Многомужество как способ борьбы с генетическим эгоизмом

В книге Ричарда Докинза «The selfish gene» («Эгоистичный ген», 1976) впервые был общедоступным языком описан «геноцентрический» подход к пониманию эволюции. Развивая идеи ряда своих предшественников и учителей, Докинз показал, что если эволюция и работает «на благо» чего-то, то это «что-то» — ген, а вовсе не организм, не вид и не биосфера

У домовых мышей на 17-й хромосоме встречается «эгоистичный» фрагмент ДНК — гаплотип t, в гомозиготном состоянии ведущий к смерти или стерильности. Гаплотип t обеспечивает себе эксклюзивное право на размножение, обездвиживая сперматозоиды, его не содержащие. Такая способность должна вести к быстрому распространению гаплотипа t, несмотря на его вредность для организма и популяции. Однако по неясным причинам его частота в мышиных популяциях остается низкой. Многолетние наблюдения за дикими мышами вкупе с математическим моделированием показали, что полиандрия (спаривание самки с несколькими самцами) помогает сдерживать распространение «эгоистичного гена».

Эгоистичные гены нарушают законы Менделя

Как правило, распространение гена в генофонде популяции определяется той пользой, которую этот ген приносит организму. Если данный вариант (аллель) гена делает организм более приспособленным (жизнеспособным или плодовитым) по сравнению с другими аллелями того же гена, то он будет поддержан отбором и распространится. В этом случае «интересы» гена и организма совпадают, а «эгоизм» гена никак не проявляется.

Но интересы гена не обязаны всегда совпадать с интересами организма. Если в результате мутации аллель приобретет способность размножаться быстрее других аллелей, принося при этом организму вред, то он всё равно будет распространяться. Отбор на уровне организмов будет препятствовать его распространению (обладатели вредного аллеля будут оставлять меньше потомков), но это не поможет, если эгоистичный ген достаточно эффективно поддерживается отбором на более низком уровне, например на уровне половых клеток (гамет). Отбор, действующий на низком уровне, работает быстрее, и поэтому он, как правило, «сильнее» отбора, действующего на более высоком уровне.

Мейотический драйв (meiotic drive) или смещение передаваемого соотношения (transmission ratio distortion, TRD) прекрасно иллюстрирует теорию эгоистичного гена в действии. У многих видов в генофонде присутствуют гены (иногда — целые хромосомы), которые при помощи разных замысловатых приемов ухитряются попасть в большее число потомков, чем это предусмотрено законами Менделя. Это явление называют «смещением передаваемого соотношения» (TRD), потому что соотношение аллелей (генетических вариантов) у потомства оказывается смещенным относительно ожидаемого, то есть менделевского.

Гаплотип t парализует сперматозоиды, в которых его нет

Один из хорошо изученных примеров «эгоистичного гена», вызывающего TRD, — так называемый гаплотип t, встречающийся в диких и лабораторных популяциях домовых мышей. Это, собственно, не один ген, а комплекс генов, расположенный на 17-й мышиной хромосоме. Из-за нескольких инверсий (см. Chromosomal inversion) гаплотип t не рекомбинирует (не обменивается участками во время мейоза) с соответствующим фрагментом «здоровой» 17-й хромосомы. Поэтому он наследуется как единое целое, что дает возможность генам, входящим в его состав, хорошо приспособиться друг к другу и «согласовать» свою коварную деятельность по осуществлению мейотического драйва.

Самцы с генотипом +/t, имеющие одну 17-ю хромосому «дикого типа», а другую — с гаплотипом t (то есть гетерозиготные по гаплотипу t), должны были бы, согласно законам классической генетики, передавать гаплотип t только половине своих потомков. В действительности гаплотип t наследуется большинством (до 99%) потомков такого самца. Это и есть TRD. У самок гаплотип t не вызывает мейотического драйва, то есть самки +/t передают гаплотип t ровно половине своих детей.

Как удается гаплотипу t обмануть механизм «честного» (равновероятного) распределения хромосом по гаметам, на котором основаны законы Менделя? Оказалось, что самцы +/t, как и положено, производят сперматозоиды + и t в равных количествах. Однако большинство сперматозоидов с нормальной 17-й хромосомой (+) не могут нормально двигаться: у них плохо работает жгутик.

Дальнейшие исследования показали, что гены, входящие в состав гаплотипа t, обездвиживают сперматозоиды + при помощи системы «яд — противоядие». На ранних этапах формирования сперматозоидов в семенниках самца эти гены обеспечивают синтез «яда», то есть белков, блокирующих работу жгутика. Эти белки попадают во все или в большинство будущих сперматозоидов. На более поздних этапах в сперматозоидах t, и только в них, синтезируется «противоядие». В результате сперматозоиды t сохраняют подвижность (и, следовательно, шанс оплодотворить яйцеклетку), а сперматозоиды + оказываются обездвиженными.

