Рожков Ю. И. Популяции, виды, эволюция

1 и 2-я хромосомы. При этом в популяции у разных особей можно наблюдать три возможные комбинации акроцентрических (1 и 2) и метацентрических (1+2) хромосом. На рисунке мы обозначили их по аналогии с генотипами: А/А – транслокаций нет, в наличии только акроцентрики 1 и 2, диплоидное число хромосом равно 12; В/В – имеются только транслоцированные хромосомы 1+2, диплоидный набор равен 10 хромосомам; А/В – в наличии как акроцентрические (1 и 2), так и метацентрические (1+2) хромосомы, что является результатом скрещивания между вариантами А/А и В/В. Число хромосом в этом гибридном кариотипе равно 11. Эта ситуация типична для самых разных видов и популяций, их составляющих.

Особенно следует подчеркнуть, что накопление в популяциях робертсоновских слияний в сочетании с такими перестройками, как перицентрические инверсии (инверсия сегмента хромосомы с захватом центромеры), внутрихромосомные транслокации, разрывы хромосом по центромерам (робертсоновские разделения) могут приводить к самым значительным изменениям кариотипов в ходе эволюции, касающимся как структуры хромосом, так и их числа.

Схема на рисунке 68 иллюстрирует, каким образом это может происходить. Делеции, дупликации и в некоторых случаях другие перестройки в еще большей степени усиливают процесс дифференциации кариотипов4.

Для иллюстрации хромосомного полиморфизма в таблице 12 приведены данные по различным популяциям (породам) крупного рогатого скота (КРС). Они характеризуют частоту встречаемости животных – носителей робертсоновской транслокации 1+29 (центрическое слияние первой и двадцать девятой хромосомы). Частота этой транслокации колеблется от 0 до более чем 30%, но в некоторых небольших популяциях (не вошедших в таблицу 12) она может быть еще больше

(до 60%).

У того же вида встречается множество других робертсоновских транслокаций. Однако бóльшая их часть возникла, по-видимому, спонтанно в ближайших к исследованному поколениях. Встречаемость их в популяциях ничтожна, так что

Рис. 68. Схема, иллюстрирующая возможные пути преобразования структуры хромосом в ходе эволюции.

4 Иногдапредполагается,чтовподобныхпреобразованияхбываютзадействованыиреципроктные транслокации целых плеч хромосом (английской сокращение – WART). Однако В.Н. Орлов и его коллеги (Орлов и др., 2008) в своей работе (на виде Sorex araneus) пришли к выводу, что WART (по крайней мере, у обыкновенной бурозубки) не играет никакой заметной роли, а вся нагрузка лежит на робертсоновских транслокациях, которые как бы имитируют WART.

160

Таблица 12

Частота встречаемости робертсоновского слияния 1-й и 29-й хромосом в кариотипах различных популяций (пород) КРС (Яковлев, 1985)

161

они могут рассматриваться как пример мутационной (аберрантной) изменчивости на уровне хромосом, а не полиморфизма.

Вместе с тем, имеется еще одна робертсоновская транслокация (1+27), достигающая в некоторых популяциях очень высоких частот (до 60%).

В природных популяциях хромосомный полиморфизм – не менее, а, возможно, даже значительно более распространенное явление, чем в сельскохозяйственных.

Наглядны в этом плане данные не только по внутрипопуляционному, но и по межпопуляционному полиморфизму, служащему к тому же и иллюстрацией к схеме на рисунке 68. Приведем лишь несколько примеров из великого множества известных.

Так, у обыкновенной бурозубкиSorex araneus число хромосом (аутосом) у разных особей внутри отдельных популяций отличается на 2–5. В то же время, многие популяции хромосомно мономорфны. Колебание числа аутосом в данном случае объясняется слиянием акроцентрических хромосом в метацентрические (робертсоновские транслокации) и обратным процессом – разделением метацентриков по центромерам (Орлов, 1974).

Енотовидные собаки Nyctereutes procyonides, обитающие в Японии, отличаются от животных из китайской и финской популяций 16 робертсоновскими перестройками

(Mäkinen, Kuokanen, Valtonen, 1986).

