» » У комаров генетическая адаптация к окружающей среде определяется только географией

У комаров генетическая адаптация к окружающей среде определяется только географией


У комаров генетическая адаптация к окружающей среде определяется только географией

У комаров генетическая адаптация к окружающей среде определяется только географией

Рис. 1. Жизненный цикл обыкновенного комара. По часовой стрелке, начиная с левого верхнего фото: откладываемые в воду яйца, водные личинки-фильтраторы, подвижная куколка, имаго. Фото с сайтов wikipedia.org, dpreview.com, pasteur.fr


Наши обычные комары-пискуны Culex pipiens представлены двумя формами — «городской» и «природной». Эти формы не различимы по внешним признакам, но существенно различаются по образу жизни. Российско-американская группа исследователей изучила, какие участки генома подвержены действию естественного отбора у комаров разных форм, населяющих разные местообитания в Центральной России и в Калифорнии. Таких участков оказалось до 20%, причем около половины из них относились к некодирующим последовательностям, по-видимому влияющим на работу других генов. Самый же главный результат работы — то, что набор подверженных отбору участков генома определяется географической близостью, а не принадлежностью к экологической форме или типом местообитания.

Борьба человечества с патогенами и их разносчиками — лишь продолжение длящейся едва ли не с самого зарождения жизни на Земле коэволюционной «гонки вооружений» паразитов и хозяев. И даже вся мощь науки не помогает человеку выйти безусловным победителем в этой борьбе с естественным отбором, несмотря на отдельные очевидные успехи. В этой «гонке вооружений» нашими противниками оказываются не только патогенные организмы, непосредственно вызывающие заболевания, но и их переносчики — векторы. Например, комары не только докучают нам своими укусами, но могут и заразить нас чем-нибудь не очень приятным.

Наиболее распространенные у нас комары из комплекса Culex pipiens (комар обыкновенный) могут переносить опасные патогены вроде вируса Западного Нила и филярий (к счастью, в Россию они еще не проникли). В этот комплекс входит «северный» вид C. pipiens pipiens и «южный» C. p. quinquefasciatus. При этом первый представлен двумя экологическими формами: pipiens («дикой») и molestus («городской»). Последняя форма отличается рядом поведенческих признаков. Во-первых, у «городских комаров» нет зимней диапаузы (грубо говоря, они не впадают «в спячку»), поэтому в умеренном климате они ищут местообитания, доступные для круглогодичной жизни и размножения (для этого хорошо подходят протечные подвалы), докучая людям в многоэтажках даже зимой. Во-вторых, им свойственна автогамия: самки могут отложить первую кладку без кровососания (а кровь используется комарами как источник белка, необходимого для развития яичников — именно поэтому кровь сосут только самки). В-третьих, они предпочитают человека птицам, в отличие от «дикой» формы pipiens.

Долгое время вопрос о точных механизмах адаптации к сколько-нибудь сложным условиям среды казался биологам неразрешимым. В качестве ответа обычно говорилось что-то вроде: «адаптация носит комплексный характер и происходит за счет действия отбора на множество генов». Однако развитие технологий секвенирования и биоинформатических методов анализа последовательностей ДНК теперь позволяет выявлять геномные «следы отбора» (в англоязычной научной литературе их называют signatures of selection, см., например, статью R. Nielsen, 2005. Molecular Signatures of Natural Selection) и определять, какие же именно гены (точнее, участки генома) подвергались в недавнем прошлом действию отбора.

Сложность применения этих методов состоит в том, что даже при отсутствии отбора (или каких-либо иных отягчающих обстоятельств вроде резких изменений численности популяции) геномные последовательности всё равно будут меняться — за счет генетического дрейфа, действующего как «эволюция по умолчанию».

В основном детекция отбора основана на том факте, что, распространяясь в популяции, благоприятствуемый генный вариант «тащит» вместе с собой и те варианты, которые оказались рядом с ним у самых первых носителей. В результате изменчивость вокруг отбираемого места в геноме оказывается обедненной — это явление получило название «выметание отбором» (Selective sweep). Детекция отбора стала новым направлением эволюционных исследований, направленных на выявление генетических механизмов комплексных адаптаций.

Международная группа ученых из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе и с кафедры биологической эволюции МГУ применили эти методы для анализа популяционной структуры и естественного отбора, действующего на географически разделенные популяции комаров. Выборки в несколько десятков и сотен особей были взяты из восьми популяций, относящихся к трем географическим регионам: Москва и Подмосковье, Алексинский район Тульской области и калифорнийский город Сакраменто с окрестностями. Популяции разделили на «городские» и «природные». Эти эпитеты не стоит понимать слишком буквально: например, в Алексинском районе «городские» комары были собраны из очистных прудов Алексина (рис. 2), а вовсе не из подвалов, а «природные» — из бочек с дождевой водой в деревне.


