Промышленный меланизм бабочек получил генетическое объяснение

 

Промышленный меланизм березовой пяденицы давно вошел в учебники как яркий пример эволюции в действии. Напомним его суть: в индустриальных районах в связи с потемнением стволов деревьев распространилась черная (меланистическая) форма березовой пяденицы, которая стала быстро вытеснять преобладавшую ранее светлую форму, менее заметную на светлых стволах. Хотя все, кто хоть немного интересуется эволюционной биологией, слышали про эту историю, до недавних пор не было известно, что за мутация породила меланистическую форму. Лишь в 2016 году британские генетики выяснили, что появление темных бабочек было связано со встраиванием транспозона в ген cortex, регулирующий деление клеток. Одновременно другая группа исследователей обнаружила, что варианты (аллели) этого гена связаны с различными элементами орнамента у самых разных бабочек. Судя по всему, ген cortex был привлечен к раскрашиванию крыльев еще на заре эволюции бабочек. Каким образом регулятор клеточных делений управляет окраской крыльев, пока неясно.

 

 

Черная форма carbonaria березовой пяденицы (Biston betularia) впервые была зарегистрирована в Манчестере в 1848 году. В дальнейшем она стала быстро распространяться. Во время промышленной революции в Англии из‑за загрязнения воздуха резко сократилось количество лишайников на стволах деревьев. Поэтому бабочки исходной, светлой формы (typica), незаметные на фоне светлых лишайников, стали бросаться в глаза на темной голой коре. Избирательное выедание птицами светлых бабочек привело к тому, что частота встречаемости формы carbonaria в промышленных районах Англии выросла с 0 до 99 %. Но триумф черных бабочек был недолгим: в 1960–1970‑е годы борьба с загрязнением воздуха стала приносить ощутимые плоды – и лишайники постепенно вернулись на стволы деревьев. Частота встречаемости формы carbonaria начала снижаться и к настоящему времени упала до 5 %. Аналогичные процессы на фоне индустриализации происходили с несколькими десятками видов бабочек в разных странах.

Промышленный меланизм березовой пяденицы давно вошел в учебники как типичный пример эволюционных изменений под действием отбора в изменившихся условиях среды. Пожалуй, это вообще самый известный широкой публике пример наблюдаемой эволюции. При этом, как ни странно, до сих пор не была идентифицирована конкретная мутация, от которой у бабочек почернели крылья. Лишь недавно удалось, комбинируя классические методы генетики (то есть скрещивание и анализ расщепления признаков у потомства) и современные методы секвенирования и анализа нуклеотидных последовательностей, выявить участок генома длиной 400 кб (килобаз, тысяч пар оснований), в котором находится искомая мутация. Этот участок включает тринадцать белок‑кодирующих генов и два гена микроРНК. Удалось также показать, что распространившаяся в популяциях березовой пяденицы доминантная мутация carbonaria возникла единожды и совсем недавно. Разумеется, это не значит, что другие мутации, приводящие к меланизму, никогда не возникали. Это значит лишь, что данный случай промышленного меланизма у данного вида бабочек был связан с распространением только одной такой мутации, возникшей недавно.

Британские генетики, получившие этот результат, не остановились на достигнутом. В статье, опубликованной в журнале Nature в 2016 году, они сообщили об успешной расшифровке молекулярной природы мутации carbonaria. Для этого пришлось тщательно отсеквенировать упомянутый участок генома у 110 черных и 283 светлых особей березовой пяденицы (van’t Hof et al., 2016).

Оказалось, что полиморфизмы (различия нуклеотидной последовательности), коррелирующие с окраской крыльев, концентрируются только в одном из тринадцати белок‑кодирующих генов, а именно в гене cortex. В пределах этого гена таких полиморфизмов оказалось довольно много, но только один из них встречается исключительно у черных бабочек и не был встречен ни у одной светлой особи. Очевидно, именно этот полиморфизм и является искомой мутацией carbonaria, а все остальные полиморфизмы, чаще встречающиеся у черных бабочек, чем у светлых, распространились вместе с ним за счет сцепленного наследования (генетического автостопа; см. Исследования № 1, 3 и 7).

Природа мутации carbonaria оказалась весьма интересной: это не что иное, как крупный (21 925 пар оснований) мобильный элемент (транспозон), встроившийся в первый интрон гена cortex. Таким образом, получено еще одно наглядное подтверждение способности транспозонов производить полезные наследственные изменения. Разумеется, следует помнить, что полезность и вредность мутаций зависят от условий, а мутация carbonaria была полезна лишь в условиях сильного промышленного загрязнения.

