Александр Марков
Перспективы отбора

Исследование № 7
Половое размножение помогает отбору отделять полезные мутации от вредных

Половое размножение ускоряет адаптацию к меняющимся условиям – это и с теоретических позиций логично, и экспериментально подтверждается на реальных видах. Следующий естественный вопрос, который возникает у эволюциониста, – как адаптация половых и бесполых организмов выглядит на генетическом уровне? Почему половое размножение справляется с адаптацией лучше бесполого? До сих пор таких сравнений на геномном уровне не проводили, и не потому, что это праздный вопрос – как раз наоборот, крайне важно выяснить, в чем разница между эволюционными траекториями у половых и бесполых организмов. Но это технически трудная задача. Однако американские биологи придумали, как ее решить: они создали генно-модифицированные штаммы дрожжей с половыми и бесполыми линиями, идеально подходящие именно для решения данной задачи. Оказалось, что при одинаковом темпе мутирования в половых популяциях за 1000 поколений закрепляется в 5 раз меньше мутаций, чем в бесполых популяциях такой же численности. Среди мутаций, закрепившихся в бесполых популяциях, встречаются вредные, тогда как в половых популяциях закрепляются только полезные мутации. Таким образом, половое размножение помогает отбору отделять полезные мутации от вредных, и за счет этого темпы адаптации увеличиваются. В бесполой популяции отбираться могут только целые геномы, поэтому каждая новая полезная мутация неразрывно связана со своим “генетическим фоном” и может распространяться только вместе с ним, а объединить в одном геноме две полезные мутации, возникшие у разных особей, невозможно. В половой популяции гены перемешиваются, что ведет к распространению целых ансамблей полезных мутаций, изначально появившихся у разных особей.

Согласно имеющимся теориям, половое размножение ускоряет адаптацию за счет того, что постоянная перетасовка и перемешивание индивидуальных геномов повышает эффективность закрепления отбором полезных мутаций и отбраковки вредных. Например, если полезная мутация возникла в геноме особи, у которой в другом гене есть вредная мутация, то в ходе полового размножения часть потомков унаследуют только полезную мутацию. Они-то и будут поддержаны отбором. А при бесполом (клональном) размножении отбору приходится работать с целыми геномами. Поэтому полезная мутация может закрепиться лишь вместе со всем своим “генетическим фоном”, включая все вредные мутации, которые есть в данном геноме. Иными словами, в бесполой популяции многие вредные мутации должны закрепляться, распространяясь за счет полезных мутаций, находящихся в других местах того же генома. Это называют “генетическим автостопом” (см. Исследования № 1 и 3).

Кроме того, в бесполой популяции полезные мутации, возникшие в разных генах у разных особей, не могут объединиться. Вместо этого их носители начинают конкурировать и вытеснять друг друга, что ведет к безвозвратной потере большинства полезных мутаций, возникающих в популяции. Это называют конкуренцией клонов, или клональной интерференцией (см. Исследование № 4).

Все это очень логично, но для полной уверенности не хватает прямых молекулярно-генетических данных об эволюционных изменениях в половых и бесполых популяциях. Чтобы их получить, нужно, во-первых, создать “правильные” подопытные популяции, не отличающиеся друг от друга ничем, кроме наличия или отсутствия полового размножения, а во-вторых – проследить за изменениями их геномов в ходе эволюции.

Именно это и сделали недавно биологи из Гарвардского университета (США). Они провели эволюционный эксперимент на специально созданных для этой цели штаммах пекарских дрожжей, Saccharomyces cerevisiae (McDonald et al., 2016). В эксперименте участвовало 18 популяций: 12 бесполых, размножавшихся только почкованием, и 6 половых, которые тоже бóльшую часть времени размножались почкованием, но после каждых 90 бесполых поколений их заставляли спариваться и производить потомство половым путем. Все популяции были помещены в одинаковые условия, к которым они приспосабливались в ходе эксперимента, продолжавшегося 100 дней (примерно 1000 поколений).

Жизненный цикл дрожжей изображен на рис. 7.1. Гаплоидные клетки делятся на два пола: a и α. Они могут размножаться почкованием, а могут слиться и превратиться в диплоидную клетку. Диплоидные дрожжи тоже могут размножаться почкованием, а могут в результате мейоза превратиться в четыре гаплоидные споры, две из которых будут принадлежать к полу a, а две – к α.

