Генетический трюк помогает уникальному виду рыб избежать эволюционной гибели

Амазонская моллинезия, размножающаяся бесполым путем, просуществовала и процветала по меньшей мере в 10 раз дольше, чем предсказывала эволюционная теория.

По меньшей мере 100 000 лет назад самка атлантической молли ( Poecilia mexicana ), обитавшая в пресных водах недалеко от современного Тампико, Мексика, спарилась с самцом парусниковой молли (Poecilia latipinna). Потомство от этой межвидовой пары должно было быть бесплодным, как мул. Но этот конкретный гибрид породил целую плеяду дочерей, все из которых были генетическими клонами своей матери.

Ученые долгое время считали эту репродуктивную стратегию, заключающуюся в рождении клонов, эволюционным тупиком среди позвоночных животных, поскольку потомство неизбежно со временем подвергается геномной деградации. Но амазонская молли (Poecilia formosa), названная в честь свирепых женщин-воительниц из греческой мифологии, продолжает бросать вызов обстоятельствам. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature, все дело в генетической особенности , которая помогает обратить вспять вредные мутации .

«Это очень интересная история», — говорит Инго Шлупп, биолог из Университета Оклахомы, который предоставил авторам исследования образцы, но в остальном не принимал участия в новой работе. Исследователи, изучающие бесполых животных, объясняет он, «ломают голову», пытаясь понять, как некоторым видам удается избежать того, что, согласно эволюционной теории, предвещает верную гибель.

Хотя бесполое размножение распространено у бактерий и растений, у позвоночных животных оно встречается крайне редко. Часто такие «девственные рождения» включают процесс, называемый партеногенезом, при котором эмбрион развивается из неоплодотворенной яйцеклетки — без участия противоположного пола. Однако амазонская молли далека от целибата. Эти рыбы все же спариваются с самцами близкородственных видов, поскольку им необходима сперма для запуска развития эмбрионов. Но генетический материал самца не передается следующему поколению.

Считается, что животные, размножающиеся бесполым путем, находятся в невыгодном эволюционном положении, поскольку генетическая рекомбинация, происходящая во время полового размножения, создает разнообразие внутри популяции — исходный материал для естественного отбора. «Это как перетасовка колоды карт», — говорит Эдвард Райсмейер, специалист по вычислительной биологии из Мюнхенского университета имени Людвига Максимилиана и ведущий автор нового исследования. «Затем естественный отбор может действовать, чтобы избавиться от плохих комбинаций и сохранить хорошие».

Однако теоретически организмы, способные к клонированию, не имеют возможности избавиться от вредных мутаций, которые накапливаются со временем, пока геном не перестанет функционировать. Эта теория, известная как «храповой механизм Мюллера», предсказывает, что такое животное, как амазонская моллинезия, вымрет примерно через 10 000 лет.

Но когда в 2018 году учёные секвенировали геном этой рыбы, они предположили, что этот вид впервые появился не менее 100 000 лет назад. Они также обнаружили удивительно мало признаков деградации генома. В другом исследовании учёные продемонстрировали, что, несмотря на отсутствие рекомбинации, амазонская моллинезия способна к эволюции, что приводит к различиям в форме тела между популяциями.

В новом исследовании Райсмейер и его коллеги более подробно изучили геном амазонской молли, используя сложный метод, известный как секвенирование длинных прочтений, который позволяет исследователям изучать длинные, сложные участки ДНК, не разбивая их на мелкие фрагменты. Команда также сравнила геном с геномами двух родительских видов амазонской молли. «Возможно, даже 5 лет назад, а уж точно 10 лет назад, подобное исследование было бы невозможно», — говорит Шлупп. «То, насколько детально мы теперь располагаем этими геномами, просто невероятно».

Исследование показало, что, хотя амазонская молли действительно накапливала мутации гораздо быстрее, чем любой из её родительских видов, эти мутации не привели к генетической деградации. Вместо этого рыбе удалось избавиться от некоторых вредных мутаций благодаря процессу восстановления ДНК, известному как генная конверсия, при котором одна версия гена перезаписывает другую.

Эта стратегия далеко не так эффективна, как половая рекомбинация, говорит Аннет Маклеод, паразитолог из Университета Глазго, которая не принимала участия в новом исследовании. Но перезапись сильно мутировавшей ДНК дала амазонской моллинезии больше времени. Без этих исправлений, объясняет она, вредные мутации просто накапливались бы, что привело бы вид к «смерти от тысячи порезов».

Помимо исправления вредных мутаций, объясняет Райсмейер, этот механизм восстановления ДНК может также помогать рыбам сохранять безвредные и полезные мутации и позволять различным линиям в конечном итоге иметь немного отличающиеся геномы, несмотря на то, что они являются клонами. «Это создает разнообразие, на которое может воздействовать естественный отбор», — говорит он.

«Мы всегда считали, что бесполое существование — это эволюционный тупик, — добавляет Маклеод. — Но это не обязательно так».