» » Мутация одного гена сделала муху зависимой от кактуса

Мутация одного гена сделала муху зависимой от кактуса


Мутация одного гена сделала муху зависимой от кактуса

Мутация одного гена сделала муху зависимой от кактуса

Рис. 1. Кактус Lophocereus schottii и муха Drosophila pachea, которая не может без него жить. Фото с сайтов www.delange.org и v2.boldsystems.org


Муха Drosophila pachea способна жить только на кактусе Lophocereus schottii, растущем в пустыне Сонора. Как выяснилось, столь узкая специализация — результат изменения гена, необходимого для синтеза стероидного гормона экдизона. Мутации в этом гене привели к тому, что мухи утратили способность синтезировать экдизон из холестерола, как это делают другие насекомые, и стали производить его из специфических стеролов, содержащихся в кактусе. Мутации повысили выживаемость личинок и были поддержаны отбором. Таким образом, изменение одного-единственного гена может привести к формированию узкой экологической специализации.

Многие организмы способны жить только в крайне ограниченном диапазоне условий, то есть приспособлены к узким экологическим нишам. Это характерно для многих растительноядных насекомых. Помимо общих соображений о том, что «узкая специализация — путь к совершенству», о механизмах эволюционного становления специалистов известно не так уж много. Мухи-дрозофилиды являются хорошим объектом для таких исследований по двум причинам. Во-первых, к ним относится изученная вдоль и поперек Drosophila melanogaster, для которой разработаны эффективные исследовательские методики. Во-вторых, среди видов этого семейства есть как непритязательные генералисты, способные жить в весьма разнообразных условиях, так и узкие специалисты.

Ярким представителем последних является Drosophila pachea. Личинки этих мух живут только на одном виде кактуса — Lophocereus schottii. В лаборатории они отказываются расти на стандартных питательных средах, но если добавить в корм экстракт кактуса, развитие происходит нормально. Команда генетиков из Франции, США и Японии выяснила причину столь удивительной «кактусозависимости».

Развитие насекомых регулируется стероидным гормоном экдизоном, который синтезируется в переднегрудных железах из холестерола. Синтез происходит в несколько этапов, первый из которых — превращение холестерола в 7-дегидрохолестерол (7DHC). Ранее было показано, что мухи D. pachea не способны осуществлять эту реакцию. Поэтому они и погибают на стандартном корме. Если же добавить в корм 7DHC, личинки развиваются нормально, и никаких кактусов им уже не требуется. Авторы выращивали мух D. pachea в такой среде четыре года (60 поколений) и не заметили отклонений от нормы.

Известно, что в кактусе L. schottii содержится несколько специфических стеролов, в том числе латостерол (lathosterol), которого нет ни в одном другом растении пустыни Сонора. По-видимому, именно эти стеролы необходимы мухам, не способным жить без кактуса. Логично предположить, что мухи используют их вместо холестерола в качестве сырья для синтеза экдизона. Эксперименты подтвердили это предположение: оказалось, что мухи D. pachea синтезируют экдизон из латостерола (рис. 2).


Мутация одного гена сделала муху зависимой от кактуса

Рис. 2. У обычных дрозофилид фермент NVD может синтезировать 7DHC как из холестерола, так и из латостерола, содержащегося в кактусе L. schottii. У кактусовых мух D. pachea этот фермент потерял способность работать с холестеролом. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science


Превращение холестерола в 7DHC у насекомых катализируется ферментом NVD (Rieske-domain oxygenase Neverland). Авторы обнаружили, что фермент NVD D. pachea существенно отличается от его аналогов у других насекомых. В том числе отличаются пять аминокислот, которые у других насекомых весьма консервативны (то есть одинаковы у всех или почти всех исследованных видов). При помощи экспериментов с генно-модифицированными мухами и культурами клеток удалось показать, что версия фермента, характерная для D. pachea, успешно синтезирует 7DHC из латостерола, но не из холестерола. «Стандартная» версия фермента может использовать в качестве сырья для синтеза 7DHC оба вещества: и холестерол, и латостерол. На это указывают, в частности, следующие факты. Мухи D. melanogaster с отключенным геном nvd не выживают ни на стандартной среде, ни на среде с добавлением латостерола, но нормально развиваются на среде с добавлением 7DHC. Если же вставить в геном такой мухи ген nvd D. pachea, насекомые приобретают способность развиваться на среде с латостеролом (но не на стандартной). Наконец, если вставить в муху ген nvd D. pachea, в котором четыре из пяти вышеупомянутых мутаций возвращены в исходное для дрозофилид состояние, мухи обретают способность жить на всех трех средах (стандартной, с латостеролом и с 7DHC), подобно обычным, «диким» D. melanogaster (см. рис. 3).


Мутация одного гена сделала муху зависимой от кактуса

Рис. 3. Относительная выживаемость мух D. melanogaster на обычном корме (серые столбики), с добавлением латостерола (белые) и с добавлением 7DHC (черные). Первая группа из трех столбиков — контроль («дикий тип»), вторая — мухи с отключенным геном nvd, третья — мухи, которым отключили их собственный ген nvd и добавили соответствующий ген кактусовой мухи D. pachea, четвертая — добавлен ген D. pachea, в котором четыре мутации, характерные для кактусовой мухи, были возвращены в исходное для дрозофилид состояние. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science


По-видимому, предки D. pachea имели «стандартную» версию фермента NVD, которая синтезировала 7DHC из холестерола. Фермент мог работать и с латостеролом, но эта способность оставалась невостребованной (латентной), пока мухи не начали осваивать кактус L. schottii в качестве субстрата для развития личинок. Переход на новое кормовое растение позволил мухам уйти от конкуренции с близкими видами и предоставил в их распоряжение альтернативное сырье для производства 7DHC — латостерол. После этого в генофонде D. pachea закрепились мутации, лишившие NVD способности работать с холестеролом. Так мухи попали в зависимость от кактуса.