рис. 7.1. Жизненный цикл пекарских дрожжей (Saccharomyces cerevisiae).

В ходе эксперимента клетки бесполых популяций всегда находились в гаплоидной фазе и размножались исключительно почкованием. Чтобы они не спаривались, каждая популяция состояла из клеток только одного пола (шесть популяций a и шесть α).

Каждая половая популяция состояла из двух разнополых половинок, которые содержались раздельно в течение 90 поколений, а затем смешивались и помещались в условия, стимулирующие половой процесс. После этого отбирались диплоидные клетки, возникшие в результате спаривания, и помещались в условия, способствующие образованию спор. Затем отбраковывались диплоидные клетки, не захотевшие превращаться в споры, а гаплоидные клетки, полученные из спор, разделялись по половому признаку и снова содержались раздельно в течение следующих 90 поколений.

Чтобы провести все эти манипуляции, нужно иметь возможность быстро и эффективно отделять диплоидные клетки от гаплоидных, а также пол a от α. Для этого в геномы дрожжей были внесены изменения. В частности, были добавлены гены устойчивости к двум антибиотикам, причем так, чтобы клетки a оказались устойчивы только к первому антибиотику, клетки α – только ко второму, а диплоидные клетки – к обоим. Благодаря другим модификациям только гаплоидные клетки пола a умели синтезировать гистидин, лишь гаплоидные клетки пола α могли производить лейцин, а синтез урацила могли осуществлять гаплоидные клетки обоих полов, но не диплоидные. В результате исследователи получили возможность легко (в работе биологов-экспериментаторов все относительно, в том числе и что значит “легко”) отбирать нужные клетки и контролировать чистоту опыта, попеременно используя питательные среды, содержащие (или не содержащие) урацил, гистидин, лейцин и два антибиотика в разных комбинациях.

Условия содержания бесполых и половых популяций сделали настолько одинаковыми, насколько это было возможно. Численность всех популяций поддерживалась примерно на одном уровне (порядка 100 000 особей), они содержались в одинаковых емкостях, при одинаковой температуре и на одинаковой питательной среде.

По прошествии 1000 поколений была измерена приспособленность подопытных популяций. Для этого предковый штамм, помеченный флуоресцентной меткой, смешивали в равной пропорции с тестируемым штаммом и выращивали в течение 30 поколений в тех же условиях, в которых проходил основной эксперимент, а потом подсчитывали долю меченых клеток. Чем она меньше, тем выше приспособленность тестируемого штамма. Оказалось, что половые популяции адаптировались лучше бесполых: у первых приспособленность за 1000 поколений выросла на 10–15 %, у вторых – лишь на 5–10 %. Но это результат, можно сказать, тривиальный: способность полового размножения ускорять адаптацию уже не раз подтверждалась в экспериментах (о некоторых из них рассказано в нашей книге “Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий”). Хотелось бы знать, что конкретно происходит с геномами половых и бесполых особей и каков генетический базис повышенного темпа адаптации половых популяций.

Чтобы разобраться в этом, исследователи использовали полногеномное секвенирование. Через каждые 90 поколений делались выборки из четырех половых и четырех бесполых популяций. Поскольку ДНК в каждой пробе содержала геномы множества клеток и анализировали их на мощном секвенаторе HiSeq 2500, Illumina, то в итоге получилась внушительная коллекция искомых мутаций, тех самых, что возникли в популяциях в ходе эволюционного эксперимента. Для каждой мутации имелась информация об изменении ее частоты со временем (примерно как в Исследовании № 3). Идентификация редких мутаций чревата ошибками, поэтому для надежности анализировались только те мутации, частота которых в данной популяции достигала 10 % хотя бы в два момента времени. Мутации, не получившие заметного распространения, игнорировались.

Все такие мутации, “выскакивавшие” по ходу экспериментальной адаптации, были сопоставлены с мутациями, которые к концу эксперимента зафиксировались, то есть имелись уже у всех клеток в данной популяции (рис. 7.2).

Оказалось, что во всех популяциях, как бесполых, так и половых, появилось примерно поровну новых мутаций (в среднем 44 на популяцию). Кроме того, среди зарегистрированных мутаций везде было примерно одинаковое соотношение несинонимичных (значимых, меняющих аминокислоту в белке), синонимичных (не меняющих белок) и межгенных (расположенных в некодирующих областях генома). Это значит, что процесс мутагенеза в двух вариантах опыта не различался.