 

 

Как выяснилось, встраивание транспозона привело к усилению экспрессии гена cortex на той стадии развития личинки, когда происходит быстрый рост зачатков крыльев. Анализ распределения полиморфизмов в окрестностях ключевой мутации подтвердил, что мутация carbonaria возникла недавно (скорее всего, в первой половине XIX века) и быстро распространилась под действием отбора. Хотя эпоха грязного воздуха, давшая преимущество черным бабочкам, длилась недолго, их короткий триумф оставил в их геномах характерные следы. Сильный отбор «выметает» нейтральные вариации из окрестностей полезной мутации (это явление называется selective sweep – «выметание полиморфизма отбором»). Чем ближе к месту вставки транспозона, тем меньше в пределах гена cortex у черных бабочек дополнительных точечных мутаций, то есть последовательность все ближе и ближе к той самой, которую имела счастливая первая обладательница мутации carbonaria.

В том же самом выпуске журнала Nature была опубликована статья другого, более многочисленного международного исследовательского коллектива. В ней показана ведущая роль гена cortex в эволюции окраски крыльев у ряда других бабочек, в первую очередь у тропических видов рода Heliconius, у которых широко распространена мимикрия (подражание несъедобным видам), а окраска крыльев крайне разнообразна (Nadeau et al., 2016).

Оказалось, что у разных видов Heliconius самые разнообразные элементы орнамента крыльев – черные, желтые, оранжевые пятна и полосы – связаны с вариациями в гене cortex. Как правило, ключевые полиморфизмы находятся в некодирующих областях гена, в том числе в интронах. Это значит, что эволюционные изменения орнамента крыльев были вызваны изменениями регуляции гена cortex, а не структуры кодируемого им белка.

Ген cortex не относится к числу генов, которые можно было заподозрить в причастности к раскраске крыльев. Он входит в семейство генов, регулирующих деление клеток. Гены этого семейства помогают хромосомам разделяться во время клеточного деления. У дрозофилы ген cortex задействован в формировании яйцеклеток в яичниках самки и не имеет никакого отношения к окраске крыльев. Исследователи проверили, что будет, если ген cortex бабочки Heliconius melpomene заставить работать в зачатках крыльев дрозофилы, – и это не привело ни к какому видимому эффекту.

Судя по всему, ген cortex, изначально не связанный с окраской, был привлечен к работе над орнаментом крыльев около 100 млн лет назад, на заре эволюции бабочек, и с тех пор неоднократно подвергался интенсивному отбору в разных эволюционных линиях.

Таким образом, генетические основы эволюции узоров на крыльях бабочек постепенно проясняются. Мы уже знаем, что в формировании орнаментов задействованы сигнальные белки и регуляторы транскрипции, которые обычно (у других животных, да и у тех же бабочек) выполняют совершенно другие функции. Увлекательный рассказ об этих исследованиях читатель найдет в главе 8 книги Шона Кэрролла «Бесконечное число самых прекрасных форм». Например, за красные пятна на крыльях Heliconius отвечает ген optix, важнейший регулятор развития глаз. В центре будущих ярких круглых пятен (глазков) у бабочек Bicyclus экспрессируется ген distal‑less (dll), участвующий в закладке конечностей – да и вообще любых отростков тела – у самых разных животных. Что общего между глазом насекомого и красным пятном на крыле? Разве что красный пигмент, но эта связь, скорее всего, случайна. Что общего между глазком на крыле и ногой? Здесь связь может оказаться более интересной: и то и другое в ходе развития возникает сначала как некий кружочек, «нарисованный» в определенном месте развивающегося организма сигнальным белком, который производится в центре кружка.

Ген cortex отличается от найденных ранее генов орнаментации крыльев тем, что он кодирует не транскрипционный фактор и не сигнальный белок, выделяемый клетками наружу для межклеточного общения. Транскрипционные факторы и сигнальные белки легко приобретают новые функции: это профессиональные переключатели и регуляторы работы генов, которым все равно, какие гены регулировать. Но cortex – специфический регулятор клеточных делений, у дрозофилы обслуживающий процесс созревания яйцеклеток. Его вовлеченность в раскрашивание крыльев бабочек приоткрывает какие‑то новые грани в эволюционной биологии развития. Каким образом cortex влияет на окраску крыльев, неясно. Однако нужно иметь в виду, что узор на крыльях бабочек сложен из чешуек, каждая из которых формируется из единственной клетки (илл. V, см. цветную вклейку). Процессы деления и миграции клеток, которым суждено стать чешуйками того или иного цвета, на стадии поздней личинки и куколки, очевидно, влияют на итоговый орнамент, однако конкретные механизмы этого влияния еще предстоит выяснить.