Если бы при этом гаплотип t не снижал приспособленность организма, он бы, скорее всего, быстро зафиксировался, то есть полностью вытеснил аллель + и достиг стопроцентной частоты. Тогда он уже не вызывал бы TRD (некого стало бы обездвиживать), и генетики вряд ли обратили бы на него внимание. В конце концов, мало ли в мышином геноме генов с неясной функцией. Не исключено, что судьба многих «эгоистичных генов» именно так и складывается.

Но гаплотип t не может зафиксироваться, потому что он резко снижает приспособленность (репродуктивный успех) мышей. В нём содержатся рецессивные летальные мутации. Существует несколько вариантов гаплотипа t, и наборы летальных мутаций у них разные. Особи t/t с двумя одинаковыми копиями гаплотипа t погибают на ранних стадиях эмбрионального развития, а самцы t/t с разными вариантами гаплотипа могут выжить, но будут бесплодными.

Гибель (или бесплодие) гомозигот t/t означает, что естественный отбор на уровне организмов активно противодействует распространению гаплотипа t. Отбор на уровне сперматозоидов действует в обратном направлении. Теоретически это должно приводить к тому, что частота t в генофонде стабилизируется на некотором постоянном уровне. Расчеты показывают, что при TRD = 0,9 (то есть если 90% детей самца +/t наследуют гаплотип t) и при 100-процентной гибели эмбрионов t/t (примерно так обстоит дело в большинстве мышиных популяций) частота t должна стабилизироваться на уровне 0,33. Это значит, что 2/3 особей в популяции должны иметь генотип +/t, и только одна треть — генотип +/+.

Парадокс низкой частоты t

Однако в реальных популяциях домовых мышей частота t, как правило, намного ниже теоретически ожидаемой величины и составляет от 0,05 до 0,15. Это явление получило специальное название — «парадокс частоты t» (t frequency paradox).

Для объяснения парадокса предложено несколько гипотез. Одна из них предполагает, что всё дело в пониженной приспособленности гетерозигот +/t. При скрещивании двух гетерозигот почти половина потомства получает генотип t/t и погибает (если бы не TRD, генотип t/t получала бы, строго по Менделю, только четверть потомства). Это обстоятельство, очевидно, снижает приспособленность гетерозигот, но ведь оно учитывалось в тех расчетах, которые предсказали частоту 0,33.

Было показано, что при скрещивании гетерозигот +/t с гомозиготами +/+ средний размер выводка тоже иногда оказывается меньше обычного. С другой стороны, в нескольких популяциях была выявлена повышенная жизнеспособность гетерозигот. Поэтому данная гипотеза, по-видимому, не может целиком объяснить парадокс низкой частоты t.

Другая гипотеза обращает внимание на возможность активного выбора самками самцов +/+. В двух исследованиях было показано, что самки +/t предпочитают запах самцов +/+ запаху самцов +/t. Главная трудность тут в том, что в природных популяциях мышей на выбор самки влияют не столько ее личные предпочтения, сколько социальный статус партнера. Самки предпочитают спариваться с доминантными самцами.

Дело в том, что у мышей распространено детоубийство (инфантицид): доминантные самцы иногда убивают чужих мышат, если могут до них добраться. Мыши прекрасно умеют по запаху определять степень своего родства с другими мышами, поэтому самец может отличить своих детей от чужих. Для самки самый надежный способ защитить своих будущих детенышей от инфантицида — это родить их от хозяина территории. С этим связан «эффект Брюс» — поразительное явление, состоящее в том, что если самка забеременела от одного самца, а потом долгое время чувствует запах другого, то эмбрионы могут самопроизвольно рассосаться. Организм самки прерывает беременность, потому что мышата, рожденные не от хозяина территории, подвергнутся риску инфантицида. Лучше не вкладываться в них и поскорее забеременеть от доминантного самца.

Как влияет гаплотип t на доминантность самцов, толком не известно: в одном исследовании было выявлено положительное влияние, в другом — отрицательное.

Наконец, еще одна гипотеза, которой до сих пор уделялось мало внимания, состоит в том, что эффективным средством борьбы с эгоистичным гаплотипом t может быть полиандрия — манера самок спариваться подряд с несколькими самцами. Несмотря на все тонкости мышиных брачных предпочтений, мышка-самка не будет хранить верность одному самцу, если ей предоставить такую возможность. В единственном исследовании, в котором это проверялось в строгих экспериментальных условиях, была показана высокая склонность мышей к полиандрии. Каждой самке дали возможность спариться с любым из двух самцов на выбор или с обоими, причем самцы никак не могли повлиять на ее решение. 20 самок из 21 спарились с обоими самцами.