В разных популяциях белоного хомячка Реromyscus тапiculatus число двуплечих хромосом варьирует от 16 до 42 (Вrandshaw, Нsu, 1972).

Уобыкновенной слепушонки Еllobius talpinus в горном Таджикистане обнаружен «веер» кариотипов с числом хромосом от 31 до 54. При этом различные расы различаются 11–12 робертсоновскими транслокациями (Ляпунова и др., 1984) – рисунок 69.

Даже популяции человека полиморфны по хромосомным перестройкам. К примеру,

у2–3% мужчин Y-хромосомы несут дуплицированные гетерохроматиновые сегменты.

Унекоторых видов насекомых (двукрылые) в клетках слюнных желез содержатся гигантские лентообразные политенные хромосомы – продукт многократных репликаций хромосомных нитей (явление эндополиплоидии). Эти ленты-хромосомы обладают характерной структурой – поперечным чередованием темных и светлых полос (дисков). При этом отдельные гомологичные хромосомы, как правило, настолько тесно соединены между собой (конъюгированы), что между ними нельзя обнаружить границы. Однако при наличии структурных различий между гомологами (гетерозиготность по перестройкам) конъюгация нарушается, и образуются либо петли разных типов (если в одном из гомологов имеется инверсия, дупликация, делеция), либо крестообразные фигуры (если произошла транслокация). Тщательный анализ расположения дисков в политенных хромосомах позволяет в принципе обнаружить также и гомозиготы по перестройкам.

Эти особенности политенных хромосом дают возможность относительно просто наблюдать у двукрылых такие обычно трудно выявляемые перестройки, как, например, парацентрические инверсии (инверсии, происходящие в одном плече хромосомы, т.е. без захвата центромеры) и другие.

Инверсионный полиморфизм, обнаруженный на политенных хромосомах – обычное явление в популяциях различных видов дрозофил и некоторых других двукрылых

(Дубинин, 1966; Стегний, 1984, 1991).

Иногда уровень гетерозиготности по инверсиям может оказаться исключительно высоким. Н.П. Дубинин с сотрудниками (Дубинин, 1966) показал, что в популяции D. subobscura из района г. Сочи особи почти на 100% были гетерозиготны по инверсии в

пятой хромосоме, на 91% – в четвертой, на 45% – в третьей и 66% – во второй хромосоме.

162

Рис. 69. Робертсоновский веер и хромосомное видообразование у роющих грызунов – слепушонок надвида Ellobius talpinus. Верхняя форма слева – E. talpinus s. str – хромосомный вид, распространенный от Украины до зауралья (2n=NF=54, диплоидное число хромосом равно числу плеч). Вторая форма слева – E. tancrei – кариоморфа, распространенная от Аму-Дарьи до Монголии (кроме долины Вахша-Сурхоба в Таджикистане и высокогорий в Киргизии), 2n=54, NF=56 (в первой зоне хромосом произошла инверсия – поворот участка хромосомы на 180° – при неизменном генном составе увеличилось число плеч от NF=54 до NF=56). Все остальные кариоморфы с 2n от 51 до 31 при неизменном NF=56 произошли за счет робертсоновского слияния хромосом, и, быть может, гибридизации в одной долине Памиро-Алая, в долине рек Сурхоб-Вахш. Эти кариоморфы обладают частичной репродуктивной изоляцией, но неотличимы морфологически и экологически (Н.Н. Воронцов, 1999).

163

Для растений также характерен не менее значимый хромосомный полиморфизм, связанный с разными типами перестроек. Для примера можно привести только что вышедшую работу Е.Д. Бадаевой с соавторами (2012), выполненную с помощью С-дифференциального окрашивания и гибридизации in situ (см. выше) на нескольких видах и популяциях эгилопса (Aegilops) – ближайшего родственника пшеницы.