 

Исследование № 26

Геномы африканских рыб проясняют механизмы быстрого видообразования

 

Расширим масштаб рассмотрения эволюции с одного вида на многовидовые комплексы. Принцип остается тем же: появление и отбор генетических вариантов в зависимости от природного контекста – что именно выгодно иметь здесь и сейчас. От березовой пяденицы – классического примера внутривидовой адаптации на основе мутаций и отбора – мы перейдем к не менее знаменитому примеру появления целого букета разнообразных видов. Речь пойдет о цихлидах больших африканских озер Танганьика, Малави и Виктория. В каждом из них на основе небольшого числа видов‑первопоселенцев в ходе быстрой эволюции появились сотни новых видов. Как происходит такое быстрое, по геологическим масштабам взрывное, видообразование? Сравнение полных геномов пяти видов цихлид позволило частично понять его механизмы. Стремительное видообразование оказалось сложным и многогранным процессом, в котором важную роль сыграли дупликация генов, появление новых регуляторных микроРНК, разнонаправленный отбор по многим генам одновременно, сортировка старых и закрепление новых генетических вариаций в кодирующих и регуляторных областях, а также быстрое накопление генетического разнообразия в начальный период заселения озера, когда из‑за низкой конкуренции действие стабилизирующего отбора временно ослабло.

 

 

Сверхбыстрое видообразование (адаптивную радиацию) рыб цихлид в африканских озерах по праву называют «великим эволюционным экспериментом природы». Мы уже немного рассказывали о нем в книге «Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий». Особенно далеко этот эксперимент зашел в трех больших озерах – Танганьике, Малави и Виктории. В каждом из них из небольшого числа случайных первопоселенцев образовались огромные комплексы эндемичных видов, занимающих разные экологические ниши и контрастно различающихся по форме тела, окраске, поведению, строению мозга и особенностям зрительного восприятия. При этом в разных озерах параллельно и независимо возникли похожие формы, в том числе такие экзотические, как толстогубые энтомофаги (поедатели насекомых) и виды с асимметричными челюстями, специализирующиеся на обкусывании чешуи других рыб (см. Исследование № 20 и илл. VI на цветной вклейке).

В озере Танганьика 250 видов цихлид образовалось за 12–15 млн лет, в Малави – 500 видов менее чем за 5 млн лет. Рекордная скорость адаптивной радиации зафиксирована в самом молодом озере – Виктории, где на формирование 500 эндемичных видов ушло, по разным оценкам, от 15 до 100 тысяч лет. Впрочем, не исключено, что в Танганьике и Малави адаптивная радиация тоже шла особенно быстро на ранних этапах, а потом замедлилась.

Многочисленные случаи параллельной эволюции в трех озерах – результат освоения цихлидами всех доступных ниш под действием естественного отбора. Буйство красок, развитый половой диморфизм и сложное брачное поведение многих видов – недвусмысленные свидетельства работы полового отбора. Межвидовая гибридизация и эпизодическое вселение новых мигрантов из соседних водоемов тоже могли сыграть свою роль (см. Исследование № 28).

Разобраться в генетических механизмах быстрой адаптивной радиации цихлид – давняя мечта биологов. Важный шаг в этом направлении сделала команда ученых из США, Великобритании, Франции, Швейцарии, Швеции, Японии, Тайваня, Германии, Сингапура и Израиля, опубликовавшая в журнале Nature результаты анализа геномов пяти видов цихлид: Oreochromis niloticus из рек Северной Африки (представитель линии, предковой по отношению к трем озерным комплексам), Neolamprologus brichardi из Танганьики, Astatotilapia burtoni из рек в окрестностях озера Танганьика, Metriaclima zebra из Малави и Pundamilia nyererei из Виктории (Brawand et al., 2014).

Анализ геномов подтвердил высокий темп эволюции у африканских цихлид, а также ускоренную эволюцию озерных цихлид по сравнению с O. niloticus – представителем предковой линии, не проходившей этапа быстрой адаптивной радиации. Скорость эволюции в данном случае оценивали по соотношению значимых и незначимых (синонимичных) нуклеотидных замен в белок‑кодирующих генах. Как и следовало ожидать, значимые замены зафиксировались у озерных видов во многих генах, связанных с морфогенезом (в том числе с развитием челюстей), окраской и зрением.

Выяснилось также, что адаптивная радиация в озерах сопровождалась массовой дупликацией генов. Или, точнее, повышением вероятности того, что обе копии случайно удвоившегося гена сохранятся в ходе дальнейшей эволюции. Известно, что дупликация генов с последующим разделением функций между копиями – один из магистральных путей появления эволюционных новшеств (см. Исследования № 16–18). Однако в большинстве случаев возникающие в результате дупликаций «лишние» копии генов действительно оказываются лишними и быстро деградируют под грузом мутаций или вовсе теряются. Чтобы этого не случилось, в одной или обеих копиях должны произойти мутации, которые сделают обе копии незаменимыми, причем это должно произойти раньше, чем одна из копий выйдет из строя. Повышенное число дуплицированных генов у цихлид больших озер говорит о том, что в ходе адаптивной радиации для «лишних» копий удвоившихся генов чаще, чем обычно, находилась новая важная работа.