У комаров генетическая адаптация к окружающей среде определяется только географией

Рис. 2. Очистной пруд в Алексине, где были собраны «городские» комары, традиционно считающиеся обитателями подвалов. Фото автора


Различить эти две экологические формы по морфологическим признакам невозможно, поэтому их идентифицировали по молекулярным данным, использовав для этого последовательности I субъединицы цитохромоксидазы c (см. Cytochrome c oxidase subunit I) и микросателлитного (см.: Analysis of microsatellites) локуса CQ11. При этом две пробы, взятые из Подмосковья, состояли из близкого вида Culex torrentium, заместившего в этом регионе Culex pipiens. Основные характеристики собранных выборок приведены на рис. 3.


У комаров генетическая адаптация к окружающей среде определяется только географией

У комаров генетическая адаптация к окружающей среде определяется только географией

Рис. 3. Основные характеристики комаров из разных популяций, собранных для исследования. Average ? — это среднее количество попарных различий между всеми копиями данного участка генома, Average ? — это оценка «популяционного параметра», основанная на среднем количестве сегрегирующих сайтов; в предположении о нейтральности эволюции эти параметры должны быть равны. Литера «а» означает, что приведенные значения — средние по всем участкам генома размером 10 000 нуклеотидов, которые были отсеквенированы от 4 до 40 раз. Литера «b» означает, что две подмосковные выборки и две выборки из Сакраменто были сделаны из разных популяций. Таблица из обсуждаемой статьи в Proceedings of the Royal Society B


«Выметание отбором» в обсуждаемой работе искалось двумя путями. Во-первых, использовался показатель Tajima’s D (см. также пост Nucleotide Polymorphism and Selection), сравнивающий две оценки так называемого «популяционного параметра» — произведения частоты мутаций на эффективную численность популяции. Первая оценка основана на числе сегрегирующих сайтов (то есть таких сайтов, в которых набор аллелей различался хотя бы в двух из исследованных популяций), а вторая — на среднем числе различий между парами копий генов. Во-вторых, был применен метод поиска отбора в смешанной выборке с помощью скрытых марковских цепей (Hidden Markov model, HMM) — Pool-HMM.

Сначала был получен спектр аллельных частот для всего генома в предположении о нейтральном характере эволюции, а дальше исследователи искали отклонения в этом спектре, характерные для выметания отбором. Такие отклонения — малое количество вариабельных сайтов, очень большая или очень маленькая частота производных аллелей, измененная структура неравновесия сайтов по сцеплению — были затем найдены в общей выборке всех особей каждой популяции. Все эти методы довольно чувствительны к прошлым изменениям в численности популяции, однако моделирование изменений вероятности рекомбинации близлежащих сайтов с помощью скрытых марковских процессов позволяет получить реалистичные приближения (подробнее см. статью S. Boitard, C. Schlotterer, A. Futschik. 2009. Detecting selective sweeps: a new approach based on hidden Markov models).

Геномы изучаемых видов не пришлось собирать заново, так как известный геном «южного» комара C. quinquefasciatus оказался достаточно близким, чтобы отсеквенированные фрагменты ДНК удалось картировать на него (см.: De-novo vs. mapping assembly).

Собранные выборки комаров секвенировали целиком, без разделения на отдельных особей. Таким образом, полученные данные могли показать, что, допустим, в некоем сайте №1 в популяции бывают нуклеотиды А и Т, а в сайте №2 — Т и Г, но не позволяли узнать, насколько распространены в популяции генотипы А..Т, А..Г, Т..Т и Т..Г.

Всего было обнаружено 6,7 миллионов сайтов, сегрегирующих между популяциями. С учетом размера отсеквенированной части генома это дает один сегрегирующий сайт на каждые 69 нуклеотидов. Близость популяций определяли двумя способами: по межпопуляционной разнице Fst (fixation index) и по филогенетической близости. В обоих случаях близость комаров внутри вида Culex pipiens определялась географией, а не типом местообитания или экологической формой. Это вполне согласуется с гипотезой о том, что локальные популяции molestus’ов вычленяются из местных pipiens’ов (такое ранее было показано для американских комаров, однако в Европе, согласно ранее опубликованным сведениям, эти две формы разошлись давно), либо же эти две формы могут активно гибридизироваться. Подмосковные C. torrentium, как и следовало ожидать, больше всего отличались от остальных выборок. При этом городские комары оказались генетически более единообразны, чем их дикие сородичи — независимо от географии.

Отбору в разных популяциях оказалось подвержено от 5 до 20% генома, около половины (35–50%) из подотборных участков оказались некодирующими — видимо, изменения в них регулируют работу других генов.