Широко распространённым типом хромосомного полиморфизма является изменчивость по В-хромосомам, не несущим полезной информации и поэтому, видимо, широко варьирующим в популяциях по числу (от максимального количества до полного отсутствия) и по кариотипическому набору. Можно привести множество примеров В-хромосомного полиморфизма и у животных, и у растений, но мы ограничимся одним, с нашей точки зрения, наиболее ярким: полиморфизмом у восточноазиатской мыши Apodemus peninsulae (Борисов, Бочкарёв, 2008). У этого вида имеется около 20 В-хромосом самого различного размера и устройства (метацентрики, субметацентрики, акроцентрики и точечные с неясным положением центромеры) – рисунок 70. Как утверждают авторы исследования, из изученных особей более 60% имели индивидуальные наборы, и только три мыши из 312 вообще не имели В-хромосом. Для иллюстрации индивидуальной вариабельности приводим часть таблицы из работы Ю.М. Борисова и М.Н. Бочкарёва (2008) – табл. 13.

Предполагается,чтодо15%видовимеютВ-хромосомы.Однакодляотдельныхсисте- матических групп проценты сильно различаются. Так для крупных млекопитающих, как считают некоторые авторы, они снижаются до 1%. Для млекопитающих в целом – до 2 %. Правда, особой веры этим цифрам нет главным образом по той простой причине, что в световой микроскоп могут быть обнаружены лишь достаточно крупные хромосомы, а масса мельчайших (если, конечно таковые имеются) недоступны для наблюдения. Такие мельчайшие В-хромосомы могут состоять лишь из центромерных и теломерных последовательностей ДНК, а также последовательностей, ответственных за их полноценную

Рис. 70. Основной набор 48 акроцентрических хромосом мыши A. peninsulae (три верхних ряда) и индивидуальные варианты системы В-хромосом (нижние ряды) – Борисов, Бочкарёв, 2008.

164

Таблица 13

Разнообразие и индивидуальность вариантов системы В-хромосом A. peninsulae (Борисов, Бочкарёв, 2008, упрощено)

репликацию. Имея почти молекулярные масштабы, они «скрытно могут проживать» у большинства видов, являясь таким же генетическим «мусором», как и полноразмерные В-хромосомы и как, возможно, большая часть ДНК «нормальных» хромосом.5

5 У некоторых эукариот даже нормальные хромосомы невидимы в «оптику». Например, хромосомы дрожжей, которые столь малы, что их можно даже подвергнуть электрофорезу в гелях (пульс-электрофорез) на манер обычных макромолекул.

165

Полиморфизм на основе полиплоидии, т.е. кратного гаплоидному (n) изменения числа хромосом (3n – триплоидия, 4п – тетраплоидия и т.д.), у высших животных наблюдается чрезвычайно редко. То же можно сказать и об анеуплоидии, когда особи либо несут лишнюю хромосому (2п+1 – трисомики), либо, напротив, у них отсутствует одна из хромосом (2п-1 – моносомики).

И все же полиморфизм на основе полиплоидии, а точнее аллополиплоидии – кратного объединения в одном кариотипе хромосом не от одного (аутополиплоидия), а от разных видов – иногда встречается и может быть связан с постоянно идущей гибридизацией между видами, как это, например, происходит в природе у однополых гибридных саламандр комплекса Ambystoma laterale-jeffersonianum. Среди выявляемых по морфологическим критериям гибридов преобладают аллотриплоиды и аллотетраплоиды, но, кроме того, выявлены и сексуально зрелые аллопентаплоиды (Lowcock, Murphy, 1991).

Полиморфизм по анеуплоидии возможен в основном по половым хромосомам, изменение числа которых оказывает менее вредное воздействие на развитие организма, чем изменение числа аутосом (всех прочих хромосом), приводящее, чаще всего, к гибели гамет или эмбрионов. Именно такого рода изменчивость обнаружена у лесного лемминга Муориs schisticolor (Козловский, 1985).

заметим, что полиплоидия (как ауто-, так и алло-) напрямую связана с «мгновенным» видообразованием (обычным у растений) и сортообразованием. То, что исследователи обнаруживают иногда как полиморфизм, лишь кратковременное событие, относительно быстро завершающееся появлением новых видов или сортов. Чаще же завершающееся исчезновением по известным причинам этих «экспериментальных» форм.

Вупомянутой выше работе по эгилопсам (Бадаева и др., 2012) можно найти примеры удавшихся видообразований такого рода у растений, сопровождаемых в процессе доделки новых видов перестройками хромосом.

