Правые дети левой мамы
Задача
Юный натуралист Вася узнал, что у улиток прудовиков раковины бывают право- и, реже, левозакрученными (рис. 1). На летних каникулах в деревне, где не было интернета, он кинулся искать редких левозакрученных прудовиков и нашел нескольких. Тогда Вася решил узнать, как наследуется этот признак. Вася знал, что прудовики — гермафродиты, а в одной умной книжке он прочел, что у них есть самооплодотворение и перекрестное оплодотворение, и при спаривании особь выступает либо в роли самки, либо в роли самца. Так их и стал обозначать Вася в дальнейших опытах, называя ту особь, от которой получал яйца, самкой.
Сначала он взял левозакрученную самку и правозакрученного самца. Всё потомство оказалось правозакрученным. «Ура! Правозакрученность — доминантный признак! — решил Вася. — Обозначим его буквой D, а левозакрученность — d». Он дал всем потомкам от этого скрещивания самооплодотвориться. Среди потомства из множества кладок получилось расщепление 3:1: четверть потомства имела левозакрученные раковины, три четверти — правозакрученные. «Вот это да! Прям как в учебнике! Ну точно, за этот признак отвечает один ген. Значит, у исходных особей генотипы были dd (у самки) и DD (у самца). В первом поколении все особи имели генотип Dd и правозакрученную раковину, а во втором было расщепление по генотипу DD (правые) : 2Dd (правые) : dd (левые). Теперь осталось только провести еще пару-тройку скрещиваний, чтобы повторить результат».
Вася взял вторую пару улиток («левую» самку и «правого» самца). Каково же было его изумление, когда у другой пары все потомки оказались левозакрученными! «Ну ладно, самец мог быть Dd; но самка-то всё равно должна быть dd! Тогда расщепление было бы 1:1...» Вася дал левозакрученным потомкам этого скрещивания самооплодотвориться — и вот тут увидел расщепление по форме раковины 1:1.
У третьей пары таких же родителей все потомки и первого, и второго поколения были левозакрученными!
Следующая такая же пара: в первом поколении все правозакрученные, а во втором — 1:1...
Вася уже совсем было отчаялся и разочаровался в законах наследственности. Но тут он обратил внимание, что все детеныши из одной кладки всегда имеют одинаковую закрученность раковины. Тогда Вася выбрал самку, из кладки которой вывелись левозакрученные улитки, и отсадил ее в отдельный аквариум, а затем стал скрещивать ее с разными правозакрученными самцами. Через месяц каникулы кончились. Вася с гордостью рассказывал друзьям по кружку «Юный натуралист», как он разгадал механизм наследования формы раковины. Правда, в интернете он быстро нашел описание этого механизма, но гордость его от этого почти не убавилась.
Так каков же механизм наследования, объясняющий все Васины результаты? Какое потомство он получил от отсаженной самки?
Подсказка 1
Направление закрученности раковины определяется расположением клеток при первых делениях зиготы, а это расположение зависит от цитоскелета яйцеклетки. На данной стадии развития собственный геном зародыша не активен — все белки считываются с РНК, запасенных до оплодотворения.
Подсказка 2
В одном из скрещиваний Вася получил от отсаженной «левой» самки с «правым» самцом только левозакрученное потомство. При этом после самооплодотворения эти улитки дали только правозакрученное потомство, а при самооплодотворении таких правозакрученных потомков было получено расщепление 3 правозакрученных : 1 левозакрученной.
Решение
Биологам эта задача, конечно, покажется скучной: «Это — всем известное материнское наследование...» Но для небиологов она, наверное, оказалась не очень легкой.
Вася был во многом прав с самого начала: правозакрученность — действительно доминантный признак, и за этот признак действительно отвечает один ген (или группа очень тесно сцепленных генов, для наследования это равнозначно). А вот с генотипами улиток в первом скрещивании он ошибся. В этом скрещивании и левозакрученная самка, и правозакрученный самец имели одинаковые генотипы — Dd.
