В конце концов эволюция повторяется

Группа эволюционных биологов из Университета Констанца, возглавляемая профессором Акселем Майером, обнаружила генетическую основу для повторяющейся эволюции цветовых паттернов. Выводы о полосах восточно-африканских цихлидных рыб (особенно разнообразных видов) объясняют, как эволюция повторяется с рекордной скоростью.

Почему эволюция повторяется?

Что происходит с генами во время этих повторений? Делают ли эволюцию те же или другие гены и какие механизмы продуцируют организмы, которые очень похожи друг на друга? Профессор Аксель Мейер и его команда из Университета Констанца пришли к удивительному ответу на этот вопрос.

Красочные цихлиды с горизонтальными полосами, обитающими в крупных африканских озерах Малави, Виктория и Танганджика, иллюстрируют повторяющийся (конвергентный) процесс эволюции. Фото: Claudius Kratochwil

Учёные изучили особый цветовой паттерн, вездесущий среди всех исследуемых видов: горизонтальные полосы. Ученые смогли идентифицировать основу повторной эволюции этих полос современными методами генной и молекулярной биологии и проверили с их помощью мутировавшую CRISPR-Cas рыбу, которая добавила полоску.

Более 1200 видов красочных цихлид можно найти в крупных африканских озерах Малави, Виктории и Танганджики. Они не только очень разнообразны по цветам, но и имеют многочисленные цветовые узоры, такие как горизонтальные или вертикальные полосы. «Но это еще не все, – объясняет Аксель Мейер, – цихлиды являются яркими примерами эволюции. Они чрезвычайно разнообразны с точки зрения социального поведения, формы тела, цветовой палитры и многих других биологических аспектов, но в то же время некоторые функции неоднократно развивались независимо в разных озерах». Этот принцип повторной эволюции (биологи называют ее сходящейся эволюцией) делает цихлид идеальной мишенью для изучения генетической основы этого явления. Если подобные цвета и формы тела возникли в нескольких эволюционных линиях независимо друг от друга, это означает, что эволюция одинаково реагировала на аналогичные условия окружающей среды. Вопрос в том, когда эволюция повторяется, как это работает генетически?

CRISPR-Cas

Какой ген и какой генетический механизм ответственны за полоски цихлид, которые пришли и ушли, а теперь были восстановлены в лаборатории с помощью анализа генома, размножения и экспериментов, в том числе CRISPR-Cas, используемой как «ножницы для генов». Доктор Клавдий Кратохвиль, старший исследователь в команде профессора Мейерса и основной автор исследования в области науки, объясняет: «В экспериментах по разведению мы можем точно определить, на какой из 22 хромосом, даже на какой области хромосомы рыбы, располагается генетическая инструкция для полос». Соответствующий ген этой хромосомной части называется agrp2. Этот «полосатый ген», его происхождение и распространение в других африканских озерах был описан в сравнительных молекулярных исследованиях. С эволюционной точки зрения полосы цихлид довольно неустойчивы. В течение нескольких миллионов лет они были потеряны и вновь появились в африканских озерах во много раз. Поскольку эти виды (с полосами и без полос) настолько молоды, они могут переплетаться в аквариумах. Разведение и исследование цихлид с полосками и без полос в лаборатории показывает, что все цихлиды несут «ген полосок», но переключатели (регуляторные элементы) этого гена различаются. «Этот генетический переключатель заставляет ген в виде без полос активироваться. В результате получается много белка. «Полоски» agrp2 работают как «ингибитор полосок»: если генерация гена высока, полосы будут подавляться, если производство белка будет низким, они останутся. Исследователи смогли продемонстрировать эти выводы с использованием современных генетических методов.

Последние данные об этом генетическом механизме, активация или дезактивация полос с помощью «гена полос» были опубликованы в текущем выпуске журнала Science. Интересно, что ген agrp2 у цихлид является копией гена agouti у млекопитающих, который отвечает за разные цвета шерсти кошек, собак, лошадей и полосатых детенышей птиц.

«Мир животных может быть намного менее красочным без семейства генов агути», – говорит Клавдий Кратохвиль. Механизм «полосного гена» у цихлид явно делает возможной повторную эволюцию в короткие сроки.

Луи Доло

Если характеристики теряются во время эволюции – считается, как правило, что эта потеря невосполнима. Бельгийский палеонтолог Луи Доло предположил это ровно 125 лет назад и написал свои выводы в труде «Дом кукол» в 1893 году.

Особым аспектом гена полос agrp2 является то, что он делает повторную эволюцию характеристик возможной простым способом. Если цихлиды теряют свои полосы, это не означает, что они никогда не вернутся или наоборот. Эти молекулярно-биологические исследования также показывают, что палеонтологические правила и эволюционные правила должны еще раз подвергнуться сомнению.

Claudius F. Kratochwil, Yipeng Liang, Jan Gerwin, Joost M. Woltering, Sabine Urban, Frederico Henning, Gonzalo Machado-Schiaffino, C. Darrin Hulsey, Axel Meyer.

Agouti-related peptide 2 facilitates convergent evolution of stripe patterns across cichlid fish radiations.

Science, 2018 DOI: 10.1126/science.aao6809