» » Пищевое поведение у пещерной рыбы наследуется эпигенетически

Слепая пещерная форма рыбы Astyanax mexicanus (на переднем плане) рядом со своими зрячими" />

Пищевое поведение у пещерной рыбы наследуется эпигенетически


Слепая пещерная форма рыбы Astyanax mexicanus (на переднем плане) рядом со своими зрячими родственниками')">

Пищевое поведение у пещерной рыбы наследуется эпигенетически
Слепая пещерная форма рыбы Astyanax mexicanus (на переднем плане) рядом со своими зрячими родственниками" border=0 width="600">
Пищевое поведение у пещерной рыбы наследуется эпигенетически

Слепая пещерная форма рыбы Astyanax mexicanus (на переднем плане) рядом со своими зрячими родственниками. Изображение с сайта sciencedaily.com


Эпигенетическое наследование (наследование изменений в экспрессии генов или фенотипе, вызываемое не изменением последовательности ДНК, а другими механизмами) играет большую роль во многих биологических процессах. Исследуя две популяции пещерных мексиканских рыб, американские биологи обнаружили, что пищевое поведение рыб из этих популяций контролируется различными генетическими механизмами. В одном случае это поведение наследуется по отцовской линии, в другом — по материнской. Эпигенетическое наследование хорошо объясняет несоответствие ядерной и митохондриальной ДНК, характерное для одной из двух пещерных популяций.

В последнее десятилетие стало всё больше появляться доказательств эпигенетического наследования самых различных признаков. Дело в том, что далеко не вся наследственная информация «записана» в последовательности нуклеотидов в ДНК. Например, на активность генов сильно влияет их метилирование — добавление к одному из оснований метильной группы –СН3. Паттерн метилирования может передаваться по наследству, хотя сам процесс метилирования может быть запущен под воздействием тех или иных условий среды. Например, если крыса-мать очень заботлива по отношению к своим детям и часто их вылизывает, то это приводит к метилированию промоторов определенных генов в мозге крысят, в результате чего дочери, скорее всего, будут такими же заботливыми матерями (см. Гены управляют поведением, а поведение — генами, «Элементы», 12.11.2008). Эпигенетическая наследственная информация может передаваться и с другими молекулами (например, РНК), которые имеются в цитоплазме половых клеток (cм. Наследственная информация записана не только в ДНК, «Элементы», 01.06.2006).

Эпигенетическое наследование часто приводит к нарушениям законов классической генетики (законов Менделя). Например, в потомстве могут доминировать те признаки одного из родителей, наследование которых не связано с половыми хромосомами. Недавние исследования показывают, что это явление достаточно распространенное: например, в мозге мышей найдено уже около 1300 локусов, демонстрирующих родительский паттерн генной экспрессии. В то же время, во многом непонятно, как эпигенетическое наследование тех или иных признаков влияет на их эволюцию, а особенно на эволюцию поведения.

Биологи из Мэрилендского университета в Колледж-Парке провели изящное исследование роли эпигенетического наследования в эволюции пищевого поведения на уникальном объекте — мексиканских пещерных рыбах Astyanax mexicanus. Эти рыбы необычны тем, что слепая пещерная форма и ее зрячий предок, обитающий в открытых водах, сосуществуют в наши дни. В течение последних нескольких миллионов лет зрячая форма по крайней мере пять раз колонизировала пещеры в северо-восточной Мексике, в результате чего образовывались изолированные пещерные популяции, которые независимо теряли зрение и приобретали специфическую сенсорную чувствительность, необходимую для жизни в пещерах. Удобство объекта заключается в том, что слепую и зрячую формы можно легко скрестить в лаборатории и получить жизнеспособное потомство.

Слепая форма отличается от зрячей не только отсутствием глаз. Если в воду поместить источник вибрации, слепая форма активно плывет к нему и пытается схватить ртом потенциальную добычу, то есть демонстрирует так называемое «влечение к вибрации» (vibration attraction behavior, VAB). Зрячая форма не демонстрирует такого поведения, поскольку в открытой воде она рискует наткнуться на хищника. В пещерах хищников практически нет, а запас пищи ограничен, поэтому поведение слепой формы вполне адаптивно. VAB зависит от количества и размера рецепторов боковой линии, так называемых нейромастов. У пещерных форм A. mexicanus нейромасты многочисленнее и крупнее, чем у зрячей формы.