«Как же так? — могут спросить читатели, — у особи с генотипом Dd раковина не может быть левозакрученной, если ген D, отвечающий за «правость», доминантный!» Оказывается — может. Дело в том, что в данном случае фенотип потомства определяется не его генотипом, а исключительно генотипом матери. Гены, которые так наследуются, называются «генами с материнским эффектом». Такие гены экспрессируются в неоплодотворенной яйцеклетке и определяют различные признаки организма еще до того, как начинает работать собственный геном зародыша — а это у большинства животных происходит лишь по окончании дробления. В нашем случае у самок с генотипом dd все потомки всегда будут левозакрученными — независимо от генотипа самца. Это и понял Вася, скрещивая отсаженную им самку с разными самцами.
Точно так же у самок с генотипом DD или Dd все потомки всегда будут правозакрученными. Так что у правозакрученных особей генотип может быть любой, а у левозакрученных — Dd или dd.
Рассмотрим кратко предварительные результаты, полученные Васей.
Первое скрещивание
Р самка Dd (левая, так как ее мать была dd) × самец Dd (правый)
F1 DD Dd Dd dd все правые САМООПЛОДОТВОРЕНИЕ
F2 все правые (3/4) все левые (1/4)
Второе скрещивание
Р самка dd (левая) × самец Dd (правый)
F1 dd все левые Dd САМООПЛОДОТВОРЕНИЕF2 все левые (1/2) все правые (1/2)
Третье скрещивание
Р самка dd (левая) × самец dd (правый)
F1 все dd (левые) САМООПЛОДОТВОРЕНИЕ
F2 все dd (левые)
Четвертое скрещивание
Р самка Dd (левая) × самец dd (правый)
F1 Dd все правые dd САМООПЛОДОТВОРЕНИЕF2 все правые (1/2) все левые (1/2)
Источник: Snails given mirror-image shells.
Послесловие
Пример Васиных мучений показывает, как бывает важно не просто анализировать данные «скопом», а присматриваться к сути дела. Пожалуй, еще один вывод — как непросто за нагромождением фактов бывает увидеть общее объяснение, даже элементарное.
Кроме того, сам того не подозревая, Вася занялся очень сложными и интересными биологическими проблемами: связью генетики с эмбриологией и право-левой асимметрией.
Гены с «материнским эффектом», пожалуй, наиболее ярко иллюстрируют тесную связь генетики с эмбриологией.
Лучше всего они изучены у дрозофилы. У нее как минимум сотня генов обладает материнским эффектом — это заметная часть генома. Один из «классических» таких генов — bicoid, определяющий развитие головы и груди на переднем конце тела зародыша. Его РНК синтезируется в питающих клетках у переднего полюса яйца и затем транспортируется в него через цитоплазматические мостики. Она локализуется только в передней трети яйца за счет связывания с цитоскелетом (естественно, за такое связывание должны отвечать специфичные белки, и их тоже кодируют гены с материнским эффектом). При потере функции bicoid (рецессивные мутации) у зародыша на месте передней половины тела образуется зеркальное отражение задней половины. Но мухи с двумя рецессивными аллелями в генотипе полностью нормальны, если у их матери был доминантный аллель. Только у таких мух — рецессивных гомозигот — всё потомство будет безголовым... Функции белка bicoid в общих чертах известны — это регулятор транскрипции, включающий ряд других генов, контролирующих эмбриональное развитие. Около десятка генов с материнским эффектом известны и у млекопитающих.
Ген D у улиток отличается от гена bicoid тем, что рецессивные гомозиготы дают жизнеспособное потомство. Если ген bicoid участвует в становлении передне-задней оси, то ген D отвечает за «правость» и «левость» — один из самых загадочных аспектов морфогенеза. Вообще, правость и левость (хиральность) свойственна живым организмам на всех уровнях — от использования только левых изомеров аминокислот до различий в функциях правого и левого полушарий мозга. И прудовик — один из удобных объектов для изучения право-левой асимметрии.
Давно было известно, что направление закручивания раковины зависит от направления смещения бластомеров — клеток зародыша — при третьем делении дробления (см. рис. 2). Если мелкие клетки — микромеры — смещаются (при взгляде с анимального полюса яйца) по часовой стрелке, то раковина правозакрученная. А если против — левозакрученная. Направление смещения клеток зависит от расположения веретен деления из микротрубочек. Но от чего зависит расположение веретена? Как на него влияют гены?
