Хромосомные инверсии помогают недавно разделившимся видам не сливаться обратно

Дарвиновы вьюрки дают нам примеры того, как могут выглядеть начальные этапы зарождения новых видов (см. Исследование № 28) и как проживание на одной территории с близкими формами может способствовать расхождению признаков, помогая ослабить конкуренцию (см. Исследование № 27). Мы также увидели, что недавно разошедшиеся формы, оказавшись на одной территории, могут и слиться обратно, например, если гибридизация по какой‑то причине оказывается выгодной (см. Исследование № 29). Но так бывает далеко не всегда. Факторы, препятствующие слиянию, имеют разную природу. Обычно их делят на презиготические (например, разные брачные песни) и постзиготические (пониженная приспособленность гибридов). Генетические основы изолирующих механизмов, препятствующих слиянию проживающих на одной территории близких видов, остаются слабо изученными. Вероятно, важную роль здесь играют инверсии – хромосомные перестройки, при которых участок хромосомы поворачивается на 180°. Эволюционное значение инверсий связано в первую очередь с тем, что они затрудняют рекомбинацию – обмен участками хромосом при мейозе. Для совместно проживающих близких видов это может оказаться полезным, как выявил проведенный американскими биологами анализ генетических данных по 411 видам воробьинообразных птиц. Выяснилось, что у близкородственных видов с перекрывающимися ареалами число крупных инверсий повышено по сравнению с видами, ареалы которых не пересекаются. Это означает, что отбор, по‑видимому, способствует закреплению инверсий у симпатрических видов, когда существует высокая вероятность гибридизации. Инверсии помогают сохранять коадаптированные (приспособленные друг к другу) генные комплексы, сложившиеся у каждого из видов, и не дают этим комплексам перемешиваться и рассыпаться в ходе гибридизации. Кроме того, многочисленные инверсии могут препятствовать обратному слиянию недавно разделившихся видов, помогая им сохранять свою самобытность даже в условиях частой гибридизации, поскольку у гибридного потомства спаривание хромосом во время мейоза оказывается затруднено, что может привести к пониженной плодовитости и даже полному бесплодию гибридов.

Полезны или вредны хромосомные инверсии? Эволюционная роль хромосомных инверсий активно изучается в последние годы, однако в этом вопросе еще много неясного. В частности, не вполне понятны причины высоких темпов накопления инверсий, которые наблюдаются у некоторых организмов.

Вновь возникающие инверсии, по идее, должны снижать приспособленность – а значит, отсеиваться отбором. Есть совсем очевидные случаи: например, если граница повернувшегося на 180° участка хромосомы разрежет пополам какой‑то важный ген, тот выйдет из строя. Такая инверсия, конечно, будет быстро отбракована и не сможет закрепиться в популяции. Но даже если границы инвертированного участка попадут в нефункциональные районы хромосомы, инверсия все равно создаст определенные проблемы у особей, гетерозиготных по инверсии (то есть таких, у которых в двух гомологичных хромосомах данный участок повернут в разные стороны). Если при мейозе у такой особи рекомбинация (кроссинговер) произойдет внутри инвертированного участка, то могут получиться гаметы с неправильным набором генов. Например, если инвертированный участок содержит гены А и Б, то одни гаметы могут получить две копии гена А и ни одной копии Б, а другие – наоборот. Это, скорее всего, плохо скажется на приспособленности потомства.

Впрочем, сам механизм кроссинговера устроен так, что вероятность рекомбинации непохожих (например, повернутых в разные стороны) участков резко снижается. В том‑то и состоит главная идея кроссинговера: обмен участками должен происходить только между очень похожими последовательностями (см. Исследование № 5). Иными словами, инверсия блокирует рекомбинацию инвертированного участка. Благодаря этому многие инверсии оказываются безвредными или почти безвредными. Аллели, расположенные на инвертированном участке, начинают наследоваться все вместе, единым блоком.

Две гипотезы о пользе инверсий. Геномные исследования показали, что в эволюции птиц крупные инверсии фиксируются (то есть не просто возникают у какой‑то одной особи, но достигают стопроцентной частоты в генофонде вида) довольно часто – в отличие от других крупных хромосомных перестроек, таких как транслокации (переносы участков с одной хромосомы на другую), слияние или разделение хромосом. Это наводит на мысль, что инверсии чаще, чем принято считать, оказываются полезными, или, что то же самое, поддерживаются отбором.

