http://phct-biotechnology.ru
Оглавление

Чем пахнут родственники: генетическая лаборатория в носу

  • 440
  • 1,1
  • 0
  • 0
Добавить в избранное

Портрет Карла II, последнего из испанских Габсбургов.

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Чем больше популяция животных, тем важнее не потеряться в ней и вовремя опознать «своего». В мире позвоночных принято различать своих родственников и чужаков по запаху и на основе этого выстраивать стратегию взаимодействия с ними. Попробуем разобраться в том, чем запах связан со степенью родства, как ее определить и почему североамериканским енотам удалось то, что не получилось у династии Габсбургов.

Конкурс «био/мол/текст»-2017

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2017.


«Диа-М»

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.


«Инвитро»

Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».


«Альпина нон-фикшн»

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Животным в больших популяциях важно уметь отличать родственников от других особей. В первую очередь, чтобы не допустить близкородственных скрещиваний: чем ближе родственники, тем меньше между ними генетических различий и тем выше вероятность, что они оба унаследовали от общего предка какую-нибудь поврежденную копию гена.

При скрещивании таких особей может появиться гомозиготное (несущее две одинаковые копии) по такому гену потомство, у которого обе копии будут повреждены, что приведет к тяжелым заболеваниям. Этого можно избежать, скрещиваясь с генетически далекими особями. Такая эволюционная стратегия называется гетерогамией, и ее придерживается большинство позвоночных животных [1]. Если ей не следовать, в популяции накапливаются неадаптивные признаки, приводящие к ослаблению и гибели потомства.

Это часто становилось проблемой в королевских династиях, где предпочитали искать супругов в кругу семьи. Так, например, в семействе Габсбургов в результате последовательных династических браков проявился ряд аномалий, среди которых — знаменитая «габсбургская губа», импотенция и умственная отсталость [2]. Похожие проблемы испытывали и другие монархии (среди них — русская и британская), у представителей которых развивалась гемофилия. И несмотря на то, что сейчас появляются стратегии борьбы с подобными наследственными заболеваниями [3], в некоторых замкнутых сообществах эти проблемы по-прежнему могут оставаться актуальными.

Братья по белку

Современная наука умеет устанавливать родство между организмами, изучая последовательности генов, которые кодируют одни и те же белки [4]. В некотором смысле можно воспринимать эти последовательности как тексты, написанные на языке нуклеотидов или аминокислот, и сопоставлять их, подсчитывая количество различий (рис. 1). Чем их больше и чем сильнее они разбросаны по «тексту», тем дальше родство.

Домен LIM

Рисунок 1. Сравнение аминокислотной последовательности домена LIM у белков разных животных.
Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него.

Чтобы не промахнуться, биологи для таких целей обычно используют большую группу белков одновременно, или весь геном целиком, или хотя бы несколько ключевых молекул РНК [5]. Но что делать животным, не обладающим навыками секвенирования?

Молекулярный паспорт

На помощь приходит механизм, основной функцией которого является борьба с бактериями и вирусами, — система гистосовместимости. Большинство клеток в организме позвоночного животного несут на себе молекулы МНС (major histocompatibility complex, главный комплекс гистосовместимости, у человека называемый HLA), которые играют роль описи внутриклеточного имущества. На этих молекулах, как на прищепках, держатся небольшие кусочки клеточных белков. С помощью МНС клетки показывают свои белки Т-лимфоцитам (клеткам иммунной системы), таким образом отчитываясь о своем внутреннем содержимом (рис. 2). Т-лимфоциты же работают как суровые полицейские. Они «знают», что должно быть внутри здоровой клетки, и, если обнаруживают на клетке МНС с «незнакомым» им участком белка, то уничтожают ее. Этот механизм позволяет защититься от клеток, зараженных вирусами, — такие клетки будут выставлять на поверхность вирусные, не свойственные организму белки [6–8].

Работа комплексов гистосовместимости

Рисунок 2. Работа комплексов гистосовместимости I и II типа.

Так работают молекулы МНС I типа. Кроме того, на некоторых клетках организма (назовем их клетками-шпионами) присутствуют молекулы МНС II типа. Такие клетки захватывают белки извне, расщепляют их на небольшие кусочки и тоже выставляют на поверхность. Это позволяет им сигнализировать Т-лимфоцитам о белках, плавающих вокруг в крови и тканевой жидкости. Чужеродные белки, находящиеся на МНС II типа, свидетельствуют о заражении организма бактериями или другими внеклеточными паразитами.

Таким образом, практически на всех клетках организма выставлены молекулы МНС, связанные с белками (вне- или внутриклеточными), и эти молекулы уникальны для каждого организма. Именно они становятся своеобразным белковым паспортом для определения родства особей.

Генетически чувствительный нос

Молекулы МНС похожи на кусочек объемного паззла: на стороне, которой они обращены от клетки, есть бороздка для связывания фрагментов белка. Именно форма этой бороздки уникальна для каждого организма, а, следовательно, к ней будут прикреплены характерные белковые последовательности. Получается, что каждая особь будет из своих белков вырезать определенные участки (подходящие к бороздке). Те же самые участки тех же самых белков не смогут связаться с молекулами МНС другого организма.

В общем виде процесс распознавания родства выглядит следующим образом. На своих клетках животное А несет молекулы МНС с фрагментами белков. Небольшое количество комплексов «МНС—белок» по тем или иным причинам отделяется с поверхности клеток и поступает в кровь. При этом сами молекулы МНС повреждаются и перестают крепко удерживать белковые фрагменты, которые высвобождаются, а затем из крови поступают в мочу, слюну и пот. Вместе с этими жидкостями они выделяются на поверхность тела, где их может почуять животное Б (рис. 3).