Рис. 2. A — третье деление дробления прудовика Lymnaea stagnalis: четырехклеточная (вверху) и восьмиклеточная стадии. Голубая стрелка показывает направление смещения микромеров (при взгляде с анимального полюса яйца): слева — против часовой стрелки, справа — по. Длина масштабной линейки — 20 микрометров. B — взрослый прудовик: слева — левозакрученный, справа — правозакрученный. Длина масштабной линейки — 10 мм. Изображение из статьи: Yuichiro Shibazaki, Miho Shimizu, and Reiko Kuroda. Body Handedness Is Directed by Genetically Determined Cytoskeletal Dynamics in the Early Embryo // Current Biology. August 24, 2004. V. 14. P. 1462–1467
Проблема усложнилась, когда выяснилось, что у «правых» прудовиков бластомеры смещаются по часовой стрелке уже при отделении. А у «левых» они никуда не смещаются при делении и только потом поворачиваются влево! Таким образом, правость и левость у прудовиков оказались не зеркальными признаками.
Еще одно удивительное недавнее открытие — возможность «побороть» влияние генов на направление закрученности раковины. Группа японских ученых опубликовала в Nature статью, в которой показано, что можно поменять закрученность раковины и всё внутреннее строение взрослого животного, просто подпихивая микроманипулятором бластомеры и смещая их в нужную сторону (см.: R. Kuroda et al., 2009. Chiral blastomere arrangement dictates zygotic left–right asymmetry pathway in snails). При этом у зародышей менялся на противоположный и участок экспрессии гена nodal. Этот ген отвечает за асимметрию у хордовых и только недавно был найден у моллюсков. У «левых» улиток в норме он экспрессируется только на левой стороне тела (как у позвоночных и других вторичноротых), а у правых — на правой.
До этого та же группа ученых показала, что сдвиг бластомеров можно нарушить, разрушив их актиновый цитоскелет. Так что актиновый цитоскелет действует на проявление гена nodal. Но что придает левую или правую асимметрию самому цитоскелету? Какое исходное событие определяет закрученность раковины и в целом «правость» или «левость»? Это пока остается неизвестным не только для улиток, но и для других животных. Неизвестны до сих пор также и функции гена D у прудовиков.
Зато еще в одной работе было показано, что у прудовиков есть асимметрия центральной нервной системы и нечто вроде «праворукости» и «леворукости» (см.: A. Davison et al., 2009. Mating behaviour in Lymnaea stagnalis pond snails is a maternally inherited, lateralized trait). У «правых» улиток слиты висцеральный и париетальный ганглии на правой стороне тела, а на левой они разделены; у «левых» — всё наоборот. При этом оказалось, что перед спариванием «правые» самцы ползут по раковине партнера против часовой стрелки (независимо от своего генотипа и от фенотипа партнера), а «левые» — по часовой стрелке. Как это сказывается на эффективности спаривания, в работе не выяснено. А вопрос этот не праздный: у большинства видов улиток, особенно наземных, «левые» и «правые» особи практически не могут спариваться друг с другом, и смешанные популяции не встречаются (см., например, M. Hoso et al., 2010. A speciation gene for left–right reversal in snails results in anti-predator adaptation — в этой статье описывается также, как «правозубые» змеи могут способствовать возникновению в ходе эволюции левозакрученных видов улиток).
Справедливости ради надо отметить, что иногда в кладках «левых» улиток с генотипом dd встречается небольшой процент особей с «правыми» раковинами, причем у их потомков раковины тоже «правые» (см.: Gary Freeman, Judith W. Lundelius, 1982. The developmental genetics of dextrality and sinistrality in the gastropod Lymnaea peregra). Точные причины этого тоже пока неизвестны. Так что, если интерес к биологии у Васи не пропадет, ему будет чем заняться...
Рис. 1. Улитки прудовики (Lymnaea stagnalis) с правозакрученной (вверху) и левозакрученной раковиной. Фото с сайта vodnyymir.ru