В ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН заведующий лабораторией рекомбинационного и сегрегационного анализа доктор биологических наук Павел Михайлович Бородин и кандидат биологических наук Анна Александровна Торгашева решили изучить, как проходит проверка родительских хромосом на соответствие друг другу. Для этого они использовали гибриды между двумя видами серых полевок, которые «разделились» около миллиона лет назад. Статья о работе вышла в журнале Scientific Reports.

Дело в том, что когда-то это была единая популяция, обитавшая на территории Евразии. По-видимому, во время оледенений отдельные группы полевок оказались в изоляции, в связи с чем они не встречались друг с другом. За это время у них накопились разные генетические изменения: ведь когда организмы находятся в регулярном контакте, то постоянно обмениваются происходящими с ними в результате эволюции преобразованиями. Внося столь необходимое для выживания разнообразие, особи могут продолжать скрещиваться, при этом оставаясь одним видом. Но если поток генов между популяциями по каким-то причинам оказывается ограниченным, то накапливающиеся различия становятся настолько серьезными, что скрещивание будет невозможным — так и образуются новые виды.

Образование новых видов — естественный процесс, который происходит потому, что эволюция предполагает постоянное изменение и приспособление. При размножении в организме всегда происходят мутации, накапливаются ошибки и изменения: это фундаментальное свойство, которое вообще позволяет особям эволюционировать. Задача ученых — исследовать, как именно происходит этот процесс.

— Нам интересны два вида полевок, которые, грубо говоря, являются близнецами: то есть морфологически (по строению и внешнему виду) очень похожи между собой, — поясняет Анна Торгашева. — Они разошлись не столь давно, так что это удобная модель для исследования: на ней можно изучить ранние стадии видообразования. Сейчас у гибридов накопилось достаточное количество доступных для анализа изменений.

Выяснилось, что хромосомы у таких полевок все еще достаточно похожи между собой и при скрещивании могут давать гибриды, но только стерильные. Скрестить лису и слона было бы невозможно из-за принципиально огромного количества различий между ними, а тут за долгие годы разлуки сходство геномов этих видов полевок уменьшилось настолько, что разница между похожими участками хромосом стала весьма значительной. Одинаковые гены разошлись по разным хромосомам, и те в результате с трудом находили друг друга.

— В процессе мейоза образуются половые клетки (гаметы), — рассказывает исследовательница. — Папины и мамины гомологичные хромосомы встречаются, и между ними происходит рекомбинация — то есть все части родительских хромосом постоянно перемешиваются. А у гибрида между этими частями возникает, так скажем, конфликт: хромосомы не могут соединиться, и в результате половые клетки не появляются.

На рисунке — клетки на стадии ме...

На рисунке — клетки на стадии мейоза, в результате которого образуются сперматозоиды и яйцеклетки. Слева — нормальная клетка родительского вида. Красным цветом показаны белковые оси, соединяющие гомологичные хромосомы, пришедшие от родителей. Зеленые точки — места, где произошла рекомбинация — обмен участками между гомологичными хромосомами. Посередине — такая же клетка гибридной самки. Хромосомы не могут спариться нормально и образуются мультиваленты — различные разветвленные структуры. Рекомбинация в таких клетках проходит почти нормально, но формирование половых клеток нарушено. Справа — клетка гибридного самца. У него ни одна гомологичная хромосома не может найти себе пару. На этой стадии поиска мейоз у самцов останавливается и половые клетки не образуются. Фото предоставлено Анной Торгашевой

Подобная перетасовка — очень важный эволюционный механизм, обеспечивающий разнообразие живых организмов. Также это значимо с точки зрения механического образования гамет: когда хромосомы в клетке не встречаются друг с другом, они не могут правильно разойтись и поделиться, поэтому если где-то их окажется меньше, а где-то больше — получаются нежизнеспособные клетки. Примерно то же самое происходит у гибридов: их хромосомы не в состоянии нормально спариваться и рекомбинировать в процессе мейоза — из-за накопленных изменений, разных перестроек кусочков хромосом, генетических изменений. Это что-то вроде пазла, который не может сложиться в полноценную картинку. Как поясняет Анна Торгашева, при любом раскладе потомство у гибридов либо вообще не будет появляться, либо окажется нежизнеспособным. А возможно, они даже смотреть друг на друга не захотят. Так что тут, скорее, интересен сам процесс формирования стерильности.

У гибридных самок и самцов полевок нарушения выражены в разной степени. Мужской пол вообще не может начать синапсис — попарное временное сближение гомологичных хромосом. А вот у женского в некоторых клетках процесс проходит правильно и даже полностью. Однако в большинстве случаев наряду с верными объединениями между отдельными участками негомологичных хромосом образуется множество неправильных. При нормальных скрещиваниях внутри вида такое тоже случается, но тогда между гомологичными, похожими друг на друга участками образуются прочные связи, которые фиксируются белками, а вот связи между негомологичными становятся нестабильными. Проблема гибридов состоит в том, что их гомологичные участки уже сильно изменились, и их контакты оказываются не более стабильными, чем между негомологичными районами. В итоге одна хромосома может соединиться сразу с несколькими, а другая остается без пары, так как они не способны отличить гомологичные участки от негомологичных и безнадежно перепутываются. Половые клетки, содержащие такие клубки из хромосом, не в состоянии завершить мейоз: они останавливаются на его начальной стадии и погибают.+

— Мы первыми детально исследовали стадии мейоза у гибридов, — поясняет Анна Торгашева. — При изучении ранних этапов видообразования нам хотелось найти ответы на фундаментальные вопросы о том, когда, как и почему один вид разделяется на два разных, а прежде полностью гомологичные хромосомы перестают быть таковыми и не могут узнать друг друга. Почему гибридная стерильность у млекопитающих всегда сначала возникает у самцов и только потом обнаруживается у самок — тоже пока не решенный вопрос.

Алена Литвиненко, «Наука в Сибири»