простой и быстрый путь не позволяет достичь существенных изменений в ходе морфогенеза и создать новую форму.

Источник: Patrick T. McGrath, Yifan Xu, Michael Ailion, Jennifer L. Garrison, Rebecca A. Butcher, Cornelia I. Bargmann. Parallel evolution of domesticated Caenorhabditis species targets pheromone receptor genes // Nature. 2011. V. 477. P. 321–325. Doi:10.1038/nature10378.

Елена Наймарк


Комментарии (6)



Последние новости: ГенетикаЕлена Наймарк

22.06
Рыбки-брызгуны хорошо различают человеческие лица
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников
14.06
Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза
10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет
8.06
Новые древние остатки людей с острова Флорес говорят о родстве «хоббитов» с эректусами
7.06
Индийская община Бней-Исраэль не может быть одним из десяти потерянных колен
6.06
Промышленный меланизм бабочек получил генетическое объяснение
2.06
Обнаружено фундаментальное сходство между развитием актинии и развитием позвоночных
1.06
Половой отбор сделал сперматозоиды дрозофил самыми длинными в мире
26.05
Очертания видового ареала определяются экологическими свойствами вида

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия