Рекомбинация (биология)
Рекомбинация — процесс обмена генетическим материалом путем разрыва и соединения разных молекул. Рекомбинация происходит при репарации двунитевых разрывов в ДНК и для продолжения репликации в случае остановки репликационной вилки у эукариот, бактерий и архей. У вирусов возможна рекомбинация между молекулами РНК их геномов.
Рекомбинация у эукариот обычно происходит в ходе кроссинговера в процессе мейоза, в частности, при формировании сперматозоидов и яйцеклеток у животных. Рекомбинация, наряду с репликацией ДНК, транскрипцией РНК и трансляцией белков, относится к фундаментальным, рано возникшим в процессе эволюции, процессам.
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Рекомбинация (биология)» в других словарях:
РЕКОМБИНАЦИЯ — (от лат. re приставка, здесь означающая возобновление, повторпость действия, и ср. лат. combinatio соединение), перераспределение генетич. материала родителей в потомстве, приводящее к наследственной комбинативной изменчивости живых организмов,… … Биологический энциклопедический словарь
РЕКОМБИНАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКАЯ — реорганизация ге нетич. материала, обусловленная обменом отдельными сегментами (участками) двойных спиралей ДНК. Р. г. главный фактор непостоянства генома, основа большинства его изменений, обусловливающая естеств. отбор, микро и макроэволюции.… … Химическая энциклопедия
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ — изучает явления жизни на уровне макромолекул (гл. обр. белков и нуклеиновых к т) в бесклеточных структурах (рибосомы и др.), в вирусах, а также в клетках. Цель М. б. установление роли и механизма функционирования этих макромолекул на основе… … Химическая энциклопедия
Жизненный цикл (биология) — У этого термина существуют и другие значения, см. Жизненный цикл. Схематическое изображение основных типов жизненных циклов с чередованием диплоидной и гапл … Википедия
Старение (биология) — У этого термина существуют и другие значения, см. Старение. Старая женщина. Анн Поудер 8 апреля 1917 года в свой 110 й день рождения. Сморщенная и сухая кожа типичный признак старения человека … Википедия
Дезоксирибонуклеиновая кислота — Двойная спираль ДНК Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) макромолекула(одна из трех основных, две другие РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования… … Википедия
ДНК — Двойная спираль ДНК Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная… … Википедия
Двойная спираль — ДНК Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в… … Википедия
Модель Уотсона — Крика — Двойная спираль ДНК Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) один из двух типов нуклеиновых кислот, обеспечивающих хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная… … Википедия
Эволюция — Эта статья о биологической эволюции. Другие значения термина в заглавии статьи см. на Эволюция (значения). Фи … Википедия
Рекомбинация и половой отбор
Павел Бородин, Любовь Малиновская, Елена Шнайдер, Анна Торгашёва
«Природа» №12, 2020
Об авторах
Павел Михайлович Бородин — доктор биологических наук, главный научный сотрудник отделения молекулярной генетики, клеточной биологии и биоинформатики Института цитологии и генетики СО РАН, профессор Новосибирского государственного университета. Специалист в области эволюционной биологии, популяционной генетики, цитогенетики мейоза. Лауреат премии имени профессора В. С. Кирпичникова за выдающийся вклад в развитие эволюционной генетики (2004). Постоянный автор и член редколлегии «Природы».
Любовь Петровна Малиновская — аспирант Новосибирского государственного университета, научный сотрудник лаборатории молекулярной цитогенетики птиц Института цитологии и генетики СО РАН. Область научных интересов — молекулярная цитогенетика птиц.
Елена Павловна Шнайдер — кандидат биологических наук, эксперт-орнитолог в ООО «Сибэкоцентр», член Союза охраны птиц России. Занимается проблемами экологии и охраны птиц.
Анна Александровна Торгашёва — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, заведующая лабораторией молекулярной цитогенетики птиц Института цитологии и генетики СО РАН. Научные интересы связаны с молекулярной биологией мейоза, эволюционной цитогенетикой животных.
Виген Артаваздович Геодакян на съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров, проходившем в Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова в июне 2009 г. Фото А. А. Торгашёвой
В связи с темой нашей статьи нелишним будет вспомнить В. А. Геодакяна (1925–2012), ученого секретаря Вавиловского общества генетиков и селекционеров (ВОГиС). В конце прошлого века не было ни одной генетической конференции, ни одной научной школы, где бы он не выступал с вечерней лекцией. Любимая тема Вигена Артаваздовича — эволюционное предназначение самцов и самок. Основная идея заключалась в том, что самки воплощают консервативную, стабилизирующую сторону эволюции. Самцам он отводил прогрессивную — «футуристическую», как он любил говорить, — роль. Он был большим мастером находить подтверждения своей теории в самых разных областях биологии и медицины. К примеру, он ссылался на рассказ знакомого хирурга о том, что у девочек, как правило, обнаруживается атавистический порок сердца — не заращение клапана, т.е. трехкамерное рептильное сердце. У мальчиков, напротив, чаще возникают футуристические пороки сердца, которые приводят к усилению малого круга кровообращения, т.е. к улучшению кровоснабжения мозга. Геодакян исходил из вполне разумной предпосылки о том, что самцов много не нужно. Он считал, что эволюция бережет самок и пробует на самцах новые варианты, безжалостно отбраковывая дурные и подхватывая хорошие. Отсюда повышенная мутабильность самцов и строгая канализированность их развития, неспособность к адаптивным ответам на среду, тупое следование своим генотипам. Его статьи охотно печатали в научно-популярных изданиях * ; несколько статей вышли в академических журналах: «Докладах АН СССР», «Журнале общей биологии» и «Генетике» [1]. Специалисты в области эволюционной биологии относились к идеям Геодакяна с большим скепсисом, но всегда приглашали на свои конференции. «Он скорее всего неправ, но заставляет думать», — говорили они.
В последний раз мы встретились с Геодакяном в 2009 г. на V Съезде ВОГиС в Московском государственном университете. Во время кофе-брейка Виген Артаздович делился своими мыслями об эволюции половых хромосом. «Игрек хромозома, — говорил он, — это роддом и крематорий генов. Новые гены в ней возникают и, если они полезны, то переносятся на икс хромозому, а оттуда на автозомы. И наоборот, плохие — возвращаются на игрек хромозому и там покоятся в мире».
В этой статье мы хотим рассказать историю, которая, на первый взгляд, противоречит идеям Геодакяна. И на второй — тоже. Но как жаль, что его больше нет с нами. Почему-то нам кажется, что он и в ней нашел бы подтверждение своей теории. С теплыми воспоминаниями и светлой грустью мы посвящаем эту статью его доброй памяти.
Неправильное правило Хаксли — Холдейна
В начале прошлого века в Англии жили два чем-то похожих на Геодакяна ученых: Джулиан Хаксли (брат писателя Олдоса Хаксли и сын Томаса Генри Гексли — «бульдога Дарвина») и Джон Холдейн (сын известного физиолога Джона Скотта Холдейна, одного из создателей учения о дыхании человека). Их по праву считают отцами-основателями синтетической теории эволюции. Они, каждый по отдельности, постоянно открывали правила и законы природы. Одно из открытых ими правил называется правилом Хаксли — Холдейна. Звучит оно так: «Если рекомбинация хромосом снижена или отсутствует у одного пола, то это всегда гетерогаметный пол» [2–3].
Гетерогаметный — значит, имеющий разные половые хромосомы: XY у самцов млекопитающих и двукрылых (включая комаров и муху дрозофилу) или ZW у самок птиц и бабочек. Соответственно, гомогаметным полом оказываются самки ХХ у первых и самцы ZZ у последних. т.е. правило Хаксли — Холдейна говорило не о самцах и самках, а о гетеро- и гомогаметном полах. В чем здесь фокус? Почему нужно блокировать рекомбинацию у гетерогаметного пола?
