Эволюция защитной окраски у мышей изучена на молекулярном уровне
|
Оленьи мыши Peromyscus maniculatus в норме имеют темную окраску, однако представители этого вида, обитающие в районе с очень светлой почвой (Песчаные Холмы в штате Небраска), окрашены светлее своих сородичей. Это помогает им прятаться от хищных птиц. Молекулярно-генетический анализ показал, что данная адаптация возникла менее 10 000 лет назад в результате единичной мутации в гене Agouti, влияющем на пигментацию волос. Это один из немногих случаев, когда эволюцию адаптивного (полезного) признака в естественных условиях удалось «расшифровать» на всех уровнях — от экологического до молекулярного.
Эволюция адаптаций — одна из центральных тем биологических исследований. Несмотря на повышенный интерес ученых к этому явлению, до сих пор удалось во всех деталях проследить и описать не так уж много случаев эволюции адаптивных признаков в природе. Есть ряд хрестоматийных примеров, таких как изменение длины клюва у галапагосских вьюрков в зависимости от доступности тех или иных семян и межвидовой конкуренции (Grant & Grant, 2006), возникновение белков-антифризов в крови у антарктических рыб (Chen et al., 1997), промышленный меланизм (см. industrial melanism; Berry, 2008) и многие другие, однако в большинстве случаев те или иные нюансы комплексного процесса эволюции адаптивного признака остаются нерасшифрованными. Поэтому появление нового примера досконально изученного и «разложенного по полочкам» акта адаптивной эволюции является важным научным событием.
Впрочем, белоногие или оленьи мыши с Песчаных Холмов в штате Небраска (Sand Hills, Nebraska) с их светлой маскировочной окраской стали хрестоматийным примером эволюции адаптивных признаков задолго до того, как ученым удалось расшифровать молекулярно-генетические основы данной адаптации. Этому способствовали два обстоятельства. Во-первых, адаптивность светлой окраски не вызывает никаких сомнений: хищные птицы гораздо лучше видят на светлом фоне темную мышь, чем светлую. Во-вторых, Песчаные Холмы — сравнительно молодое геологическое образование: они сформировались после отступления ледника около 10 000 лет назад. Это дает основания предполагать, что мы имеем дело с адаптацией, появившейся — в эволюционном масштабе времени — совсем недавно. Поэтому упоминания о мышах с Песчаных Холмов можно найти в учебниках и популярных книгах по эволюции рядом с рассказами о промышленном меланизме, дарвиновских вьюрках и белках-антифризах. Однако для полноты картины очень важно было выяснить генетические основы этой адаптации. Именно такую цель и поставили перед собой американские эволюционные генетики из Гарвардского и Калифорнийского университетов, опубликовавшие свои результаты в последнем номере журнала Science.
Окраска шерсти млекопитающих зависит от распределения двух пигментов: черно-коричневого эумеланина и рыжего феомеланина. Клетки, отвечающие за окраску волоса (меланоциты), могут поочередно синтезировать то один, то другой пигмент по мере роста волоса. В результате волос получается полосатым. Часто кончик и основание волоса темные (эумеланиновые), а посередине имеется более или менее широкая светлая (феомеланиновая) полоса. Именно так обстоит дело у оленьих мышей. Как выяснилось, светлая окраска мышей с Песчаных Холмов обусловлена тем, что у них феомеланиновая полоса гораздо шире, чем у типичных (темноокрашенных) представителей данного вида, живущих в районах с темной почвой.
Установив этот факт, ученые сразу заподозрили, что эволюция защитной окраски могла быть связана с геном Agouti. Сигнальный белок, кодируемый этим геном, подает команду меланоцитам синтезировать феомеланин вместо эумеланина (см. Agouti signalling peptide). Влияние мутаций этого гена на окраску шерсти подробно изучено на домовых мышах (Mus musculus). Известно, что мутанты с отключенным геном Agouti имеют черную окраску, а повышенная активность гена приводит к очень светлой окраске. Известно также, что «светлые» аллели (варианты) гена Agouti обычно доминантны по отношению к «темным» (это значит, что при скрещивании темной и светлой мышей из чистых линий первое поколение потомков будет сплошь светлым, а во втором поколении на каждые три светлых мыши будет приходиться одна темная).
Чтобы проверить, действительно ли светлая окраска мышей с Песчаных Холмов связана с геном Agouti, ученые скрещивали их с «нормальными» темными сородичами (при этом все потомство в первом поколении получилось светлым), а также с совершенно черными мутантами, у которых ген Agouti выведен из строя. Результаты этих скрещиваний и ряда других тестов позволили авторам показать, что светлая окраска мышей с Песчаных Холмов действительно объясняется доминантной мутацией в гене Agouti (а не в каком-либо другом гене, связанном с окраской шерсти).