Вопрос о том, в чем же состоит эта предполагаемая польза, далек от разрешения. С одной стороны, она может быть никак не связана с блокировкой рекомбинации. Например, инверсия может привести к тому, что какие‑то гены, оказавшись в ином окружении, будут регулироваться более выгодным для организма образом.

С другой стороны, совместное наследование комплекса аллелей, обеспечиваемое низкой частотой рекомбинации, тоже может оказаться полезным, если аллели хорошо «притерты» друг к другу и слаженно выполняют свои функции именно в такой комбинации. Допустим, на хромосоме по соседству расположены два гена A и Б и у каждого есть по два аллельных варианта. При этом аллель А ₁ хорошо работает в компании с Б ₁, а А ₂ – в сочетании с Б ₂. Другие комбинации (А ₁ Б ₂и А ₂ Б ₁) работают хуже или вовсе не работают. В подобных случаях говорят о генетической несовместимости, или конфликте, аллеля А ₁с аллелем Б ₂ (а А ₂ – с Б ₁). Такая ситуация часто складывается при скрещивании особей близкородственных видов, уже успевших накопить взаимно несовместимые аллели, но еще способных к гибридизации.

В этом случае инверсия может оказаться полезной как раз потому, что она блокирует рекомбинацию. Если у представителя одного из гибридизующихся видов (например, вида с генотипом А ₁ Б ₁) данный участок хромосомы подвергнется инверсии, то он не будет рекомбинировать с альтернативным генотипом А ₂ Б ₂, характерным для второго вида. Следовательно, если особь с инверсией скрестится с чужаком, то гаметы гибридного потомства будут содержать только «правильные» комбинации аллелей. Если же с чужаком скрестится особь, не имеющая инверсии, то у гибридных потомков часть гамет будет нести конфликтующие наборы аллелей. Соответственно, приспособленность гибридного потомства у особи с инверсией окажется выше – а значит, отбор будет способствовать распространению инверсии (конечно, при условии, что межвидовая гибридизация действительно имеет место).

Проверяемые следствия. Из разных гипотез о механизмах распространения инверсий вытекают разные проверяемые следствия. Если основным механизмом служит генетический дрейф (случайные колебания частот генетических вариантов), а польза инверсий не играет существенной роли, то скорость фиксации инверсий не должна коррелировать ни с численностью популяции, ни с перекрыванием видовых ареалов. Если же инверсии распространяются под действием отбора (благодаря своей полезности), то возможны два варианта. Здесь все будет зависеть от того, какова природа приносимой пользы.

Если эта польза не связана с блокировкой рекомбинации, а связана с выгодным изменением регуляции генов, то полезные инверсии должны вести себя так же, как и все прочие редкие полезные мутации. А именно: скорость их накопления должна положительно коррелировать с численностью популяции (поскольку чем больше выборка, тем чаще в ней, при прочих равных условиях, будут происходить маловероятные события, такие как возникновение полезной мутации). Перекрывание ареалов близкородственных видов в этом случае не должно ускорять фиксацию инверсий. Более того, если польза инверсий не зависит от генетического контекста, то они должны легко пересекать межвидовые границы в зонах гибридизации, то есть легко проникать из одного видового генофонда в другой и свободно распространяться там. В этом случае логично ожидать, что у симпатрических близкородственных видов будет не больше, а скорее даже меньше различий по инверсиям, чем у аллопатрических (проживающих на разных территориях).

Если же польза инверсий – в защите коадаптированных («притертых» друг к другу) генных комплексов от распада и перемешивания, то следует ожидать, что инверсии будут быстрее всего накапливаться не в самых больших популяциях, а в тех, которые реально подвергаются угрозе такого распада и перемешивания. В первую очередь – в симпатрических популяциях близкородственных видов.