Чтобы выявить зависимость действующего на популяции отбора от географической или экологической близости, исследователи применили метод главных компонент. Здесь также была обнаружена сильная региональная специфика. На рис. 4 видно, что алексинские, московские и сакраментские C. pipiens группируются независимо от экологической формы и типа местообитания.


У комаров генетическая адаптация к окружающей среде определяется только географией

У комаров генетическая адаптация к окружающей среде определяется только географией

Рис. 4. (a), (b) — первые три главные компоненты Pool-hmm оценок для генов из выборок C. pipiens; (c), (d) — они же для всех комаров вместе. Чем ближе на этих графиках оказываются пробы разных популяций, тем ближе друг к другу наборы подотборных участков генома в популяциях. Проценты в скобках показывают, какую долю общей изменчивости эти компоненты объясняют. Видно, что пробы C. pipiens (A1, A4, M1, S1, S2, S3) группируются по географическому принципу, а пробы C. torrentium (M2, M4) образуют отдельный кластер. Рисунок из обсуждаемой статьи в Proceedings of the Royal Society B


Одна из основных проблем методов детекции отбора, основанных на аллельных спектрах, состоит в том, что к популяционной истории в геноме могут быть чувствительны схожие паттерны изменчивости и что они могут не различать положительный и очищающий отбор. Если первый благоприятствует новым мутациям, то второй работает против них; примерными аналогами положительного и очищающего отбора в школьном курсе биологии являются движущий и стабилизирующий отбор.

Из полученных результатов видно, что регионы, подверженные отбору, отличаются не только пониженной общей изменчивостью, но и повышенной долей несинонимичных замен по отношению к синонимичным. Причем эта доля повышается за счет «недостачи» синонимичных замен. Возможно, причина этого в том, что синонимичная изменчивость в первую очередь накапливается при отсутствии движущего отбора — и поэтому отбор «выметает» в основном ее.

В то же время популяции C. torrentium показывают именно повышение числа несинонимичных замен, которое, к тому же, не зависит от количества синонимичных замен в геномном регионе. Это неожиданно, так как несинонимичные замены, поддерживаемые отбором, берутся из того же источника, что и поддерживаемые дрейфом синонимичные — из имеющейся изменчивости. Авторы связывают это с тем, что популяция этого вида в Подмосковье значительно увеличилась в численности за последние десять лет и поэтому еще не успела накопить соответствующую ее нынешней численности нейтральную изменчивость (так же как и люди — генетически довольно однообразный вид, еще не «оправившийся» после «бутылочного горлышка», пережитого несколько десятков тысяч лет назад). Отбор у этих комаров в основном подхватывает вновь возникшие мутации (так называемое «жесткое выметание»), а не выбирает из уже имеющихся полиморфизмов (более распространенное «мягкое выметание»).

Интересные результаты были получены в отношении предположительно «консервативных», крайне необходимых для функционирования организма генов. Во всех популяциях под действием движущего отбора оказались крайне консервативные белки — гистоны, участвующие в образовании хромосом. В особенности регион, содержащий гистон H1 (Histone H1). Гистон H1 — наименее консервативный из гистонов, и кодирующий его ген — наиболее полиморфный. Состоит этот белок из трех доменов: богатого лизином C-концевого домена, связывающегося с линкерной ДНК (см. Linker DNA); центрального глобулярного G-домена с доменом winged helix, связывающимся с нуклеосомой; и N-концевого домена с не до конца изученными функциями. Самый эволюционно консервативный из них — G-домен, наиболее изменчивый — N-домен. Соответственно, несинонимичных мутаций оказалось меньше всего — в G-домене, а больше всего — в N-домене. Ничего удивительного, поскольку несинонимичные мутации так же редко встречались в регулярных вторичных структурах и в «погруженных» позициях, а из этих элементов в основном и состоит G-домен. Также крайне редко в «погруженных» позициях встречались мутации, меняющие заряд аминокислоты. Около 90% замен, приводящих к появлению или исчезновению аминокислот серина и треонина, встречались во внешних областях молекулы, что позволяет считать их потенциальной мишенью для эпигенетических модификаций.

После замены в гистоне H1 чаще всего оказывалась аминокислота пролин. Интересно, что позиции, в которых появлялся пролин, гораздо более постоянны от популяции к популяции для G-домена, чем для N-домена. Среди позиций, на которых пролин оказывался в G-домене, во многих популяциях 78,6% оказались заняты пролином. И, напротив, только 17,5% тех позиций в N-домене, где может располагаться пролин, были заняты пролином больше чем в одной популяции. Таким образом, мы можем предположить, что замены на пролин в N-домене являются скорее нейтральными, в то время как замены в G-домене происходили в специфических позициях и, скорее всего, под действием отбора. В основном эти замены происходили в нерегулярных участках, соединяющих регулярные структуры и структуры на границах доменов.

