В геномах бделлоидных коловраток найдены свидетельства рекомбинации

Рис. 1. Бделлоидная коловратка. Фотография Е. А. Мнацакановой

Эволюционные биологи обнаружили свидетельства рекомбинации и обмена генетическим материалом в геномах бделлоидных коловраток Adineta vaga. До недавнего времени было принято полагать, что бделлоидные коловратки перешли к исключительно бесполому размножению десятки миллионов лет назад. Такое длительное существование группы бесполых видов считалось парадоксальным, поскольку обычно переход к бесполому размножению приводит к быстрому вымиранию. Несмотря на то, что за многолетнюю историю исследований бделлоидных коловраток в их популяциях не удалось найти самцов, нельзя было исключить возможность криптических форм полового размножения или обмена генетическим материалом у видов этой группы. Анализ 11 геномов бделлоидной коловратки A. vaga выявил «подписи» рекомбинации и обмена генетическим материалом у этого вида. Некоторые данные указывают на то, что у бделлоидных коловраток может существовать половое размножение. Однако авторы отмечают, что механизм обмена генетическим материалом у этой группы еще предстоит уточнить. Полученные результаты подчеркивают важность рекомбинации для долгосрочного эволюционного успеха.

Существование бделлоидных коловраток (Bdelloidea) долгое время рассматривали как парадокс в эволюционной биологии. Считалось, что эта группа микроскопических беспозвоночных полностью отказалась от полового размножения десятки миллионов лет назад. Именно это и вызывало недоумение эволюционных биологов. Несмотря на то, что переходы к бесполому размножению у эукариот происходят достаточно часто, в подавляющем большинстве случаев они приводят к быстрому вымиранию.

Обобщение этих наблюдений позволяет предположить, что бесполое размножение является эволюционным тупиком. Бделлоидных коловраток (рис. 1) до недавнего времени считали одним из немногочисленных исключений из этого правила (O. P. Judson, B. B. Normark, 1996. Ancient asexual scandals). Однако существование настолько древней группы бесполых организмов противоречило гипотезе о необходимости полового размножения для долгосрочного эволюционного успеха.

В пользу отсутствия полового размножения у бделлоидных коловраток говорило в первую очередь то, что среди нескольких сотен тысяч особей бделлоидных коловраток, проанализированных различными исследователями, не было обнаружено самцов (C. W. Birky, 2010. Positively negative evidence for asexuality). Тем не менее оставалась вероятность того, что у этой группы видов существует криптическое половое размножение или другие формы обмена генетическим материалом между особями.

В статье, недавно опубликованной в журнале Nature Communications, российские ученые описали поиск «подписей» рекомбинации и обмена генетическим материалом у бделлоидной коловратки Adineta vaga. Для этого они отсеквенировали и сравнили геномы 11 особей этого вида. Анализ однонуклеотидных отличий между геномами показал, что отсеквенированные особи A. vaga распадаются на два генетических кластера. Оказалось, что три особи из маленького кластера (обозначенные L1–L3) значительно отличаются от восьми особей из большого кластера (L4–L11) по уровню гетерозиготности: в среднем в геноме особи из маленького кластера 1,98% гетерозиготных позиций, в то время как для особей из большого кластера данный показатель составляет всего 0,63%. Далее авторы сосредоточились на анализе данных, полученных для восьми коловраток, входящих в большой кластер.

На первом этапе исследования авторы провели поиск возможных «подписей» рекомбинации в геномах A. vaga. Для этого они проанализировали зависимость неравновесия по сцеплению (обозначается LD, от англ. термина linkage disequilibrium) от расстояния между полиморфными сайтами. Параметр LD используется для описания степени «сцепленности» между аллелями в разных сайтах. В простейшем сценарии — при бесполом размножении — рекомбинация отсутствует, и мутации остаются в том геномном «контексте», в котором они произошли. В этом случае степень «сцепленности» между аллелями не должна зависеть от расстояния между сайтами. И, напротив, рекомбинация, происходящая при мейозе, разрушает существующие комбинации аллелей. Поскольку вероятность рекомбинации увеличивается с расстоянием между сайтами, рекомбинация приводит к тому, что LD падает с увеличением физического расстояния. Оказалось, что в геномах коловраток A. vaga наблюдается падение LD с расстоянием, — то есть картина, соответствующая ожидаемой при рекомбинации (рис. 2). Однако среди факторов, приводящих к падению LD, могла быть не только мейотическая, но и митотическая рекомбинация, не связанная с обменом генетическим материалом между особями.

 В геномах бделлоидных коловраток найдены свидетельства рекомбинации

Рис. 2. Падение LD с увеличением физического расстояния между однонуклеотидными полиморфизмами в геномах бделлоидных коловраток A. vaga. Высокие значения показателя r2 соответствуют высокой степени «сцепленности» между аллелями. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Чтобы ответить на вопрос о наличии обмена генетическим материалом между особями A. vaga, авторы проанализировали трехаллельные сайты, то есть сайты, представленные в популяции тремя разными нуклеотидами. Если мы рассмотрим сайт с тремя аллелями (A, B и С), то в таком сайте возможны три разных гетерозиготных генотипа (A/B, A/C и B/С). Сайты, в которых в популяции одновременно присутствуют все три гетерозиготных генотипа, могут появляться или в результате повторных (и обратных) мутаций, или в результате генетического обмена между особями (рис. 3). Мы можем оценить число сайтов, в которых одновременно присутствуют три гетерозиготных генотипа, ожидаемого за счет мутаций, и сравнить это с числом таких сайтов в реальных данных. Число трехаллельных сайтов, представленных тремя гетерозиготами среди восьми коловраток большого кластера, оказалось примерно в 22 раза выше «мутационного ожидания». Это наблюдение служит весомым аргументом в пользу генетического обмена в популяции A. vaga.