Инверсии у воробьинообразных. Биологи из Чикагского университета (США) Дэниел Хупер и Тревор Прайс проверили эти предсказания, проанализировав данные об инверсиях у воробьинообразных (отряд Passeriformes). Ранее они пытались провести такую проверку на 32 видах вьюрковых ткачиков, представляющих лишь одно из семейств воробьинообразных. Оказалось, что в этом семействе частота фиксации инверсий положительно коррелирует и с численностью вида, и с перекрыванием видовых ареалов. Это позволило отвергнуть гипотезу о дрейфе как об основном механизме распространения инверсий (если бы все дело было в дрейфе, то, как говорилось выше, частота фиксации инверсий не коррелировала бы ни с численностью, ни с перекрыванием ареалов). Значит, инверсии полезны и поддерживаются отбором. Однако вопрос о природе этой пользы остался открытым. Проблема в том, что численность видов оценивалась по площади ареалов, которая у вьюрковых ткачиков положительно коррелирует со степенью их перекрывания. Малый размер выборки не позволил понять, какой из факторов – площадь или перекрывание ареалов – в конечном счете важнее (Hooper, Price, 2015).

В 2017 году Хупер и Прайс изучили более представительную выборку, включающую 411 видов воробьинообразных из 59 семейств (Hooper, Price, 2017). Анализировались только крупные инверсии, которые можно обнаружить, просто разглядывая хромосомы под микроскопом. Полных геномных данных, позволяющих выявить все инверсии, по большинству рассмотренных видов пока нет.

Наложив данные по инверсиям на эволюционное дерево (которое для воробьинообразных надежно реконструировано по молекулярным и палеонтологическим данным), исследователи оценили скорость фиксации инверсий в разных ветвях дерева (для этого число инверсий делили на длину ветви). Оказалось, что эта скорость сильно варьирует: в одних ветвях ни одной инверсии не закрепилось за все время существования линии (вплоть до 20–30 млн лет), тогда как в других ветвях инверсии фиксировались в среднем каждые 0,5 или даже 0,2 млн лет.

Число инверсий зависит от перекрывания ареалов. Для дальнейшего анализа была отобрана 81 клада (независимая веточка эволюционного дерева), куда попало 284 вида из 411. Клады отбирались по определенным критериям: в частности, каждая клада должна включать не менее трех видов, эти виды должны быть близкородственными (разошедшимися не более 15 млн лет назад), вся дивергенция клады должна быть приурочена к одному континенту, все виды должны иметь один и тот же тип питания (зерноядные, насекомоядные, всеядные и т. д.). Для каждой клады вычислили ее общую длину (сумму длин всех вторичных веточек, которая отражает суммарное время существования видов), среднюю площадь видовых ареалов, среднюю величину их перекрывания, а также учитывали ряд экологических показателей.

Анализ этих данных показал, что скорость накопления инверсий в кладе определяется в первую очередь степенью перекрывания видовых ареалов. Все остальные корреляции вторичны.

Типичная ситуация показана на илл. IX (см. цветную вклейку), где представлена история фиксации инверсий в одной из клад – у зеленушек (род Chloris). Один из трех видов клады, C. chloris, имеет обширный ареал, не пересекающийся с ареалами близких видов. Число инверсий у него равно нулю. Два других вида, C. ambigua и C. sinica, имеют частично перекрывающиеся ареалы. При этом известно, что в зоне симпатрии (совместного проживания) между ними происходит гибридизация. Эти два вида разделились 2,2 млн лет назад – за такое время между видами птиц полная несовместимость, как правило, развиться не успевает. У C. ambigua зафиксировалось три инверсии, у C. sinica – одна, так что общее число различий по инверсиям между ними равно четырем. Аналогичная картина наблюдается и в других кладах: инверсии чаще фиксируются у симпатрических родственных видов, которые либо гибридизуются сейчас, либо могли гибридизоваться в недавнем прошлом.

Инверсии защищают молодые виды от вредных последствий гибридизации. Таким образом, полученные Хупером и Прайсом результаты согласуются с гипотезой о том, что отбор поддерживает инверсии у близких видов, способных к гибридизации, если их ареалы перекрываются. То есть в том случае, когда существует реальная опасность смешивания и разрушения коадаптированных генных комплексов. Следовательно, польза, приносимая инверсиями, связана с блокировкой рекомбинации.