Однако количество и состав зафиксировавшихся мутаций оказался совершенно разным в бесполых и половых популяциях. В первом случае зафиксировалось большинство (78 %) зарегистрированных мутаций, в том числе 79 % несинонимичных, 74 % синонимичных и 78 % межгенных. Иными словами, зафиксировались примерно равные доли мутаций всех трех типов. В половых популяциях все было по-другому. Во-первых, зафиксировалось гораздо меньше мутаций (16 % от общего числа зарегистрированных), во-вторых, среди них оказались в основном значимые мутации (22 % от числа возникших), синонимичные не зафиксировались вовсе (0 %), а межгенных закрепилось лишь 11 % (рис. 7.2).

рис. 7.2. Соотношение всех появившихся мутаций и тех, которые к концу эксперимента зафиксировались, то есть встречались во всех клетках данной популяции. Суммированы данные по четырем бесполым и четырем половым популяциям. По рисунку из McDonald et al., 2016.

Этот результат отлично согласуется с идеей о том, что в половых популяциях фиксируются только полезные мутации (среди которых больше всего значимых, но есть и межгенные, находящиеся в регуляторных участках генома). Синонимичные мутации обычно нейтральны, и поэтому в половых популяциях они не фиксировались. В бесполых же популяциях вместе с немногочисленными полезными мутациями фиксировался весь их “генетический фон”, включая вредные и нейтральные мутации, оказавшиеся в одном геноме с полезной (разумеется, при условии, что эффект полезной мутации перевешивал суммарные эффекты всех вредных мутаций, распространяющихся вместе с ней за счет генетического автостопа).

Здесь необходимо пояснить, что в долгосрочной перспективе в природных популяциях фиксируется больше всего нейтральных мутаций, в том числе синонимичных. Но это происходит не за счет отбора, а за счет генетического дрейфа (случайных колебаний частот аллелей). Однако в рамках данного эксперимента дрейфом можно пренебречь: слишком мало для него прошло времени и никаких кризисных снижений численности (“бутылочных горлышек”) не было. Для того чтобы в популяции с постоянной численностью 100 000 особей за счет дрейфа зафиксировалась новая нейтральная мутация, требуется время порядка сотен тысяч поколений. Но эксперимент продолжался всего 1000 поколений, поэтому в подопытных популяциях за счет дрейфа ничего зафиксироваться не могло. Те мутации, которые в них зафиксировались, сделали это наверняка под действием отбора, а не дрейфа.

Таким образом, полученный результат показывает, что половое размножение помогает отбору отделять полезные мутации от всех прочих и закреплять только их, тогда как в бесполых популяциях вместе с немногочисленными полезными мутациями “автостопом” фиксируется много всякого мусора.

Этот вывод подтвердился при анализе данных по изменению частоты встречаемости мутаций. В половых популяциях частоты разных мутаций менялись независимо друг от друга, а в бесполых большие группы функционально не связанных друг с другом мутаций меняли свою частоту синхронно. Первое соответствует индивидуальному действию отбора на отдельные гены, второе – клональной эволюции целых геномов. Кроме того, в бесполых популяциях некоторые группы мутаций сначала быстро наращивали свою частоту, а потом та снижалась вплоть до полного исчезновения. Это результат клональной интерференции, то есть вытеснения клонов с удачными мутациями другими клонами, обладающими еще более удачными мутациями. В половой популяции полезные мутации, возникшие у разных особей, объединялись и вместе закреплялись, но в бесполой популяции они могли только конкурировать и вытеснять друг друга.

Чтобы еще детальнее разобраться в том, как секс влияет на молекулярную эволюцию, ученые попытались напрямую оценить влияние отдельных мутаций на приспособленность дрожжей. Для этого они искусственно внедряли выявленные мутации в геном предкового штамма. Как и следовало ожидать, в каждой группе мутаций, зафиксировавшихся в бесполых популяциях (а при бесполом размножении мутации фиксируются именно группами), обнаружилась как минимум одна полезная мутация. Однако многие другие оказались нейтральными или вредными. Некоторые из них снижают приспособленность на 1–3 %. Ясно, что они могли зафиксироваться только за счет генетического автостопа. Предположение, согласно которому в бесполых популяциях из-за автостопа могут закрепляться мутации со значительным вредным эффектом, высказывалось ранее, но экспериментально подтвердить его удалось впервые.