 В геномах бделлоидных коловраток найдены свидетельства рекомбинации

Рис. 3. Пример трехаллельного сайта (с аллелями T, G и C), представленный всеми тремя возможными гетерозиготными генотипами среди анализируемых особей A. vaga. Серые горизонтальные полоски соответствуют индивидуальным прочтениям данного участка ДНК. Рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Nature Communications, с изменениями

Далее авторы перешли от анализа отдельных сайтов к анализу протяженных геномных локусов. Были рассмотрены те участки генома, в которых удалось восстановить последовательности двух гаплотипов (двух копий участка генома, присутствующих в каждой особи) для всех восьми коловраток большого кластера L4–L11. При бесполом размножении геном целиком передается из поколения в поколение, в этом случае два гаплотипа особи имеют одну и ту же «историю», и ожидается, что филогенетические деревья для двух гаплотипов будут соответствовать друг другу. В случае обмена генетическим материалом «история» двух гаплотипов отличается, что должно выражаться в несоответствии друг другу филогенетических деревьев, построенных для двух гаплотипов. В обсуждаемой работе было показано, что в значительном числе участков генома два гаплотипа одной особи кластеризуются с гаплотипами из разных особей (рис. 4), то есть имеют разную филогенетическую историю. Этот результат также свидетельствует об обмене генетическим материалом между особями A. vaga.

 В геномах бделлоидных коловраток найдены свидетельства рекомбинации

Рис. 4. Примеры филогенетических деревьев, построенных для четырех геномных участков, в которых последовательности гаплотипов были восстановлены для всех восьми особей A. vaga из большого кластера (L4–L11). Индексы 1 и 2 обозначают два гаплотипа одной особи. В этих четырех участках генома два гаплотипа одной особи кластеризовались с гаплотипами из разных особей в случае L5 (b, помечено розовым цветом), L6 (a, d, зеленый), L9 (c, голубой), и L10 (c, d, фиолетовый). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Получив убедительные доказательства обмена генетическим материалом у A. vaga, авторы попробовали ответить на вопрос о возможном механизме этого процесса. Учитывая ранее опубликованные данные по организации геномов бделлоидных коловраток, авторы рассмотрели два основных сценария:
    1) Горизонтальный перенос генов между особями.
    2) Половое размножение с образованием половых клеток в результате мейоза.

На возможность горизонтального переноса генов между особями бделлоидных коловраток намекали результаты, полученные ранее другими исследователями при анализе генов, присутствующих в геномах видов из этой группы. В частности, в геноме A. vaga было обнаружено значительное число генов, предположительно перенесенных из далеких видов, в том числе гены, вероятно, имеющие бактериальное и растительное происхождение (E. A. Gladyshev et al., 2008. Massive horizontal gene transfer in bdelloid rotifers; J.-F. Flot et al., 2013. Genomic evidence for ameiotic evolution in the bdelloid rotifer Adineta vaga). Это позволяло предположить, что у бделлоидных коловраток может существовать механизм, дающий им возможность обмениваться участками ДНК внутри одного вида в отсутствие полового размножения. Однако данные по изменчивости восьми коловраток большого кластера могли быть объяснены как в рамках гипотезы о горизонтальном переносе генов, так и в рамках гипотезы о половом размножении. Другими словами, результаты, полученные при анализе геномов L4–L11, не позволяли сделать вывод о том, какой способ обмена генетическим материалом наиболее вероятен у A. vaga.

Свидетельства в пользу полового размножения были получены после того, как последовательности гаплотипов восьми особей из большого кластера L4–L11 были проанализированы одновременно с гаплотипами трех коловраток из маленького кластера L1–L3. Выяснилось, что в большинстве геномных локусов, в которых удалось восстановить последовательности гаплотипов для всех 11 особей A. vaga, три коловратки из маленького кластера группируются только по одному из двух гаплотипов. При этом остальные гаплотипы особей из маленького кластера перемешаны с гаплотипами особей из большого кластера (рис. 5). Эти наблюдения дали основания предполагать, что три особи из маленького кластера являются гибридами, возникшими в результате скрещивания между особями из популяции большого кластера и другой, генетически далекой популяции. Важно, что возникновение такого распределения гаплотипов между особями в рамках модели горизонтального переноса генов является чрезвычайно маловероятным. Гибридное происхождение коловраток L1–L3 могло бы также объяснить более высокий уровень гетерозиготности в их геномах.

 В геномах бделлоидных коловраток найдены свидетельства рекомбинации

Рис. 5. Примеры филогенетических деревьев, построенных для четырех геномных участков, в которых последовательности гаплотипов были восстановлены для всех одиннадцати анализируемых особей A. vaga. Индексы 1 и 2 обозначают два гаплотипа одной особи. Гаплотипы особей L1–L3 выделены синим цветом. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Кроме того, на половое размножение у A. vaga указывает то, что некоторые из особей кластеризуются по ядерной, но не по митохондриальной ДНК — эти данные согласуются с тем, что ожидается при половом размножении.

Тем не менее стоит отметить, что для того, чтобы с уверенностью говорить о существовании полового размножения у бделлоидных коловраток, понадобятся дополнительные исследования.

Полученные результаты показывают, что у бделлоидных коловраток происходит обмен генетическим материалом и рекомбинация. До недавнего времени бделлоидных коловраток рассматривали как «эволюционный скандал», поскольку они заставляли сомневаться в том, что переход к бесполому размножению всегда приводит в эволюционный «тупик». Однако бделлоидные коловратки, по всей видимости, не являются исключением из общего правила: в свете новых результатов их существование можно рассматривать как подтверждение того, что рекомбинация необходима для эволюционного успеха.

Источник: elementy.ru

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

1 × пять =