Анализ биохимических и структурных свойств аминокислот в полиморфных сайтах позволяет предположить, что замены на пролин в G- и C-доменах гистона H1, возможно, модифицируют взаимную ориентацию регулярных структур или изменяют гибкость/жесткость существующих структур без разрушения третичной структуры белка и его функции. Поскольку комары Culex pipiens, а также Culex torrentium зимуют на стадии имаго и имеют очень большую гибель на зимовках, можно предположить, что любая мутация, позволяющая расширить диапазон температур, переносимый организмом без повреждения ДНК, может быть подхвачена отбором. Такую точку зрения поддерживает наличие пролиновых замен как у C. pipiens, так и у C. torrentium, причем в разных позициях, что еще раз свидетельствует о репродуктивной изоляции этих видов.

Еще один неожиданный вывод данной работы: большое количество функций, выполняемых геном, не препятствует его эволюции. В каждой из восьми популяций более половины из 129 сигнальных путей, описанных в Киотской энциклопедии метаболических путей KEGG, были подвержены действию положительного отбора. Среди них были сигнальные пути, отвечающие за самые разные базовые функции, начиная с биосинтеза аминокислот и гликосфинголипидов, а также другие сигнальные пути: Notch, Jak-STAT и MAPK. Кроме того, количество метаболических путей, в которых участвует ген, никак не кореллирует ни с количеством популяций, в которых он подвергается отбору, ни с силой этого отбора.

Что же говорит нам это исследование о происходящей здесь и сейчас эволюции комаров? Адаптации в значительной мере оказываются локальными: алексинские комары (обеих форм и населяющие разные местообитания) имеют один набор поддерживаемых отбором генных вариантов, московские — другой, а калифорнийские — третий. И принадлежность к той или иной экологической форме или жизнь в том или ином биотопе не позволяют предсказывать эволюционную судьбу популяции. Вывод этот, надо сказать, неутешительный: из него следует, что меры по борьбе с комарами (например, чувствительность к тем или иным инсектицидам) должны разрабатываться под каждую конкретную популяцию, а в идеале — начинаться с геномного исследования.

Источник: Hosseinali Asgharian, Peter L. Chang, Sergey Lysenkov, Victoria A. Scobeyeva, William K. Reisen, Sergey V. Nuzhdin. Evolutionary genomics of Culex pipiens: global and local adaptations associated with climate, life-history traits and anthropogenic factors // Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 2015. DOI: 10.1098/rspb.2015.0728.

Виктория Скобеева, Сергей Лысенков


28 сентябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Геномы африканских рыб проясняют механизмы быстрого видообразования

Сравнительный анализ полных геномов пяти африканских рыб позволил частично расшифровать эволюционно-генетические механизмы быстрой адаптивной радиации цихлид в озерах Танганьика, Малави и Виктория,

Переносчиков желтой лихорадки стал привлекать запах человека из-за изменений в одном гене

Ученые исследовали поведение и генетические различия двух форм комаров Aedes aegypti, одна из которых селится в лесу, а другая — ближе к человеку. Этот вид, и в особенности его «домашняя» форма,

Вредные мутации располагаются в редко рекомбинирующих участках хромосом

Канадские исследователи изучили распределение вредных мутаций по хромосомам человека и обнаружили, что с наибольшей вероятностью вредные мутации можно встретить в тех областях хромосом, которые редко

Степень «фенотипической интеграции» цветка определяется составом опылителей

Согласованность развития отдельных частей организма («фенотипическая интеграция») может быть признаком, подверженным отбору. Так, опылители могут оказывать существенное влияние на эволюцию

Параллельная эволюция эусоциальности у пчел: принцип общий, эволюционные маршруты — разные

Сравнительный анализ геномов 10 видов одиночных и общественных пчел показал, что поэтапное развитие эусоциальности, происходившее параллельно в нескольких эволюционных линиях, было основано на

Почему ген, вызывающий раннее прерывание беременности, не отсеялся отбором?

Американские специалисты исследовали причины анеуплоидии у человеческих зародышей. Выяснилось, что она ассоциирована с определенным полиморфизмом в специфическом участке на четвертой хромосоме. Этот
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Почему одни нации богатые, а другие — бедные?Люди могут отращивать хрящи, как саламандрыПочему мы стареем? Новая теория ученыхРоссийский аппарат к Луне стартует не раньше 2026 годаОхотник за сокровищами нашел редчайший доисторический кладЧто происходит с океанами Земли?NASA получило новые снимки Большого красного пятна ЮпитераОбманщики чередуют ложь с правдой, чтобы им продолжали верить