Среди мутаций, зафиксировавшихся в половых популяциях, вредных или нейтральных обнаружить не удалось – все они оказались полезными.

Это исследование относится к числу работ, подтверждающих и раскрывающих на более глубоком уровне старые, классические эволюционные идеи. В данном случае блестяще подтвердилась идея о том, что половое размножение ускоряет адаптацию, помогая отбору отделять полезные мутации от вредных. Половое размножение блокирует такие неблагоприятные для популяции процессы, как генетический автостоп, помогающий фиксироваться вредным мутациям, и клональная интерференция, обрекающая на гибель большинство вновь возникающих полезных мутаций (см. Исследование № 4).

Исследование № 8
Половой отбор – помощник полового размножения

Половое размножение, появившееся у живых организмов как средство ускоренной адаптации к меняющимся условиям и защиты от генетического вырождения, в дальнейшем получило подкрепление – половой отбор. Основа эволюционной эффективности полового размножения – в перекомбинировании удачных и неудачных генетических вариантов, невозможном при бесполом размножении. При бесполом размножении приходится ждать, пока в одной линии будет последовательно появляться одна полезная мутация за другой, тогда как в половой популяции полезные мутации могут появляться у разных особей, а затем совмещаться в одном организме. При бесполом размножении отбор может отбраковать вредную мутацию только вместе со всеми благоприятными аллелями, находящимися в данном геноме, а половое размножение позволяет отделять зерна от плевел. Половой отбор основан на конкуренции между особями за половых партнеров, а также на подборе наиболее “подходящих” партнеров, что бы под этим ни подразумевалось: приспособленность, привлекательность, генетическая совместимость или, к примеру, заботливость (подробно о половом отборе рассказано в нашей книге “Эволюция человека”). При соблюдении ряда правдоподобных условий половой отбор должен повышать вероятность объединения полезных генетических вариантов у потомков и ускорять отбраковку вредных мутаций. Так что половой отбор – великое подспорье полового размножения, по крайней мере теоретически. Несмотря на всю логичность идеи о том, что половой отбор должен улучшать “генетическое здоровье” популяции, экспериментально подтвердить ее оказалось непросто. Немногочисленные опыты, поставленные специально для ее проверки, дали противоречивые результаты. В одних случаях искусственное усиление полового отбора (например, путем увеличения доли самцов в популяции) приводило к росту приспособленности, в других – наоборот, к снижению. Как выяснилось, путаница возникала из-за странного явления, именуемого “конфликтом полов”. Впрочем, странным оно выглядит только с точки зрения устаревших представлений об эволюции “на благо вида”. Конфликт полов основан на несовпадении оптимальных репродуктивных стратегий самцов и самок и проявляется в развитии адаптаций, повышающих приспособленность самцов, но вредных для самок – или наоборот (см. Исследования № 11 и 12). Из-за конфликта полов результаты полового отбора порой оказываются куда менее полезными для популяции, чем можно было бы ожидать. Следовательно, для изучения благоприятных эффектов полового отбора нужно выбирать объекты, у которых конфликт полов не выражен вообще или выражен слабо. Как раз таким объектом является жук булавоусый хрущак. На его примере удалось с исключительной наглядностью показать, что подбор брачных партнеров в самом деле здорово улучшает “генетическое здоровье” популяции – иногда, по крайней мере.

Группа биологов из нескольких европейских стран в течение целых семи лет проводила эволюционный эксперимент на тихом и мирном жуке, у которого конфликт полов практически не выражен – малом булавоусом хрущаке, Tribolium castaneum (Lumley et al., 2015). У этого вида самки практикуют полиандрию (то есть спариваются, как правило, не с одним, а со многими самцами). При этом выбор отца для будущего потомства может происходить не только до, но и после спаривания. Самка хранит запас спермы, полученной от разных партнеров, и может в спокойной обстановке решать, какую использовать для оплодотворения своих яйцеклеток. Самцы тоже проявляют избирательность, предпочитая одних самок другим. Конкуренция между самцами за “привлекательных” (в первую очередь девственных) самок имеет место, но при этом “эгоистических” мужских адаптаций (выгодных самцам, но вредных для самок), равно как и других признаков конфликта полов, у малого булавоусого хрущака не обнаружено.