Полиандрия может мешать распространению гаплотипа t по двум причинам. Во-первых, в эякуляте самца +/t почти вдвое меньше функциональных (подвижных) сперматозоидов, чем в эякуляте самца +/+. Значит, если самка спарится с подряд с самцами +/t и +/+, сперматозоиды + будут иметь численное преимущество. Во-вторых, некоторые косвенные данные позволяют предположить, что сперматозоиды t проигрывают в прямой конкуренции сперматозоидам + других самцов. Вероятно, это связано с различной подвижностью сперматозоидов или с активным выбором в половых путях самки, в котором может участвовать ее иммунная система.

Полиандрия препятствует распространению «эгоистичного гена»

Чтобы разобраться в причинах низкой частоты гаплотипа t в диких (не лабораторных) мышиных популяциях, швейцарские генетики в течение 6 лет (с 2003-го по 2008 год) следили за жизнью сообщества домовых мышей в сарае неподалеку от Цюриха. Эта мышиная популяция была создана в исследовательских целях в 2002 году. Ее родоначальниками стали 12 мышей, пойманных по соседству. В сарае установили 40 удобных коробочек, где мыши могли выводить потомство, и 8 регулярно наполняемых кормушек. Пищу и воду мыши получали без ограничений.

Каждому мышонку, родившемуся в сарае, в возрасте 13–15 дней делали анализ ДНК. Всего за период наблюдений исследовали 2177 мышат. При этом определялось наличие или отсутствие гаплотипа t, а также аллельное состояние множества микросателлитных маркеров. Это позволяло, во-первых, опознать мышку при повторной поимке, во-вторых — понять, кто был ее отцом. Генотипированию периодически подвергались и взрослые мыши, а также все умершие зверьки.

За 6 лет наблюдений было собрано огромное количество данных о жизни мышиного сообщества. Хотя популяция не была изолирована (мыши могли свободно покидать сарай и возвращаться в него), ни одной пришлой мыши в сообществе замечено не было. Часть мышей ушла из сарая насовсем. Авторы предполагают, что вероятность ухода не зависела от наличия гаплотипа t, хотя прямых данных, подтверждающих это предположение, они не приводят.

В течение периода наблюдений частота гаплотипа t в популяции испытывала хаотические колебания (объясняющиеся небольшим размером популяции), но в целом она достоверно снижалась: от 0,24 в начале 2003 года до 0,04 летом 2008 года. Это первый документированный случай устойчивого снижения частоты t в дикой популяции мышей. Раньше столь детальные наблюдения просто не проводились.

Вариант гаплотипа t, распространенный в подопытной популяции, в гомозиготном состоянии дает 100-процентную смертность эмбрионов. Величина TRD (доля потомства самца +/t, наследующая от отца гаплотип t) равна 0,9. При таких параметрах, как говорилось выше, частота t должна стабилизироваться примерно на уровне 0,33 (если нет дополнительных причин для ее снижения). Следовательно, какие-то мощные факторы, препятствующие распространению гаплотипа t, действительно существуют.

Предположение о том, что гаплотип t обладает какими-то дополнительными вредными эффектами, снижающими приспособленность гетерозигот +/t, не подтвердилось. Наоборот, оказалось, что он даже идет на пользу гетерозиготным самкам, заметно продлевая их жизнь. Продолжительность жизни самцов +/+ и +/t оказалась одинаковой. Это противоречит данным по другим (лабораторным) популяциям мышей, в которых ранее было выявлено отрицательное влияние t на приспособленность обоих полов. Можно предположить, что либо разные варианты гаплотипа t по-разному влияют на приспособленность гетерозигот, либо это зависит от условий обитания.

Влияние гаплотипа t на продолжительность жизни мышей. A – самки, B – самцы. По горизонтальной оси — возраст в днях, по вертикальной — доля мышей, доживших до такого возраста. Сплошные линии — гетерозиготы +/t, пунктирные — гомозиготы +/+. Видно, что самки +/t живут значительно дольше, чем самки +/+. Рисунок из обсуждаемой статьи в Evolution

Авторы не могли проследить за тем, кто с кем спаривался, поэтому гипотеза об активном выборе самками самцов +/+ ими не проверялась. Они сосредоточились на гипотезе полиандрии. О том, насколько часто самки практикуют полиандрию, можно косвенно судить по количеству «многоотцовых» выводков, то есть случаев, когда в одном выводке присутствуют детеныши от разных самцов. В подопытной популяции 30% выводков были многоотцовыми. Этим числом определяется минимальный уровень полиандрии в популяции (см. ниже).