Что же касается видообразования не через полиплоидию, а только за счёт переделки отдельных хромосом и происхождения через предваряющую стадию полиморфизма, среди специалистов до сих пор нет единого мнения. Одни считают, что этот процесс идёт в природе и именно хромосомная дифференциация изолированных популяций, в конце концов, приводит к репродуктивной изоляции и следовательно видообразованию (Воронцов, 1999). Другие столь же справедливо полагают, что раз многочисленные кариотипические варианты не вызывают существенных нарушений в репродуктивных и прочих функциях при взаимоотношениях носителей разных хромосомных типов, видообразование через дифференциацию хромосом вряд ли возможно или невозможно вообще (Бородин, 1998).

Видимо истина лежит если и не посередине, то где-то между этими крайними точками зрения. В одних случаях видимо все события застывают на неограниченное время на «предваряющей стадии» (полиморфизм). В других, гораздо более редких случаях такие «предваряющие стадии» могут быть преодолены, дав начало видообразованию.

Вэто последнее так и хочется поверить, знакомясь с «чудесными» примерами, подобранными известным цитогенетиком А. Лима-де-Фариа для своей книги (Лима- де-Фариа, 2012). Приведём один из «запавших нам в душу» примеров с оленями из рода мунджаков. Китайский мунджак Muntiacus reevesi, как и многие другие виды оле-

ней (семейство), принадлежащие другим родам, содержит несколько десятков хромосом. Точнее 46 – столько же, сколько и у человека, но поменьше чем у прочих оленей.

Другой вид, принадлежащий к тому же роду M. muntjak, имеет всего 6 хромосом у самок и 7 – у самцов (вместо стандартного для млекопитающих набора половых хромосом – XY, у них имеется ещё и одна дополнительная Y-хромосома – XY1Y2)6.

6 Такое определение пола с двумя Y-хромосомами (Y1Y2) иногда встречается и в других отрядах млекопитающих.

166

У первого вида хромосомы акроцентрики в основном средних и мелких размеров (при сравнении с M. muntjak) У второго все хромосомы мета- и субметацентрики (за исключением Y2).

Оба вида почти неразличимы (самки в общем-то не различимы совсем, самцы различаются немного лишь по форме рогов), то есть являются видами-двойниками, произошедшими скорее всего от столь же неотличимого от них морфологически предкового вида.

Уже только один этот набор фактов без углубления в более утончённые исследования (а таковые имеются), сразу же приводит к одному из наиболее вероятных предположений.

Предковый вид по каким-то причинам имел необыкновенно высокий хромосомный полиморфизм (возможно даже значительно превышающий таковой у некоторых современных «мышеподобных» млекопитающих – см. выше)7.

Последующий распад на две изолированные и ограниченные по численности популяции привел со временем (в силу случайных причин – гл. 6) к формированию мономорфных группировок с совершено несходными вариантами кариотипов (сформировавшимися, судя по числу, форме, размерам хромосом и другим характеристикам, во многом примерно так, как это изображено на рис. 67 и 68). Эти коренные различия вариантов и стали препятствием к вторичному сближению двух группировок.

Однако подобный сценарий видообразования допускает и более правдоподный альтернативный подход.

Не различающиеся морфологически длительно изолированные группировки могут быстро и значительно дифференцироваться поведенчески (по существу очень сходно с происходящим в человеческом обществе – формирование этносов и языков). Встречаясь в дальнейшем в зонах контакта, они оказываются «говорящими на разных языках» и, не воспринимая особей из других группировок как членов своего сообщества, не скрещиваются с ними.

По-видимому, это наиболее типичный путь, ведущий к возникновению видов-двой- ников, для которых вообще характерны существенные поведенческие различия, компенсирующие морфологическую «идентичность».

Естественно, хромосомные различия в данном сценарии не являются инициирующими видообразование. Кариотипические изменения происходят совсем не по видообразовательным причинам и могут даже вполне допускать осуществление продуктивных скрещиваний.