Рекомбинация наряду с мутациями служит мощным генератором генетической изменчивости. Но между ними есть большая разница. Мутационный процесс — это своего рода проявление энтропии на молекулярно-генетическом уровне. За счет неизбежных ошибок удвоения и ошибочной репарации (исправления) этих ошибок в ДНК возникают мутации — искажения генетической информации, упорядоченной предшествующим отбором, т.е. мутации — это неизбежное нарастание хаоса.
Рекомбинация — это хорошо упорядоченная, запрограммированная и затратная генерация хаоса (рис. 1). В ходе рекомбинации в ДНК запрограммированно вносится множество вполне фатальных повреждений — двунитевых разрывов. Эти разрывы затем репарируются: иногда правильно — с восстановлением исходной информации, но чаще неправильно — не по той цепи, которой нужно, а то и вовсе крест-накрест. Эти перекресты приводят к тому, что родительские комбинации аллелей, которые, между прочим, позволили родителям дожить до брака и приступить к производству потомков, разрушаются. Вместо них возникают новые, ранее не опробованные комбинации, которые вполне могут оказаться как хуже, так и лучше родительских [4].
Рис. 1. Рекомбинация гомологичных хромосом [6]. Розовым цветом обозначена ДНК материнской хромосомы, синим — отцовской, зеленым — ДНК, достроенная в ходе репарации разрывов
Вернемся к правилу Хаксли — Холдейна. Главный недостаток рекомбинации для гетерогаметного пола заключается в том, что она разрушает комбинации, специфичные для половых хромосом. Судите сами. Если на Y хромосоме, кроме самого аллеля-определителя мужского пола, находятся еще аллели, определяющие «самцовость» (сборку сперматозоидов, а не яйцеклеток; драчливость, а не кротость; густые усы, а не длинные ресницы), то таким аллелям лучше передаваться вместе, а не скакать по одному с Y на X и обратно.
Однако для решения этой проблемы достаточно заблокировать рекомбинацию между половыми хромосомами. Запирать ее по всему геному только ради этого кажется стрельбой из пушки по воробьям. Но в эволюции всякое может случиться. Не исключено, что именно это послужило причиной полного запирания рекомбинации у самцов двукрылых. Поскольку дрозофила была первым и главным генетическим объектом, то она и правила балом по широко известной генетикам присказке: «Что верно для дрозофилы, то верно и для слона». Оказалось, что не верно. У слона, как и у всех остальных млекопитающих, рекомбинация между X и Y действительно заблокирована везде, кроме маленького района на концах этих хромосом. У всех прочих хромосом (аутосом) рекомбинация происходит свободно. Хотя и в них она, как правило, снижена у самцов — не заблокирована, но снижена [5].
Таким образом, от правила Хаксли — Холдейна осталось только то, что самцы отличаются от самок. Да и то оказалось, что половые различия в уровне рекомбинации сильно варьируют и в размахе (когда сильные, когда слабые, когда и вовсе отсутствуют), и в знаке (чаще всего больше у самок, но бывает и у самцов). И если эти различия есть, то они никак не связаны с гетерогаментостью. И все же, почему рекомбинация, как правило, выше у самок?
Половой отбор как универсальное объяснение всего на свете
Половой отбор — это первое, что приходит в голову, когда обнаруживаются межполовые различия по признакам, не связанным напрямую с размножением, т.е. вторичным половым признакам [6]. Механизмами полового отбора считают межсамцовую конкуренцию и выбор самок. Рога, бивни, когти и жизненный принцип «всех убью, один останусь» — эти вторичные половые признаки обеспечивают самцам тех видов, у которых они есть, победу в борьбе за самок и успех в размножении. Выбор самок основывается на прямой или косвенной оценке качества генов потенциальных супругов. Прямые индикаторы — это размер тела и здоровый внешний вид, косвенные — это различные гандикапы, т.е. признаки, осложняющие жизнь их носителя. Излишне яркая окраска, бессмысленно длинный хвост, громкие и сложные ритуалы ухаживания — все это признаки затратные, малополезные, а порой и вовсе вредные для здоровья самцов. Их единственная функция — сообщить самке: «Я настолько жизнеспособен, что могу себе позволить таскать этот бесполезный груз, который давно бы погубил более слабого».