Выяснилось также, что в тех выводках, где один из двух отцов имел генотип +/t, а другой — +/+, в среднем лишь 19% детенышей было зачато носителем гаплотипа t, тогда как самец +/+ оказался отцом 81% детенышей. Это важный результат, показывающий, что сперматозоиды самцов +/t действительно проигрывают в прямой конкуренции сперматозоидам самцов +/+. Если бы сперматозоиды обладали одинаковой конкурентоспособностью, в двуотцовых выводках более трети детенышей должны были бы оказаться детьми самца +/t. Мы ведь помним, что самцы +/t производят почти вдвое меньше подвижных сперматозоидов, чем самцы +/+. Поэтому даже при равной конкурентоспособности сперматозоидов самцу +/+ обеспечено двойное преимущество за счет большего их числа. Это дало бы соотношение детей самцов +/t и +/+ в двуотцовых выводках, близкое к 1:2. В действительности это соотношение близко к 1:4, что свидетельствует о том, что сперматозоиды самцов +/+ превосходят сперматозоиды самцов +/t не только количественно, но и качественно (либо они быстрее плавают, либо иммунная система самки к ним более благосклонна).

Проблема, однако, в том, что экспериментальные данные позволили определить только нижние границы обеих ключевых величин (уровня полиандрии и превосходства спермы самцов +/+). Дело в том, что множественные спаривания не всегда приводят к многоотцовым выводкам. Отцом всех детенышей вполне может оказаться только один самец, даже если самка спарилась с несколькими. Поэтому реальная частота случаев полиандрии почти наверняка больше 30%. Из этого, в свою очередь, следует, что и качественное превосходство спермы самцов +/+ почти наверняка больше той величины, которую можно вычислить на основе соотношения детенышей в двуотцовых выводках. Напрямую определить число случаев полиандрии, после которых отцом всех мышат в выводке оказался только один самец, авторы не могли, что заставило их воспользоваться компьютерным моделированием.

Модель основывалась на предположении о случайном (безвыборочном) скрещивании. Авторы таким образом хотели выяснить, можно ли объяснить наблюдаемое снижение частоты t только полиандрией, без привлечения гипотезы о предпочтении самками самцов +/+. Все существенные параметры, которые удалось измерить в реальной популяции, были внесены в модель. Два вышеупомянутых параметра, для которых были определены только минимальные возможные значения (уровень полиандрии и превосходства спермы самцов +/+), подбирались таким образом, чтобы итоговая динамика частоты t в модельной популяции как можно лучше совпадала с реальной.

Выяснилось, что минимально возможного уровня полиандрии (30%) недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемое снижение t. Однако если предположить, что уровень полиандрии в действительности был выше (60% или более), то динамика частоты t в модели оказывается очень похожа на то, что наблюдалось в реальной популяции. Данное допущение представляется весьма вероятным, исходя из всего, что известно о брачном поведении мышей (вспомним вышеупомянутое исследование, в котором 20 самок из 21 спарились с двумя самцами из двух возможных).

Динамика частоты t в модели (сплошные линии и серые области) и реальности (кружки с доверительными интервалами). По горизонтальной оси — время наблюдений, по вертикальной — частота t. А — без полиандрии, B — с минимально возможным уровнем полиандрии (ψ = 0,3); C — при ψ = 0,6; D — при ψ = 0,95; c — степень конкурентного превосходства сперматозоидов самцов +/+ над сперматозоидами самцов +/t, которая вычисляется на основе величины ψ и эмпирически установленной доли детей самцов +/t в двуотцовых выводках. Рисунок из обсуждаемой статьи в Evolution

Полученные результаты, конечно, не доказывают, что низкая частота t целиком и полностью объясняется полиандрией, а гипотеза об активном выборе самками самцов +/+ может быть отброшена как избыточная. Окончательный вывод авторы формулируют более скромно: полиандрия является биологически правдоподобным (biologically plausible) объяснением парадокса низкой частоты t.

Итак, можно считать доказанным, что полиандрия является эффективным средством, препятствующим распространению эгоистичного гаплотипа t в мышиных популяциях. Эффективность полиандрии обусловлена, во-первых, количественным, во-вторых — качественным превосходством сперматозоидов самцов +/+ над сперматозоидами самцов +/t. Активный выбор самками самцов +/+ тоже может играть свою роль, но для оценки значимости этого фактора потребуются детальные наблюдения за интимной жизнью мышей в диких популяциях. Это сложно, но всё-таки возможно, и на других видах животных подобные исследования уже проводились (см.: Впервые удалось проследить действие отбора в природной популяции насекомых, «Элементы», 09.06.2010).

Источник: Andri Manser, Anna K. Lindholm, Barbara König, Homayoun C. Bagheri. Polyandry and the decrease of a selfish genetic element in a wild house mouse population // Evolution. Advance online publication 28 May 2011.

См. также:
1) Распутство матерей идет на пользу потомству, «Элементы», 09.11.2006.
2) Взаимопомощь среди сперматозоидов основана на семейственности, «Элементы», 29.01.2010.
3) Впервые удалось проследить действие отбора в природной популяции насекомых, «Элементы», 09.06.2010.

Александр Марков