Дальнейшие эксперименты показали, что непосредственным результатом мутации является повышенная активность гена Agouti в первую неделю жизни мышат, то есть в тот период, когда у них отрастает шерсть. Максимальная активность Agouti приходится на четвертый день жизни как у нормальных, так и у светлых мышей, однако абсолютная величина этой активности (измеряемая по количеству матричных РНК, считанных с гена) у светлых особей с Песчаных Холмов в несколько раз выше, чем у нормальных представителей данного вида.
Следующая задача состояла в том, чтобы выяснить природу мутации, то есть определить, какие именно изменения в нуклеотидной последовательности гена Agouti ответственны за светлую окраску. Для этого авторы отсеквенировали (определили нуклеотидную последовательность) гена Agouti у темных и светлых оленьих мышей из своих лабораторных линий, а также у 90 диких мышей, пойманных в пограничной зоне на краю Песчаных Холмов, где встречаются как темные, так и светлые особи. В результате было выявлено около 20 полиморфных сайтов, то есть таких участков гена, которые не у всех особей одинаковы. В настоящее время разработано множество весьма сложных и эффективных методов статистического анализа нуклеотидных последовательностей, которые позволяют, в частности, обнаруживать следы действия позитивного (движущего) отбора на те или иные участки генов и отличать полезные (адаптивные) изменения ДНК, которые поддерживались отбором, от нейтральных (не полезных и не вредных) изменений, которые распространялись в популяции случайным образом, без участия отбора. Применив эти методы к последовательностям гена Agouti оленьих мышей, авторы пришли к выводу, что ключевая мутация, в результате которой мыши приобрели светлую окраску, скорее всего, состояла в выпадении трех нуклеотидов, кодирующих аминокислоту серин. Изменения в остальных 19 полиморфных сайтах тоже могли внести вклад, но менее значительный.
Каким образом выпадение одной аминокислоты из сигнального белка, кодируемого геном Agouti, приводит к активизации синтеза этого белка в первую неделю жизни мышат — это пока остается неизвестным. Зато удалось показать, что данная мутация, по всей видимости, появилась и начала распространяться в популяции оленьих мышей совсем недавно — значительно позже, чем отступил ледник и сформировались Песчаные Холмы с их светлым грунтом. В пользу молодости данной мутации свидетельствуют результаты статистических тестов. В частности, оказалось, что «светлые» варианты гена (в которых отсутствуют вышеупомянутые три нуклеотида) намного меньше варьируют по остальным полиморфным сайтам, чем «темные» варианты. Этого не должно было бы наблюдаться, если бы данная мутация (выпадение трех нуклеотидов) существовала в популяции в качестве нейтральной задолго до того, как появились Песчаные Холмы и она стала полезной.
Исследование показало, что быстрое формирование новых адаптаций может происходить не только на основе предсуществующей генетической изменчивости, но и за счет новых мутаций, появляющихся уже после того, как в них «возникла потребность». В тот момент, когда условия среды (а значит, и направление отбора, действующего на популяцию) вдруг меняются, в популяции может не оказаться «подходящих» генетических вариантов, которые были до сих пор нейтральными, а теперь стали полезными. Скорее всего, светлая окраска была не нейтральной, а однозначно вредной для оленьих мышей, пока они жили только в районах с темной почвой. Но когда сформировались Песчаные Холмы — подходящая для жизни оленьих мышей территория со светлой почвой — ситуация сразу изменилась, и появляющиеся изредка в популяции светлоокрашенные мутанты, которых отбор до сих пор безжалостно отсеивал, получили свой шанс.
В целом, как видим, ничего принципиально нового для эволюционной теории данное исследование не дало. Эволюция защитной окраски у оленьих мышей происходила совершенно «по учебнику», в точном соответствии с общепринятыми взглядами. Главная ценность этой работы в том и состоит, что она еще раз — и весьма наглядно — подтвердила действенность классической «неодарвинистской» модели эволюции адаптаций. Ведь это тоже полезно делать время от времени, а не только опровергать догмы.
Источник: Catherine R. Linnen, Evan P. Kingsley, Jeffrey D. Jensen, Hopi E. Hoekstra. On the Origin and Spread of an Adaptive Allele in Deer Mice // Science. 2009. V. 325. P. 1095–1098.
Александр Марков