Обонятельный рецептор

Рисунок 3. Обонятельный рецептор распознает белки, связанные с МНС.

В носу животного Б есть обонятельный эпителий, клетки которого несут рецепторы, способные распознавать самые разные участки белков. Откуда эти рецепторы возникли, почему они такие разнообразные и как непосредственно устроено распознавание, ученые выясняют до сих пор [9]. Но доподлинно известно, что рецепторы различают фрагменты белков, которые были связаны с собственными и с чужими молекулами МНС [10]. К своим белкам они, вероятно, адаптировались за время жизни и не реагируют на них. Но чем более чужеродный фрагмент им попадается, тем сильнее будет ответ.

Как вести себя с родственниками

На основании унюханного генетического сходства животное может построить разные стратегии поведения. Первая — выбор партнера для спаривания. Как правило, этот выбор остается за самками (принцип Бэйтмана) [11], так как они производят меньше половых клеток, чем самцы, а следовательно, являются ограниченным ресурсом. Чаще всего самки отбирают наиболее генетически далеких партнеров. В результате не только снижается вероятность близкородственного скрещивания, но и увеличивается разнообразие комбинаций МНС в популяции. А это, в свою очередь, приводит к повышению устойчивости к паразитам, так как растет шанс, что МНС сможет связать чужеродные белки. В частности, у перелетных птиц разнообразие МНС оказалось больше, чем у оседлых, — на новых местах регулярно встречаются незнакомые паразиты [12].

Совсем недавно ученые выявили вторую стратегию поведения — выбор партнеров для образования коалиции [13]. Этой линии придерживаются в основном самцы. И здесь предпочтения оказываются обратными. Так, например, самцы североамериканского енота-полоскуна (рис. 4) выбирают генетически близких особей (избегая, впрочем, прямых родственников) для совместной охоты, охраны территории и спаривания с самками. Вероятнее всего, это связано с тем, что для передачи своих генов потомству выгодно действовать группой. И удобно, если вся эта группа несет похожие гены. Поэтому еноты ищут «своих» для создания коалиции. А дальше среди этой группы самки выбирают наиболее отличных от себя партнеров для спаривания. Эти две противоположные стратегии позволяют енотам поддерживать генетическое разнообразие популяции, выживать при регулярных эпидемиях бешенства и распространяться на другие континенты.

Североамериканские еноты-полоскуны

Рисунок 4. Североамериканские еноты-полоскуны Procyon lotor.

Вопреки расхожим заблуждениям, люди тоже обладают достаточно чутким обонянием. По крайней мере, его хватает для обнаружения партнеров со сходным МНС. Показано, что в условиях эксперимента (например, когда предлагали оценить запах ношеной футболки) женщинам кажется более привлекательным запах далеких по структуре МНС партнеров [14]. Однако в реальной жизни этот критерий, конечно же, не является единственным — на него накладываются другие, в том числе культурные, экономические и социальные (помним о Габсбургах) факторы, которые время от времени мешают отдельным группам людей повторить успех североамериканских енотов.

Первоначальная версия этой статьи опубликована на «Чердаке» [15].

Литература

  1. Yuexin Jiang, Daniel I. Bolnick, Mark Kirkpatrick. (2013). Assortative Mating in Animals. The American Naturalist. 181, E125-E138;
  2. Gonzalo Alvarez, Francisco C. Ceballos, Celsa Quinteiro. (2009). The Role of Inbreeding in the Extinction of a European Royal Dynasty. PLoS ONE. 4, e5174;
  3. Сводка с генотерапевтических фронтов. Новая стратегия нейтрализации гемофилии;
  4. Как прочитать эволюцию по генам?;
  5. 12 методов в картинках: секвенирование нуклеиновых кислот;
  6. Ярилин А.А. Иммунология. М.: «ГЭОТАР-Медиа», 2010. — 752 с.;
  7. Иммунитет: борьба с чужими и… своими;
  8. Антиген — невидимка;
  9. Lavi Secundo, Kobi Snitz, Kineret Weissler, Liron Pinchover, Yehuda Shoenfeld, et. al.. (2015). Individual olfactory perception reveals meaningful nonolfactory genetic information. Proc Natl Acad Sci USA. 112, 8750-8755;
  10. Thomas Boehm, Frank Zufall. (2006). MHC peptides and the sensory evaluation of genotype. Trends in Neurosciences. 29, 100-107;
  11. Stevan J. Arnold. (1994). Bateman's Principles and the Measurement of Sexual Selection in Plants and Animals. The American Naturalist. 144, S126-S149;
  12. Piotr Minias, Linda A. Whittingham, Peter O. Dunn. (2017). Coloniality and migration are related to selection on MHC genes in birds. Evolution. 71, 432-441;
  13. Pablo S. C. Santos, Frank-Uwe Michler, Simone Sommer. (2017). Can MHC-assortative partner choice promote offspring diversity? A new combination of MHC-dependent behaviours among sexes in a highly successful invasive mammal. Mol Ecol. 26, 2392-2404;
  14. P SANDROCARVALHOSANTOS, J AUGUSTOSCHINEMANN, J GABARDO, M DAGRACABICALHO. (2005). New evidence that the MHC influences odor perception in humans: a study with 58 Southern Brazilian students. Hormones and Behavior. 47, 384-388;
  15. Лосева П. (2017). Мы с тобой одной крови. «Чердак».

Комментарии

Вас также может заинтересовать