В эксперименте участвовало шесть популяций жуков. В трех из них были созданы благоприятные условия для полового отбора, в трех других половой отбор был затруднен или вовсе невозможен. Интенсивность полового отбора определялась соотношением самцов и самок. Все прочие условия, включая эффективную численность популяции, были одинаковыми.

В каждом поколении в размножении участвовали либо 10 самок и 90 самцов (сильный половой отбор), либо, наоборот, 90 самок и 10 самцов (слабый половой отбор). Самцов и самок оставляли вместе на неделю, в течение которой они спаривались и откладывали яйца. Предварительно ученые установили, что один самец за неделю оплодотворяет в среднем 50 самок, если имеет неограниченный доступ к ним и ему не мешают другие самцы. Поэтому мужской репродуктивный ресурс ни в одном из вариантов опыта не был в дефиците. Однако в первом случае (10 самок и 90 самцов) он был в очень большом избытке, что должно было способствовать интенсивному половому отбору (за счет женской избирательности или прямой борьбы между самцами – в эти подробности исследователи не вдавались, да они и не столь важны). Через неделю родителей удаляли и ждали еще 18 дней, пока вышедшие из яиц личинки вырастут и окуклятся. Куколок разделяли на мужские и женские, а затем, когда вышедшие из них взрослые жуки достигали половой зрелости (на это уходило еще 10 дней), выбирали из них случайным образом нужное количество самцов и самок (10 + 90 или 90 + 10) и сажали в общую камеру, где они спаривались. Таким образом, весь цикл, соответствующий одному поколению, занимал 35 дней.

По окончании основной фазы эксперимента, которая продолжалась семь лет, ученые потратили еще три года, чтобы оценить накопленный жуками генетический груз (то есть отягощенность генофонда вредными мутациями). Делалось это путем измерения инбредной депрессии. Так называют снижение приспособленности потомства при близкородственных скрещиваниях, например, братьев с сестрами. Существует две основные причины инбредной депрессии. Обе они связаны с тем, что инбридинг повышает уровень гомозиготности потомства. При этом чем больше поколений продолжается инбридинг, тем выше гомозиготность. Первая причина – переход в гомозиготное состояние рецессивных вредных аллелей (если генотипы АА и Аа имеют более высокую приспособленность, чем аа, то аллель а – это рецессивный вредный аллель). Вторая связана с так называемым сверхдоминированием, или адаптивным преимуществом гетерозигот над гомозиготами (когда генотип Аа имеет более высокую приспособленность, чем АА и аа). Генетики долго спорили о том, какая из причин важнее, и на сегодняшний день более или менее твердо установлено, что первая. Учитывая это, следует ожидать, что с каждым новым близкородственным скрещиванием приспособленность будет снижаться (потому что все большее число рецессивных вредных аллелей будет переходить в гомозиготное состояние). Темп снижения приспособленности в инбредных линиях покажет, много ли накопилось рецессивных вредных мутаций у подопытных жуков.

Технически это делалось так. В каждой подопытной популяции составлялись моногамные пары из случайно выбранных братьев и сестер. В общей сложности было протестировано 108 таких пар из популяций с половым отбором и столько же – из популяций без полового отбора. Из потомства каждой пары опять выбирали случайным образом брата и сестру, скрещивали их друг с другом, и так – в течение 20 поколений. Инбридинг вел к неуклонному снижению плодовитости, и в конце концов наступал момент, когда пара вообще не могла произвести потомства – она считалась “вымершей”.

Оказалось, что жуки, подвергавшиеся усиленному половому отбору, намного устойчивее к инбридингу, чем те, у которых половой отбор был сведен к минимуму. У первых и плодовитость снижалась медленнее, и окончательное вымирание происходило позже. Инбредные семьи, произведенные от популяций, подвергавшихся половому отбору, продержались в среднем 8,87 поколения, а 8 семей из 108 продолжали производить потомство даже после 20 поколений инбридинга, когда эксперимент был прекращен. Те семьи, чьи предки семь лет жили без полового отбора, вымирали в среднем через 6,33 поколения, а к десятому поколению вымерли все.

Полученные результаты – веский аргумент в пользу того, что половой отбор работает как помощник полового размножения, способствуя эффективной отбраковке вредных мутаций. В долгосрочной перспективе это должно повышать жизнеспособность популяции. Впрочем, в других ситуациях результаты полового отбора могут оказаться прямо противоположными (см. Исследование № 13).