Анализируя филогенетические связи A. mexicanus из разных пещерных популяций, авторы обратили внимание, что у формы из пещеры Пачон (Pachon) имеются некоторые интересные особенности: ее ядерная ДНК похожа на ДНК других пещерных форм, а митохондриальная ДНК сходна с таковой у зрячей формы. Присутствие у пещерной рыбы митохондриальной ДНК зрячей формы можно было бы объяснить сравнительно недавней гибридизацией двух форм и избирательной фиксацией материнских генов зрячей формы. У формы из другой пещеры, Лос-Сабинос (Los Sabinos), такого несоответствия не наблюдалось. Эти данные навели авторов на мысль, что характер наследования пищевого поведения, запускаемого вибрацией, может быть различен у двух популяций пещерных рыб. Чтобы это проверить, нужно было провести генетический анализ.

Рыб из каждой из двух пещер скрестили со зрячей формой в обоих направлениях (то есть скрещивали и зрячую самку со слепым самцом, и, наоборот, зрячего самца со слепой самкой), в результате чего получили в общей сложности 256 потомков. И у родителей, и у детей исследовали не только пищевое поведение (подплывание к источнику вибрации и попытку схватить добычу), но и число и размер нейромастов на голове.

У формы из пещеры Пачон гибридное потомство слепых отцов и зрячих матерей демонстрировало влечение к вибрации, тогда как потомство зрячих отцов и слепых матерей на вибрацию практически не реагировало (рис. 1А). Когда исследовали отдельно самцов и самок для каждого из направлений скрещиваний, то оказалось, что достоверных различий между ними нет. Это говорит о том, что у данного признака нет сцепленности с полом, а следовательно, скорее всего имеет место эпигенетическое наследование и так называемый отцовский эффект (доминирование отцовских признаков). Такая же асимметрия была обнаружена по количеству нейромастов. У потомства от пещерных отцов их число было выше, чем у потомства от зрячих отцов (рис. 1В), хотя различий по размеру не оказалось (рис. 1С). В экспериментах с исследованием реакции хватания добычи дети пещерных отцов также оказались на высоте: они «клевали» вибрирующий источник не только быстрее, чем дети зрячих отцов, но даже чем их пещерные отцы (рис. 1D). Авторы объясняют эти результаты феноменом гетерозиса, при котором гетерозиготное потомство в первом поколении превосходит по некоторым качествам обоих родителей. Вывод из всех этих экспериментов следующий: для нескольких параметров, определяющих пищевое поведение, у гибридного потомства рыб из пещеры Пачон выявлен отцовский характер наследования.


Пищевое поведение у пещерной рыбы наследуется эпигенетически

Пищевое поведение у пещерной рыбы наследуется эпигенетически

Рис. 1. AH. Влияние родительских генетических эффектов на различные параметры: наследование локомоторного поведения, вызываемого вибрацией (А, Е), число нейромастов (В, F), размер нейромастов (C, G) и интенсивность клевания источника вибрации (D, H) у рыб A. mexicanus. Sr — зрячая форма, Cr — слепая пещерная форма, F1SC — потомство от зрячей матери и слепого отца, F1CS — потомство от слепой матери и зрячего отца. IP. Исследование нейромастов. I — изображение зрячей рыбы, область на голове, обведенная черным прямоугольником, изображена далее на JP. J — окрашенные флуоресцентной краской нейромасты на голове зрячей формы. K, N — нейромасты на голове пещерной формы. L, M, O, P — нейромасты на голове гибридов. Изображение из обсуждаемой статьи в Evolution


Асимметрия в демонстрации вызываемого вибрацией поведения также была найдена у потомства от скрещиваний зрячей формы со слепой формой из пещеры Лос-Сабинос. Однако в этом случае наблюдался материнский эффект (доминирование материнских признаков): гибридное потомство от пещерных матерей сильнее реагировало на вибрацию, чем потомство от пещерных отцов (рис. 1Е). Что касается «клевания» вибрирующего источника, успех был выше у потомства от матерей из пещеры Лос-Сабинос, чем у потомства от зрячих матерей и самих слепых матерей (рис. 1H). Как и в случае потомства от рыб из пещеры Пачон, различий между самками и самцами найдено не было (то есть не было сцепленности с полом). В отличие от потомства рыб из пещеры Пачон, у потомства рыб из пещеры Лос-Сабинос асимметрия была обнаружена не по числу нейромастов, а по их размеру (рис. 1F–G). Корреляционный анализ показал, что поведение, вызываемое вибрацией, коррелировало с числом нейромастов у потомства рыб из пещеры Пачон и с их размером у потомства рыб из пещеры Лос-Сабинос. Поэтому авторы предполагают, что в основе поведения, вызываемого вибрацией, у этих двух популяций пещерных рыб лежат разные механизмы.

