Анализ полных геномов африканских рыб

Сравнительный анализ полных геномов пяти африканских рыб позволил частично расшифровать эволюционно-генетические механизмы быстрой адаптивной радиации цихлид в озерах Танганьика, Малави и Виктория, где всего за несколько миллионов лет из небольшого числа видов-первопоселенцев образовались сотни новых эндемичных видов. Быстрое видообразование цихлид оказалось сложным и многогранным процессом, в котором важную роль сыграли дупликация генов, появление новых регуляторных микроРНК, разнонаправленный отбор по многим генам одновременно, сортировка старых и закрепление новых генетических вариаций в кодирующих и регуляторных областях, а также, предположительно, быстрое накопление генетического разнообразия в начальный период адаптивной радиации, когда действие очищающего отбора временно ослабло.

Сверхбыстрое видообразование рыб-цихлид в африканских озерах по праву называют «великим эволюционным экспериментом природы». Особенно далеко этот эксперимент зашел в трех больших озерах — Танганьике, Малави и Виктории. В каждом из этих озер из небольшого числа случайных первопоселенцев образовались огромные комплексы эндемичных видов, занимающих разные экологические ниши и контрастно различающихся по форме тела, окраске, поведению, строению мозга и особенностям зрительного восприятия. При этом в разных озерах параллельно и независимо сформировались похожие жизненные формы, в том числе такие экзотические, как толстогубые энтомофаги (поедатели насекомых) и виды с асимметричными челюстями, специализирующиеся на обкусывании чешуи других рыб.

В озере Танганьика 250 видов цихлид образовалось за 12–15 млн лет, в Малави — 500 видов менее чем за 5 млн лет. Рекордная скорость адаптивной радиации зафиксирована в самом молодом озере, Виктории, где на формирование 500 эндемичных видов ушло, по разным оценкам, от 15 до 100 тысяч лет. Впрочем, не исключено, что в Танганьике и Малави адаптивная радиация тоже шла особенно быстро на ранних этапах, а потом замедлилась.

Многочисленные случаи параллельной эволюции в трех озерах — несомненно, результат освоения цихлидами всех доступных ниш под действием естественного отбора. Буйство красок, развитый половой диморфизм и сложное брачное поведение многих видов — недвусмысленные свидетельства эффективной работы полового отбора. Межвидовая гибридизация и эпизодическое вселение новых мигрантов из соседних водоемов тоже могли сыграть важную роль в эволюции озерных цихлид.

Разобраться в генетических механизмах сверхбыстрой адаптивной радиации цихлид — давняя мечта биологов. Важный шаг в этом направлении сделала команда ученых из США, Великобритании, Франции, Швейцарии, Швеции, Японии, Тайваня, Германии, Сингапура и Израиля, опубликовавшая в журнале Nature результаты анализа геномов пяти видов африканских цихлид: Oreochromis niloticus из рек Северной Африки (представитель эволюционной линии, предковой по отношению к трем озерным комплексам), Neolamprologus brichardi из Танганьики, Astatotilapia burtoni из рек в окрестностях озера Танганьика, Metriaclima zebra из Малави и Pundamilia nyererei из Виктории.

Анализ геномов подтвердил повышенный темп эволюции у африканских цихлид по сравнению с другими рыбами, а также ускоренную эволюцию озерных цихлид по сравнению с O. niloticus — представителем предковой линии, не проходившей этапа быстрой адаптивной радиации. Скорость эволюции в данном случае оценивали по соотношению значимых и незначимых (синонимичных) нуклеотидных замен в белок-кодирующих генах. Как и следовало ожидать, значимые замены зафиксировались у озерных видов во многих генах, связанных с морфогенезом (в том числе с развитием челюстей), окраской и зрением.

Выяснилось также, что адаптивная радиация в озерах сопровождалась ускоренной дупликацией (удвоением) генов. Или, точнее, повышением вероятности того, что обе копии случайно удвоившегося гена сохранятся в ходе дальнейшей эволюции. Известно, что дупликация генов с последующим разделением функций между копиями — один из магистральных путей появления эволюционных новшеств. Однако в большинстве случаев появляющиеся в результате дупликаций «лишние» копии генов действительно оказываются лишними и быстро деградируют под грузом мутаций или вовсе теряются. Чтобы этого не случилось, в одной или обеих копиях должны произойти мутации, которые сделают обе копии незаменимыми, причем это должно произойти раньше, чем одна из копий выйдет из строя. Повышенное число дуплицированных генов у цихлид больших озер, скорее всего, говорит о том, что в ходе адаптивной радиации для «лишних» копий удвоившихся генов чаще, чем обычно, находилась новая важная работа.

Чтобы проверить это предположение, авторы сравнили для 888 пар дуплицированных генов экспрессионные профили (то есть списки органов и тканей, в которых работает каждая из двух копий). Оказалось, что в 20% случаев одна из копий удвоившегося гена радикально изменила свой паттерн экспрессии, то есть стала работать совсем в других тканях, чем исходный ген. Это согласуется с предположением о «неофункционализации» — приобретении дубликатами генов новых функций.