Немаловажный вопрос: почему эти мутации закрепились (то есть достигли 100-процентной частоты в генофонде)? Здесь возможны два сценария. Мутации могли быть нейтральными, то есть не приносящими ни вреда, ни пользы. Например, они могли немного «подпортить» фермент, лишив его способности работать с одним из субстратов (холестеролом), но сохранив возможность работы с другим (латостеролом). В условиях изобилия латостерола такое повреждение фермента не принесло бы вреда. В этом случае мутации могли закрепиться за счет генетического дрейфа, то есть случайно. Второй, более интересный сценарий предполагает, что мутации были полезными, что они повысили приспособленность (репродуктивный успех) кактусовых мух. В этом случае они должны были закрепиться под действием отбора, а не дрейфа, то есть не случайно, а закономерно.

Два факта указывают на то, что в данном случае события развивались по второму сценарию (мутации были полезными). Во-первых, трансгенные D. melanogaster, которым их собственный ген nvd заменили на его аналог, заимствованный у D. pachea, развивались на корме с добавлением латостерола лучше, чем контрольные мухи (самый высокий столбик на рис. 3). Очевидно, это значит, что вариант nvd, характерный для D. pachea, повышает приспособленность мух при наличии в среде латостерола. Второе свидетельство полезности мутаций, закрепившихся у D. pachea в гене nvd, состоит в том, что участок хромосомы, где расположен этот ген, несет характерные следы действия положительного отбора (так называют отбор, поддерживающий полезные мутации, в отличие от отрицательного отбора, отбраковывающего мутации вредные). Одним из таких следов является повышенное соотношение значимых и синонимичных нуклеотидных замен (см.: Ka/Ks ratio). Высокая доля значимых замен указывает на положительный отбор, низкая — на отрицательный, средняя — на нейтральную эволюцию. В гене nvd у D. pachea доля значимых замен повышена. Второй признак — низкий уровень генетического полиморфизма в гене nvd и его окрестностях.

Когда полезная мутация под действием положительного отбора распространяется в популяции, она «выметает» из генофонда генетическое разнообразие в своих окрестностях (см. Selective sweep). Всё это говорит о том, что мутации в гене nvd, произошедшие у предков D. pachea, были полезными, то есть повысили приспособленность мух на новом кормовом растении. В чём конкретно состояла эта польза, выяснить пока не удалось. Эксперименты показали, что фермент NVD кактусовой мухи синтезирует 7DHC из латостерола не более (но и не менее) эффективно, чем тот же фермент других дрозофилид. Может быть, польза заключалась в экономии холестерола (который нужен мухам не только для производства гормонов) или в чем-то еще.

Так или иначе, исследование расширило представления о механизмах формирования экологической специализации и показало, что для этого может быть достаточно изменения одного-единственного гена.

Источник: Michael Lang, Sophie Murat, Andrew G. Clark, Geraldine Gouppil, Catherine Blais, Luciano M. Matzkin, Emilie Guittard, Takuji Yoshiyama-Yanagawa, Hiroshi Kataoka, Ryusuke Niwa, Rene Lafont, Chantal Dauphin-Villemant, Virginie Orgogozo. Mutations in the neverland Gene Turned Drosophila pachea into an Obligate Specialist Species // Science. 2012. V. 337. P. 1658–1661.

Александр Марков


05 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

В долгосрочном эксперименте зафиксировано поэтапное формирование эволюционного новшества

В ходе долгосрочного эволюционного эксперимента на бактериях E. coli в одной из 12 подопытных популяций появился новый полезный признак — способность питаться цитратом в аэробных условиях. Сначала

Процесс появления новых ферментов прослежен в эволюционном эксперименте

Эксперименты на бактерии Salmonella enterica показали, что новые ферменты могут возникать по схеме «инновация — амплификация — дивергенция». Сначала у фермента в результате мутации появляется

Кроссинговер у мух контролируется белками, которые у других животных отвечают за репликацию ДНК

У всех животных, от губок до людей, для нормального кроссинговера (обмена участками хромосом при формировании половых клеток) необходим белковый комплекс Msh4-Msh5. Единственное исключение — мухи, у

Несовместимые гены у представителей одного и того же вида оказались обычным явлением

Американские биологи обнаружили, что взаимно несовместимые пары аллелей нередко встречаются внутри единого, неразделенного видового генофонда. Этот вывод подтвержден на больших искусственных

Найден «волшебный признак», способствующий видообразованию у дрозофил

Два родственных вида дрозофил — Drosophila serrata и D. birchii — не скрещиваются друг с другом, хотя и проживают на одной территории в восточной Австралии. Американские биологи обнаружили у этих мух
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Калькулятор тарифов Яндекс на таксиОсновные преимущества керамической плиткиАвтосвет, нюансы ремонта и обслуживанияЭкстрасенсы помогают следствию в раскрытии преступленийВьетнамские дети попрыгали через мертвую змею вместо скакалкиНа реке Генхе в Китае появился редкий вращающийся ледяной дискСтруктура РишатВыброшенную из Млечного Пути сверхбыструю звезду используют для измерения скорости Солнца