В свете того, что пищевое поведение рыб из популяции в пещере Пачон имеет отцовский характер наследования, несоответствие митохондриального и ядерного генома, которое было обнаружено для этой популяции, можно изящно объяснить. Гибридное потомство пещерных отцов, получившее митохондриальную ДНК от зрячих матерей, будет активно реагировать на вибрацию и потому получать в пещерах селективное преимущество. Напротив, гибридное потомство пещерных матерей, получивших от них же и митохондриальную ДНК, не будет адекватно реагировать на вибрацию, и потому быстро вымрет в пещерных условиях. Таким образом, вся пещерная популяция будет иметь митохондриальную ДНК зрячей формы, что и имеет место в пещере Пачон.


Пищевое поведение у пещерной рыбы наследуется эпигенетически

Рис. 2. Модель, объясняющая разное влияние ядерной и митохондриальной ДНК в результате отцовского генетического эффекта на адаптивное поведение. Оранжевые и черные палочки обозначают аллели слепой и зрячей формы, а оранжевые и черные кружки — митохондриальный геном от слепых и зрячих форм соответственно, красная горизонтальная линия — локус адаптивного признака (например, влечения к вибрации). Красные звездочки обозначают особей, имеющих адаптивный признак. Гибриды слепого отца и зрячей матери унаследуют (через митохондриальную ДНК) признак от матери и будут процветать. Гибриды же от слепой матери и зрячего отца, наоборот, признак не унаследуют и потому имеют большой шанс вымереть (обозначено скелетиком). Cf — пещерная форма, Sf — зрячая форма. Изображение из дополнительного материала обсуждаемой статьи в Evolution


Эта работа является, по существу, первым исследованием, продемонстрировавшим конвергентную эволюцию адаптивного поведения в результате разного характера наследования. Авторы подчеркивают два важных момента. Во-первых, оказывается, что различные генетические механизмы могут приводить к сходным результатам, в данном случае — к изменению поведения, которое оказывается адаптивным для жизни в специфических условиях. Во-вторых, эта работа демонстрирует, что эпигенетическое наследование может играть важную роль в возникновении нового признака.

Работа поднимает еще одну интересную проблему. В литературе известно много примеров несоответствия ядерной и митохондриальной ДНК в природных популяциях. Эти несоответствия часто объясняют дрейфом генов в маленьких популяциях или положительным отбором митохондриальной ДНК. Обычно эти объяснения носят гипотетический характер. Популяция рыб из пещеры Пачон представляет собой замечательный пример, когда объяснение такому несоответствию можно дать с большой уверенностью.

Источник: Masato Yoshizawa, Go Ashida, William R. Jeffery. Parental genetic effects in a cavefish adaptive behavior explain disparity between nuclear and mitochondrial DNA // Evolution. 2012. V. 66. P. 2975–2982.

Варвара Веденина


05 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Рыбки Danio rerio наследуют модификации ДНК от отца

Активное/неактивное состояние генов в клетке обеспечивается химическими модификациями (метками) ДНК. До сих пор была распространена гипотеза, что сразу после оплодотворения все метки с родительской

Почему половой отбор не может обеспечить всех баранов большими рогами

Британские биологи, изучающие уникальную популяцию одичавших овец с острова Соэй, нашли ответ на вопрос, долго мучавший теоретиков: почему в популяции сохраняется наследственная изменчивость по

Самки медленнее стареют, если за них не конкурируют

У многих животных оптимальные репродуктивные стратегии самцов и самок не согласуются друг с другом, что приводит к «конфликту полов». Часто самцы добиваются женской благосклонности назойливо и

Глаза пещерных рыб эволюционировали за счет скрытой генетической изменчивости

Разносторонние эксперименты позволили биологам из Гарвардской медицинской школы расшифровать все звенья адаптивной цепи, в ходе которой зрячие рыбки открытых водоемов превращались в незрячих пещерных
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Камеры заднего видаКалькулятор тарифов Яндекс на таксиОсновные преимущества керамической плиткиАвтосвет, нюансы ремонта и обслуживанияЭкстрасенсы помогают следствию в раскрытии преступленийВьетнамские дети попрыгали через мертвую змею вместо скакалкиСамостоятельные путешествия, что важно знатьНа реке Генхе в Китае появился редкий вращающийся ледяной диск