Как бы то ни было, популяции, «проживающие своей жизнью» и по первому, и второму сценариям, в какой-то период времени обязательно проходят стадию временно существующего (переходного) хромосомного полиморфизма.

17.3. Молекулярный полиморфизм

Начало исследований по молекулярному полиморфизму, по-видимому, можно отнести к первой половине ХХ века и связать с открытием антигенов групп крови человека и первыми исследованиями по выявлению этих групп в популяциях. В последствии эритроцитарные антигены (группы крови) стали изучаться у домашних и лабораторных животных. При поиске новых антигенных факторов использовали специальные и порой крайне трудоёмкие и длительные методы. Достаточно вспомнить, что выявле-

7 До сих пор неясно, чем обусловлено появление хромосомного гипер-полиморфизма. за неимением полноценных объяснений обычно предлагается действие повышенного радиационного фона местности и/или всё «объясняется» сверхактивностью мобильных элементов в условиях жёсткого стресса (гл. 4).

167

ние генетически контролируемых антигенов (иммуногенетических фенов) у животных первоначально сопряжено с целой серией разнообразных иммунизаций множества особей, получения от них антисывороток, несущих антитела к искомому антигену, их абсорбцией (очисткой от посторонних антител) и затем уже проведением не менее разнообразных в методическом плане реакций антиген-антитело (реакции агглютинации, преципитации в гелях, преципитации в сочетании с электрофорезом и другие). Ко всему прочему, и после того, как иммунологические фены будут выявлены, как правило (но не всегда) для определения генотипов конкретных особей необходимо произвести семейный анализ, т.е. получить также и информацию по фенам матерей и отцов этих особей (Иммунологические методы, 1979).

Рассмотрим несколько примеров полиморфных систем, выявляемых иммуногенетическими методами.

Вскоре после того, как были начаты широкомасштабные исследования по эритроцитарным антигенам человека (в связи с возникающими проблемами по переливанию крови), начались и работы по выявлению аналогичных антигенов у сельскохозяйственных видов животных и ближайших к ним диких форм. По данным различных авторов, на эритроцитах крупного рогатого скота (КРС) выявлено более 80 антигеннных факторов, свиней – около 60, овец – более 30. В зависимости от характера наследования все известные эритроцитарные антигены разделяются на системы, контролируемые аллелями соответствующих локусов. У КРС насчитывается 12 таких систем, у свиней

– 16, лошадей – 8, овец – 7, кур – 14.

Наследственные факторы, детерминирующие группы крови в простых системах, представлены не менее чем двумя аллелями, в сложных – серией аллелей. Относительно природы аллелизма в сложных системах групп крови ранее существовало две точки зрения: одни авторы рассматривали множественные аллели как результат действия нескольких тесно сцепленных генов (Race, Sanger, 1962), другие – как полиаллельную серию одного локуса (один ген) (Wiener, 1945; Stormont, 1955).

Как выяснилось впоследствии, на основании исследований структур полиаллельных локусов, например, у того же КРС, справедливой оказалась первая гипотеза (Bouw et al., 1974; Ruiterkamp et al., 1977). В этих исследованиях было установлено следующее: 1) полиаллельные локусы имеют комплексную структуру; 2) эти комплексные локусы по сути дела являются местами локализации супергенов, т.е. состоят из суб-локусов (из тесно сцепленных генов); 3) сублокусы (гены) контролируют отдельные антигенные факторы.

Одним из наиболее сложных и полиаллельных локусов групп крови является В-локус КРС. В нем выявлено более 40 антигеннных факторов, которые в целом по всем популяциям КРС образуют около 800 комбинаций, наследующихся как единое целое, т.е. наподобие аллелей (такие «аллели» супергенов – комплексных локусов – правильнее называть псевдоаллелями).

В отдельных популяциях в В-локусе обычно выявляется от 30 до 80 аллелей. Такая уникальная полиаллельность делает этот локус незаменимым при проведении популя- ционно-генетических исследований на КРС (Охапкин, 1992). У других видов животных также имеются подобные локусы, правда, с меньшим числом выявленных на сегодняшний день аллелей или псевдоаллелей, о чём судить сложно, так как структуры локусов в достаточной степени не были изучены (Машуров, 1980; Марзанов, 1991; Тихонов, 1991) и не изучены до сих пор.