Дополнительным аргументом в пользу этой гипотезы служит повышенная частота фиксации инверсий на половой хромосоме Z. Эта хромосома имеется в двух экземплярах у самцов птиц и в одном – у самок. Давно известно, что конфликты между генами двух гибридизующихся видов наиболее опасны для гибридного потомства в том случае, если несовместимые гены находятся на рекомбинирующей половой хромосоме (у млекопитающих это хромосома Х, у птиц – Z). При этом страдает в первую очередь приспособленность гетерогаметного пола. У млекопитающих это самцы, у которых только одна Х ‑хромосома, у птиц – самки, с одной Z ‑хромосомой. У гетерогаметного пола конфликтующие гены, сидящие на хромосоме X или Z, присутствуют в единственном экземпляре, и поэтому конфликт сразу проявляется в фенотипе. У гомогаметного пола есть еще вторые копии этих генов, расположенные на второй половой хромосоме. Они могут сгладить конфликт или вовсе не дать ему проявиться (в этом случае говорят о рецессивной несовместимости). Следовательно, если идеи авторов верны, следует ожидать, что отбор будет сильнее всего поддерживать инверсии именно на хромосоме Z птиц, что и подтверждается.

Что касается непарной половой хромосомы W, которая есть только у самок птиц и всегда в одном экземпляре, то на ней у воробьинообразных инверсии тоже фиксируются с повышенной частотой. Это уже нельзя объяснить пользой от блокировки рекомбинации, поскольку хромосома W, подобно Y ‑хромосоме млекопитающих, и так ни с чем не рекомбинирует (за исключением маленького участка, гомологичного кусочку хромосомы Z). Но непарные половые хромосомы вообще эволюционируют не так, как остальные хромосомы. Ведь фактически они размножаются клонально, как геномы каких‑нибудь бактерий, и поэтому в них повышена частота фиксации слабовредных мутаций (см. Исследование № 7). К тому же в W ‑хромосоме очень много повторов, что способствует возникновению инверсий.

Впрочем, данные о связи между симпатрией и фиксацией инверсий можно истолковать и по‑другому. Дело в том, что, препятствуя рекомбинации, инверсии мешают генофондам двух гибридизующихся видов слиться обратно в единый генофонд. Иными словами, инверсии защищают молодые виды от коллапса – обратного слияния в один вид. Следовательно, можно предположить, что повышенное число инверсий у симпатрических видов объясняется не тем, что симпатрия делает инверсии выгодными, а тем, что инверсии повышают шансы симпатрических видов не коллапсировать. Поэтому те симпатрические виды, у которых было мало различий по инверсиям, слились, а те, у кого инверсий много, – сохранились как отдельные виды.

Исследователи считают это альтернативное объяснение менее правдоподобным, чем их основная гипотеза о положительном влиянии симпатрии на распространение инверсий. Впрочем, оба варианта могут быть верны одновременно: инверсии, с одной стороны, распространяются в условиях симпатрии под действием отбора, потому что сглаживают вредные последствия гибридизации, а с другой – не дают двум генофондам полностью смешаться, помогая видам сохранять свою видовую специфику.

Могут ли «зарождающиеся виды» так и остаться «зарождающимися»? Если инверсии действительно являются одновременно и фактором, делающим гибридизацию менее вредоносной, и одной из причин сохранения симпатрическими видами своей идентичности, то вырисовывается крайне интересная картина. Возможно, инверсии – один из механизмов, обеспечивающих стабильное сосуществование гибридизующихся видов, которые не могут ни окончательно разойтись, ни окончательно слиться. Похоже, некоторые виды способны оставаться в таком подвешенном состоянии чуть ли не миллионы лет, и не только из‑за инверсий. Один из примеров мы упоминали выше (см. Исследование № 27): периодическая гибридизация помогает дарвиновым вьюркам не терять безвозвратно аллели, полезные в одни годы, но вредные в другие. Можно предположить, что в такой ситуации потеря способности к гибридизации повысит вероятность вымирания вида при смене условий. Еще один удивительный пример устойчивого сосуществования «недоразделившихся» видов (тоже, по‑видимому, не связанный с инверсиями) недавно обнаружили финские энтомологи, изучающие лесных муравьев. Как выяснилось, гибридизующиеся виды Formica aquilonia и F. polyctena (это самые обычные, широко распространенные лесные муравьи, строящие большие муравейники) не могут ни до конца разделиться, ни слиться в единый вид, потому что отбор благоприятствует гибридным самкам, но при этом беспощадно отбраковывает гибридных самцов (Kulmuni, Pamilo, 2014). Следует пояснить, что самцы у муравьев даже не гетерогаметные, а вообще гаплоидные, поэтому у них сразу проявляются все генетические конфликты, на какой бы хромосоме те ни находились.

Исследование № 32