Половой отбор — это красивая и остроумная теория. Но при чем здесь рекомбинация? Как пониженная рекомбинация у самцов может им помочь в борьбе за самок? Как может самка определить рекомбинационные способности самца и зачем ей это нужно? Уровень рекомбинации — это такой признак самца, который можно оценить, только скрестившись с ним и посмотрев на разнообразие полученных потомков. Но если потомки уже получены, значит выбор уже сделан и оценка рекомбинации уже никому не нужна. Но даже если бы самка могла определить способности самца заранее, почему ей должны нравиться мало рекомбинирующие самцы?
Рис. 2. Половой отбор убегающего признака и рекомбинация. А — аллель, контролирующий у самок предпочтение самцов с длинным хвостом; а — нет предпочтений у самок; Т — аллель, контролирующий у самцов развитие длинного хвоста; t — нормальный хвост у самцов
Здесь стоит вспомнить модель полового отбора, предложенную еще одним отцом-основателем эволюционной биологии — Рональдом Фишером [7]. Рассмотрим ее для наглядности на примере хвоста. Пусть в популяции есть два типа самцов: с длинными и нормальными хвостами, и два типа самок: одним нравятся длиннохвостые самцы, другим они безразличны. При скрещивании самцов и самок, относящихся к первым типам, их сыновья наследуют явно длинный хвост от отца и скрытно — любовь к длиннохвостым самцам от матери. Дочери от такого брака наследуют явно любовь к длиннохвостым самцам от матери и скрытно — длинный хвост от отца. Таким образом возникает то, что в популяционной генетике называется неравновесие по сцеплению. Очевидно, что и первый, и последний признаки количественные, и, следовательно, зависят не от одного, а от множества генов, разбросанных по многим хромосомам. Аллели, контролирующие развитие длинного хвоста, и аллели, диктующие самкам слабость к длиннохвостым самцам, наследуются вместе. В таком случае отбор должен подхватывать и распространять в популяциях хромосомы, в которых эти аллели оказываются «по одну сторону» — в цис-положении (рис. 2) [8].
В рамках фишеровской модели рекомбинация приобретает смысл. Можно думать, что сниженная рекомбинация у самцов позволяет им фиксировать удачные комбинации и предохранять их от развала. В результате их сыновья и дочери получают хвосты и любовь к хвостам в одном флаконе. Почему бы тогда вовсе не запереть рекомбинацию у самцов? Потому, что самкам нравятся не просто длинные хвосты, а самые длинные хвосты здесь и сейчас. Это не фиксированный, а убегающий признак (не зря модель Фишера называется runaway selection — ‘убегающий отбор’). Чтобы производить сыновей с самым длинным хвостом, их отцы и матери должны тасовать аллели за пределами районов сцепления между генами «длинного хвоста» и генами «любви к длинным хвостам». Это позволяет им собирать в блоки новые мутации, увеличивающие хвост на пару миллиметров и избавляться от мутаций, его укорачивающих. Заметьте, что в рамках этой модели длина хвоста растет и у самцов (убегающий признак), и у самок (догоняющий признак).
Фишеровская модель объясняет, почему рекомбинация у самок должна быть выше, чем у самцов. Для самца ключевым признаком приспособленности является его и его сыновей успех в размножении. Для самок и их дочерей успех в размножении, как правило, гарантирован. Для их приспособленности более важным параметром оказывается жизнеспособность потомства. Поэтому им необходимо более интенсивно, чем самцам, тасовать аллели, избавляясь от мутаций, снижающих жизнеспособность, в том числе, и от аллелей «длинного хвоста», выводящих этот признак за границы биологического (аэродинамического, например) оптимума.