Чтобы проверить это предположение, ученые сравнили для 888 пар дуплицированных генов экспрессионные профили (то есть списки органов и тканей, в которых работает каждая из двух копий). Оказалось, что в 20 % случаев одна из копий удвоившегося гена стала работать совсем в других тканях, чем исходный ген. Это согласуется с предположением о неофункционализации – приобретении дубликатами генов новых функций (см. Исследование № 16).

Некоторые факты – в частности, перемещения мобильных генетических элементов и многочисленные изменения, затронувшие регуляторные участки генома, – указывают на то, что на ранних этапах адаптивной радиации озерных цихлид был период, когда действие очищающего отбора резко ослабло. Это позволило закрепиться множеству мутаций, которые в иных условиях заметно снижали бы приспособленность и отбраковывались отбором. Может быть, временное ослабление отбора было связано с заселением новообразовавшихся озер, где поначалу было множество свободных ниш и никакой конкуренции.

У исследованных озерных цихлид выявлено 625 сильно изменившихся регуляторных участков, которые у других костистых рыб в ходе эволюции менялись мало. В 370 из этих участков многочисленные уникальные изменения выявлены только в одной из эволюционных линий озерных цихлид, а в остальных участках разнообразные мутации накапливались параллельно в нескольких линиях. Многие изменившиеся регуляторные участки находятся по соседству с генами, опосредующими межклеточные взаимодействия и передачу химических сигналов между клетками. Такие гены могут влиять на ход индивидуального развития и, следовательно, на морфологию рыб.

Важную роль в регуляции активности генов в ходе индивидуального развития животных играют микроРНК. Как выяснилось, в ходе адаптивной радиации цихлид набор регуляторных микроРНК подвергся существенным изменениям. В частности, появилось 40 новых микроРНК. Для нескольких из них удалось получить экспериментальные подтверждения их вовлеченности в регуляцию работы ключевых генов – регуляторов развития, таких как neurod 2 (контролирует развитие мозга и дифференциацию нейронов) и bmpr 1 b (участвует в развитии чуть ли не всех систем органов).

Исследователи также дополнительно проанализировали фрагментарные генетические данные по шести близкородственным видам цихлид – эндемикам озера Виктория (как мы помним, в этом озере адаптивная радиация началась позже всего, от 100 до 15 тысяч лет назад). Выяснилось, что за столь недолгое по геологическим меркам время шесть видов из Виктории успели накопить значительные генетические различия. Правда, в основном эти различия не качественные, а количественные: они затрагивают частоты встречаемости аллелей. Фиксированные различия (позиции, в которых у всех представителей вида А стоит один нуклеотид, а у всех представителей вида Б – другой) тоже есть, но их немного. Эти данные показывают, что в ходе освоения различных ниш отбор действует одновременно на множество участков генома. Еще один вывод состоит в том, что генетической основой для видообразования в данном случае послужило в первую очередь то генетическое разнообразие, которое уже имелось у предковой популяции до начала расхождения, и лишь во вторую – вновь возникающие мутации (см. Исследование № 25).

Среди шести родственных видов из озера Виктория одни отличаются друг от друга лишь брачной окраской, другие – анатомически (например, строением челюстей). Ученые обнаружили интересную закономерность в распределении генетических различий в этих двух случаях. Оказалось, что в парах видов, различающихся только по окраске, значительная часть генетических различий приурочена к белок‑кодирующим участкам генов, тогда как у видов со сходной окраской, но различающихся по морфологии – в основном к некодирующим участкам. Это согласуется с выводами эволюционной биологии развития, согласно которым изменения таких «поверхностных» признаков, как окраска, с большей вероятностью связаны с изменениями белков, а изменения «фундаментальных» морфологических признаков, таких как форма плавников или челюстей, скорее всего, вызваны изменениями некодирующих (регуляторных) участков многофункциональных генов – регуляторов развития.

Таким образом, исследование показало, что быстрая адаптивная радиация – процесс сложный и многогранный. Важную роль в нем играют нейтральные эволюционные процессы (накопление генетического полиморфизма, в том числе в периоды временного ослабления отбора), разнонаправленный отбор сразу по множеству локусов, дупликация генов, появление новых регуляторных микроРНК, адаптивные изменения кодирующих и регуляторных участков генома.

Вероятно, не за горами тот день, когда будут отсеквенированы геномы многих или даже всех видов цихлид африканских озер. И тогда можно будет во всех деталях разобрать генетические результаты «великого эволюционного эксперимента природы».

 

Исследование № 27