Наряду с эритроцитарными антигенами особо интенсивно изучались антигены главного комплекса гистосовместимости – ГКГ (Н-2 комплекс мыши, НLА человека, ВОLА КРС, ОLА овец и др.).

У разных видов ГКГ представляет собой кластер тесно сцепленных генов – своего рода суперген (напоминая в этом смысле В-систему групп крови). Продукты некото-

168

рых из этих генов (трасплантационные антигены) экспрессированы на всех клетках организма и, наряду с продуктами других генов ГКГ, играют одну из основных ролей в осуществлении иммунных реакций. При этом характерно, что гены ГКГ гомологичны другим генам иммунной системы (гены иммуноглобулинов и др.), также собранным в отдельные кластеры (мультигенные семейства) и размещенным в разных хромосомах.

Отличительной чертой генов, кодирующих трасплантационные антигены (К, D и L локусы в Н-2 области 17-й хромосомы мыши; А, В и С локусы в НLА области 6-й хромосомы человека), является огромных масштабов полиморфизм. Например, у лабораторных мышей по каждому из локусов К и D обнаружено около 50 аллелей. Считается, что в популяциях диких мышей число аллелей по этим же локусам не менее чем в 2 раза больше. Легко себе представить, какое огромное число псевдоаллелей дадут комбинации принадлежащих разным локусам ГКГ истинных аллелей (Снелл и др., 1979; Поляновский и др., 1988).

Помимо полиморфизма по генам, контролирующим наборы антигенов, закрепленных на поверхности клеток, сходный тип полиморфизма выявлен по генам, ответственным за наличие тех или иных антигенных детерминант на отдельных белковых молекулах. Наиболее известна изменчивость генов иммуноглобулинов и липопротеинов различных видов млекопитающих (Баранов, 1981).

Характерно, что в этих случаях так же, как и при генетическом контроле клеточных антигенов, иммунологическими и другими методами выявляются псевдоаллели, представленные в блоках тесносцепленных генов (мультигенные семейства, супергены) (Hood,1976; Баранов и др., 1984; Поляновский и др., 1988).

У липопротеинов очень высокой плотности (американская норка) в отдельных сублокусах, по-видимому, локализуются полиморфные гены, контролирующие синтез разных субъединиц липопротеина. Аллельная изменчивость тесносцепленных генов порождает псевдоаллелизм подобно тому, как это было описано выше для В-локуса и ГКГ (Баранов и др., 1984). Характерно, что при этом тесная сцепленность генов часто связана с функциональной близостью контролируемых ими белковых продуктов.

Совершенно очевидно, что для производимых в природе популяционных исследований иммунологические методы далеко не всегда пригодны, так как круг их применения ограничивается очень узким перечнем видов и столь же узким набором доступных для анализа локусов. здесь более необходимы те методы, которые позволяют проводить массовые анализы и получать однозначные результаты для практически неограниченного числа видов и локусов. К такого рода методам относится электрофорез белков в гелях, позволяющий определять генотипы особей по исследуемому локусу.

Массовое использование этого метода в популяционных исследованиях началось в пятидесятые годы, когда был предложен метод электрофореза в пластинах крахмального геля (КГ), а затем, немного позже – и электрофорез в пластинах полиакриламидного геля (ПААГ) (Галь и др., 1982). Эти новые для тех лет методы позволили значительно улучшить разделение белков, так что стало возможным различать их отдельные аллельные варианты, в большинстве своём незначительно отличающиеся друг от друга по электрофоретической подвижности и, в силу этого, не выявлявшиеся ранее другими более грубыми методами электрофореза. С тех пор с помощью электрофореза было выполнено огромное число работ по генетическому полиморфизму белков.

Общий принцип электрофореза заключается в дифференциации белковых молекул по их зарядам и молекулярным массам.

После электрофореза образцов, которые готовятся из тканей отдельных особей, и инкубации гелевых блоков в растворах красителей, специфичных для тех или иных белков или ферментов, получают фореграммы с «прорисованными» на них фракциями

(рис. 71).

169