Незважаючи на те що Чарльз Дарвін назвав свою знамениту книгу «Походження видів», сам механізм видоутворення він вважав «таємницею таємниць». До цього дня, півтора століття тому, питання, чому дві групи тварин стають генетично несумісними, залишається однією з найбільших загадок біології.

Можна зрозуміти, коли дві популяції одного виду починають жити окремо, адаптуючись до різних умов, поки не позбавляються теоретичної можливості злучатися один з одним. Але видоутворення без фізичної ізоляції пояснити набагато важче. Ще дивніше те, що за видоутворення може відповідати лише один ген.

Він знаходиться в серці процесу генетичної рекомбінації. Під час виробництва яйцеклітин і сперматозоїдів хромосоми схрещуються і обмінюються генами, які ви успадкували від мами і тата. Ця перетасовування і є джерело генетичної унікальності кожної особини. До цих пір ніхто не підозрював, що рекомбінація може грати роль у створенні нових видів.

Прорив стався, коли з'ясувалося, що цей ген з прозовим ім'ям Prdm9 теж бере участь у формуванні репродуктивної несумісності між різними членами одного і того ж виду.

Історія Prdm9 починається в 1974 році. Молодий генетик Іржі Форейт, співробітник Чехословацької академії наук, займався схрещенням двох підвидів миші – і раптом виявив, що чоловіче потомство при певній комбінації батьків не може розмножуватися. Подальше скрещіваніе показало, що часткову відповідальність за репродуктивну ізоляцію несе непізнаний ген. Це був перший ген видоутворення, виявлений у хребетних. І він до цих пір залишається єдиним.

Загнати винуватця в кут панові Форейту і його колегам вдалося тільки на початку нового тисячоліття при дослідженні мишачою хромосоми-17, що містить всього шість генів.

Тим часом в Оксфордському університеті еволюційний біолог Кріс Понтінг зайнявся пошуком генів, які роблять нас унікальними. На його здивування, таким виявився все той же Prdm9 – самий що швидко ген у людській історії. Люди і шимпанзе відрізняються більш ніж на 7% ДНК-символів у Prdm9, що в п'ять разів більше середньої різниці між генами наших видів.

Але чому саме він, а не ген, який кодує однозначно людські риси кшталт мови або великого мозку? Незабаром Понтінг з'ясував, що Prdm9 розвивається з надзвичайною швидкістю у всіх представників тваринного царства – від гризунів і анемонов до равликів і хробаків. Він не унікальний для людини.

Тим самим Понтінг зайшов у глухий кут: ген, що володів явною еволюційної роллю, одночасно пов'язаний з вродженим безпліддям. Маячня! Але, можливо, стерильність – це лише побічний продукт основнї функції гена? Тоді що це за функція? І знову відповідь прийшла звідти, звідки не чекали.

Генетичну рекомбінацію вперше описали близько століття тому, проте з 1931 року, коли лауреат Нобелівської премії Барбара МакКлінток продемонструвала механізм кросинговеру, цей напрямок далеко не просунулася. Лише робота над секвенуванням повних геномів відродила інтерес до рекомбінації. Зокрема, вчених цікавило, де саме відбувається схрещування хромосом. Передбачалося, що це відбувається випадково на всьому протязі геному, але незабаром вдалося виявити «гарячі точки» рекомбінації, в яких кросинговер фіксується в 80% випадків. У людському геномі таких точок щонайменше 25 тис., але при створенні яйцеклітини і сперматозоїда активна тільки невелика частина з них. Цей феномен має сенс, якщо «гарячі точки» відводять кросинговер від найважливіших частин геному, адже рекомбінація – це завжди свого роду порушення нормальної структури ДНК.

У 2008 році Джил Маквеан і Саймон Майерс з Оксфордського університету виявили, що близько 40% «гарячих точок» мають одну і ту ж 13-символьну послідовність ДНК (мотив). Раз є замок, то повинен бути і ключ, що активує тут процес рекомбінації. У минулому році цей ключ був знайдений трьома дослідницькими групами незалежно один від одного: як і передбачалося, ним виявилася білкова структура «цинковий палець». А який білок нею володіє? Ви вгадали: наш старий знайомий Prdm9.

Відкриття, яке зробили Джил Маквеан, а також Бернар де Масси з Інституту генетики людини в Монпельє (Франція) і Кеннет Пейджем з Лабораторії Джексона в Бар-Харборі (США), дозволяє пояснити, чому цей ген еволюціонує так швидко. Кожного разу, коли відбувається кросинговер, частина послідовності ДНК на кордоні розриву втрачається, стираючи мотив «гарячої точки», з якою пов'язаний білок Prdm9. Клітини ремонтують цю дірку шляхом копіювання послідовності з неушкодженою галузі іншої хромосомної пари. Але іноді особина має цей мотив тільки на одній хромосомі, і тоді ремонт стирає «гарячу точку». Отже, вони повинні зникнути одна за одною через кілька поколінь. Очевидно, що цього не відбувається, за що варто дякувати Prdm9: будь-яка мутація, яка змінює «цинкові пальці» білка Prdm9, просто змінює послідовність ДНК, з якою він зв'язується, поступово створюючи новий мотив «гарячої точки».

Більш того, ген Prdm9 створений для змін. Кодований їм білок має кілька «цинкових пальців» (12 або 13 у більшості людей), що кодують послідовності яких вибудовуються одна за одною (така структура називається міні-сателітом). З причин, які ще не цілком зрозумілі, міні-сателіти надзвичайно схильні до мутацій, тому Prdm9чудово оснащений для боротьби з ерозією «гарячих точок».

Добре, роль Prdm9 в рекомбінації може пояснити його швидку еволюцію. Але як бути з видоутворенням? Може бути, здатність визначати точки, в яких хромосоми обмінюються матеріалом, якимось чином дає Prdm9 влада робити певні комбінації яйцеклітини і сперматозоїда несумісними? Або ж ці дві здібності об'єдналися в одному гені по чистій випадковості? Дослідники схиляються на користь першої версії.

До цих пір ніхто навіть не шукав зв'язку між Prdm9 і стерильністю у тварин, крім мишей. Ми знаємо, однак, що різні групи людей мають різні варіанти Prdm9. У більшості європейців, наприклад, білок Prdm9 має 13 «цинкових пальців», але в деяких їх вісім, а в інших – вісімнадцять. У мишей цього достатньо для отримання стерильного потомства. Зміни в цьому гені цілком можуть вбити клин між різними частинами людської популяції …

За матеріалами: NewScientist

Tweet

РОЗРОБКА ВЕБ-САЙТІВ, ПРОСУВАННЯ В ІНТЕРНЕТІ