От моделей к фактам
Теорий, которые объясняют половые различия в рекомбинации (гетерохиазмию), более чем достаточно. С фактами ситуация гораздо хуже. Данных мало, и они довольно противоречивы. Теоретики по определению не занимаются экспериментами, а используют в своих моделях данные, полученные другими людьми и для других целей. В итоге довольно часто им приходится сравнивать, фигурально выражаясь, ужа и ежа просто потому, что других данных нет.
Ярким примером может служить работа английской исследовательницы Джудит Мэнк под названием «Эволюция гетерохиазмии: роль полового отбора и конкуренции сперматозоидов в определении половых различий у млекопитающих» [9]. Данные по рекомбинации у обоих полов были доступны для пяти видов со слабо выраженным половым диморфизмом — собака, кошка, свинья, мышь, человек; и пять видов с сильно выраженным — овца, бизон, корова, макака-резус, бабуин. И, заметьте, ни для одного из этих видов (кроме, может быть, человека) не доказан половой отбор в форме выбора брачного партнера. Оказалось, что у четырех из пяти диморфных видов рекомбинация была выше у самцов, а у всех мономорфных видов — выше у самок. Проблема в том, что виды, включенные в сравнение, разделяют десятки миллионов лет независимой эволюции. Они отличаются друг от друга по размеру тела, образу жизни, типу питания, популяционной структуре и, главное, по репродуктивным стратегиям (моногамия — полигамия, участие самцов в выращивании потомства) и степени зависимости потомков от родительской заботы (зрелорождающиеся — не зрелорождающиеся), т.е. здесь мы имеем типичное сравнение ужа с ежом. Впрочем, автор сам сознает уязвимость своих выводов и впрямую об этом пишет. И кроме того, половой диморфизм вовсе не обязательно возникает в результате полового отбора. Вспомните хотя бы школьный пример с морскими беспозвоночными — зеленой бонеллией (Bonellia viridis): 3-миллимитровый самец живет в матке 15-сантиметровой самки и вовсе на нее не похож.
С птицами, которые интересны тем, что у них гетерогаметный пол — самки, ситуация не лучше. Данные по рекомбинации у обоих полов получены для девяти видов, которых тоже разделяют десятки миллионов лет независимой эволюции и отличают друг от друга множество особенностей их биологии. Половые различия по рекомбинации у птиц непредсказуемо варьируют: у близких видов они могут сильно различаться по знаку и размаху [10]. Поэтому мы решили получить собственные данные по рекомбинации для двух видов птиц, которые разошлись относительно недавно в ходе эволюции и сходны по всем особенностям биологии, кроме одной: у одного вида нет полового отбора, а у другого он доказан наблюдениями и экспериментами.
Две ласточки
Мы сравнили два вида ласточек — деревенскую ласточку (Hirundo rustica) и бледную береговушку (Riparia diluta) по параметрам рекомбинации у самцов и самок [11]. Современные цитологические методы позволяют выявлять точки рекомбинации прямо на препаратах хромосом (рис. 3).
Рис. 3. Микрофотография сперматоцита деревенской ласточки после иммуноокрашивания белков осей хромосом (красный), центромер (синий) и рекомбинационных узелков (зеленый) [10]. Цифрами обозначены макрохромосомы, буквами — половые хромосомы. Фото Л. П. Малиновской
Почему мы выбрали именно эти виды? Потому что они состоят в относительно близком родстве (около 16 млн лет дивергенции) и довольно похожи в отношении экологии, образа жизни и систем размножения. У них сходны районы миграции и гнездования. Оба вида образуют большие колонии. Оба практикуют относительно строгую моногамию, совместное высиживание яиц и выкармливание потомков.
Различия между ними состоят в том, что у береговушек практически невозможно отличить самцов от самок, в то время как самцы европейского подвида деревенской ласточки (ареал которого доходит до Байкала) отличаются от самок большей яркостью оперения и, главное, большей длиной хвостовых направляющих перьев (косиц). По этому признаку у деревенской ласточки идет довольно интенсивный половой отбор. Самки отдают безусловное предпочтение самцам с более длинными косицами. Такие самцы оставляют больше потомков. Они раньше других находят себе пару, чаще других вступают во внебрачные отношения с соседними самками, а их собственные самки чаще производят две кладки в сезон. Эти различия в репродуктивном успехе были подтверждены как прямыми наблюдениями, так и экспериментами с искусственным удлинением или укорочением косиц [11].