Некоторые факты — в частности, характер распределения мобильных генетических элементов и многочисленные изменения, затронувшие регуляторные участки генома, — по мнению авторов, указывают на то, что на ранних этапах адаптивной радиации озерных цихлид был период, когда действие очищающего отбора резко ослабло. Это позволило закрепиться множеству мутаций, которые в иных условиях заметно снижали бы приспособленность и отбраковывались отбором. Может быть, временное ослабление отбора было связано с заселением новообразовавшихся озер, где поначалу было множество свободных ниш и не было конкуренции? Впрочем, отличить мутации, закрепившиеся под действием положительного отбора в ходе адаптации к новым нишам, от тех, что произошли «по недосмотру» временно ослабевшего очищающего отбора, на практике не так-то просто. Поэтому вывод авторов о периоде ослабленного отбора нельзя считать окончательным.

У исследованных озерных цихлид выявлено 625 сильно изменившихся регуляторных участков, которые у других костистых рыб в ходе эволюции менялись мало (CNEs, conserved non-coding elements). Для 370 из этих 625 участков быстрые изменения выявлены только в одной из эволюционных линий озерных цихлид, а мутации в остальных участках накапливались параллельно в нескольких линиях. Многие из быстро эволюционировавших регуляторных участков находятся по соседству с генами, регулирующими межклеточные взаимодействия и передачу сигналов. Такие гены могут влиять на ход индивидуального развития и, следовательно, на морфологию рыб. Для шести участков авторам удалось экспериментально показать, что произошедшие в них изменения действительно влияют на экспрессию (активность) соседних генов.

Важную роль в регуляции активности генов в ходе индивидуального развития животных играют микроРНК. Как выяснилось, в ходе адаптивной радиации цихлид набор регуляторных микроРНК подвергся существенным изменениям. В частности, появилось 40 новых микроРНК. Для нескольких из них удалось получить экспериментальные подтверждения их вовлеченности в регуляцию работы ключевых генов — регуляторов развития, таких как neurod2 (контролирует развитие мозга и дифференциацию нейронов) и bmpr1b (участвует в развитии чуть ли не всех систем органов).

Авторы также проанализировали фрагментарные генетические данные по шести близкородственным видам цихлид — эндемиков озера Виктория (как мы помним, в этом озере адаптивная радиация началась позже всего, от 15 до 100 тысяч лет назад). Наличие полного проаннотированного генома одного из этих видов, Pundamilia nyererei, позволило привязать все анализируемые кусочки ДНК к конкретным участкам генома. Анализ показал, что за столь недолгое по геологическим меркам время эти виды успели накопить значительные генетические различия. Правда, в основном эти различия не качественные, а количественные: они затрагивают частоты аллелей. Фиксированные различия (позиции, в которых у всех представителей вида А стоит один нуклеотид, а у всех представителей вида Б — другой) тоже есть, но их немного. Эти данные показывают, что в ходе освоения различных ниш разнонаправленный отбор действует одновременно на множество участков генома. Второй вывод из этого анализа состоит в том, что генетической основой для видообразования в данном случае послужило в первую очередь то генетическое разнообразие, которое уже имелось у предковой популяции до начала дивергенции, и лишь во вторую — вновь возникающие мутации.

Среди шести родственных видов из озера Виктория одни отличаются друг от друга лишь брачной окраской, другие — морфологическими адаптациями, связанными с пищевой специализацией. Авторы обнаружили интересную закономерность в распределении генетических различий в этих двух случаях. Оказалось, что в парах видов, различающихся только по окраске, значительная часть генетических различий (локусов с высокими значениями FST) приурочена к кодирующим участкам генов (экзонам), тогда как у видов со сходной окраской, но различающихся по морфологии и пищевым адаптациям, различия приурочены в основном к интронам и другим некодирующим участкам. Это согласуется с выводами современной эволюционной биологии развития, согласно которым изменения таких «поверхностных» признаков, как окраска, с большей вероятностью могут быть связаны с изменениями белков, а более «фундаментальные» морфологические признаки, такие как форма плавников или челюстей, скорее всего будут основаны на изменении некодирующих (регуляторных) участков многофункциональных генов — ключевых регуляторов развития.

Таким образом, исследование показало, что быстрая адаптивная радиация — процесс сложный и многогранный. Важную роль в нем играют нейтральные эволюционные процессы (накопление генетического полиморфизма, в том числе в периоды временного ослабления отбора), разнонаправленный отбор сразу по множеству локусов, дупликация генов, появление новых регуляторных микроРНК, адаптивные изменения кодирующих и регуляторных участков генома.

Вероятно, не за горами тот день, когда будут отсеквенированы геномы многих или даже всех видов цихлид африканских озер — и тогда можно будет во всех деталях разобрать генетические результаты «Великого эволюционного эксперимента природы».