Брачные пары деревенской ласточки (слева) и бледной береговушки. Фото Е. Шнайдер
Что мы увидели? Общий уровень рекомбинации у самок деревенской ласточки был на 13,5% выше, чем у самцов. Эти различия касались не только общего числа рекомбинационных узелков, но и их локализации. Почти все «лишние» узелки у самок находились на макрохромосомах, вдоль которых они были распределены довольно равномерно. В то же время у самцов мы наблюдали пики рекомбинации по концам хромосом и низкий уровень вдоль плеч хромосом (рис. 4).
Рис. 4. Половые различия по числу (вверху) и распределению (внизу) рекомбинационных узелков на хромосомах деревенской ласточки и бледной береговушки [10]
Рекомбинация на концах хромосом важна и полезна для правильного их расхождения в мейозе, но мало что дает для перетасовки аллелей. В то время как рекомбинация в средних частях хромосом дает широкий и разнообразный набор новых аллельных комбинаций в потомстве. За счет этих двух особенностей — более высокой частоты рекомбинации вообще и в средних частях хромосом в частности — самки деревенской ласточки разрушают старые комбинации аллелей и создают новые гораздо быстрее, чем самцы того же вида. При этом у бледной береговушки — морфологически мономорфного вида — мы не обнаружили значительных половых различий ни по числу рекомбинационных узелков, ни по их распределению. И, что особенно интересно, они очень похожи по этим признакам на самцов деревенской ласточки.
Логично допустить, что у общего предка наших двух видов ласточек самцы и самки были похожи друг на друга и по морфологии, и по уровню рекомбинации. Затем половой отбор у деревенских ласточек привел к возникновению полового диморфизма по обоим этим признакам. Но почему это произошло не за счет снижения рекомбинации у самцов, а за счет ее повышения у самок? Можно думать, исходно низкий уровень рекомбинации у обоих полов позволил возникнуть и закрепиться неравновесию по сцеплению между аллелями, контролирующими проявление вторичных половых признаков у самцов, и предпочтение к этим признакам у самок. Поскольку половая разница в рекомбинации у деревенской ласточки наиболее выражена в макрохромосомах, можно предположить, что именно там находятся гены, законсервированные половым отбором. Сильный отбор по тем районам хромосом, где они находятся, должен вести к накоплению вредных мутаций в этих и соседних районах. Увеличение частоты рекомбинации в макрохромосомах в женском мейозе может быть направлено на очищение от этих мутаций. И кроме того, вспомните, что самки любят самцов не просто с длинным хвостом, но с самым длинным. Отсюда следует, что самки должны интенсивно тасовать свои аллели, надеясь снабдить своих сыновей более длинными хвостами. Так что наши данные не так уж и противоречат идеям Геодакяна. Да, сами самки, по его теории, должны быть более мономорфными, чем самцы. Но при этом они могут генерировать более разнообразное потомство, чтобы их дочерям в следующем поколении было, из кого выбирать.
Конечно, эта гипотеза весьма умозрительна. Нам нужно больше данных о величине и направлении гетерохиазмии среди близких видов птиц с явным половым отбором и без него. Нам нужны данные о локализации генов, контролирующих вторичные половые признаки самцов и особенности половых предпочтений у самок. И нам очень не хватает Вигена Артаваздовича, чтобы обсудить с ним эти данные. Он бы обязательно придумал им правильное объяснение.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 20-64-46021).
* Две статьи В. А. Геодакяна были опубликованы и в «Природе»: «Эволюционная логика дифференциации полов и долголетие» (1986. № 1. С. 70–80) и «Эволюционная теория пола» (1991. № 8. С. 60–69).
** См. например: Бородин П. М. Генетическая рекомбинация в свете эволюции // Природа. 2007. № 1. С. 14–22.
