Партеногенез браминского слепуна

Браминский слепун (Indotyphlops braminus) — уникальный вид змей, встречающийся в Африке и Азии. Во-первых, это одна из самых маленьких змей — длина взрослой особи не более 15 см. Во-вторых, это единственный вид змей с партеногенетическим размножением и триплоидным наборам хромосом. В настоящий момент неясно, являются ли партеногенетические виды тупиковыми ветвями эволюции, обреченными на вымирание из-за накопления вредных мутаций (поскольку у них нет обмена генетической информацией между хромосомами двух родителей). Кроме того, многие партеногенетические рептилии являются гибридными полиплоидами, которым на этапе возникновения надо было преодолеть несовместимость между двумя геномами и гетерогенность в экспрессии генов. Как это происходит и одинаков ли механизм у всех партеногенетических полиплоидных видов, тоже неизвестно.

Ученые из Техасского университета в Арлингтоне исследовали геном браминского слепуна из китайской провинции Фуцзянь и сравнили его с геномами двух диплоидных видов, размножающихся «классическим» половым путем, — близкородственной слепозмейки Диара (Argyrophis diardii) и отдаленно родственной китайской крысиной змеи (Ptyas dhumnades). Для сборки геномов использовали высокоточные (HiFi) чтения секвенирования Pacific Bioscience (эта платформа дает длинные прочтения, что облегчает сборку генома). Также исследовали экспрессию генов в разных тканях браминского слепуна (сердце, почки, печень, легкие, мышцы, кожа) и в яичниках у браминского слепуна и слепозмейки Диара во время репродуктивных сезонов.

При сборке авторы исследования получили 40 хромосом, сгруппированных в три субгенома (A, B и C). Но это был не обычный триплоидный геном: субгеномы A и В содержали по 14 хромосом, а субгеном C — 12 хромосом. Однако кариотип слепуна включал 42 хромосомы, а для двух хромосом субгенома В глубина покрытия была выше примерно в два раза, чем у других; оказалось, что они представлены двумя копиями. Таким образом, субгеном В содержал на самом деле 16 пар хромосом, включая две пары одинаковых. Авторы сделали вывод, что браминский слепун — гибридный триплоид.

Также авторы собрали геномы слепозмейки Диара (16 хромосом) и китайской крысиной змеи (17 хромосом). Сравнительный анализ хромосомных последовательностей у трех видов показал, что у общего предка субгеномов браминского слепуна произошло слияние хромосом: так, его хромосоме 4 коллинеарны две хромосомы слепозмейки Диара, а в случае китайской крысиной змеи — одна хромосома полностью и участок другой. Также авторы установили, что три предковых субгенома браминского слепуна быстро дивергировали около 41 млн лет назад.

Анализ частоты синонимичных и несинонимичных замен продемонстрировал медленный темп эволюции генома слепуна и постепенное накопление пагубных мутаций. Авторы отмечают, что виды, не имеющие полового размножения, могут снизить скорость накопления любых мутаций, как синонимических, так и не синонимических, и к ним неприменимы закономерности, наблюдаемые у видов с половым размножением.

Хотя видообразование, приведшее к появлению предковых субгеномов, было быстрым, некоторые функционально важные гены, такие как семейство генов гомеобокса, остались консервативными, несмотря на дивергенцию. Возможно, это уменьшило несовместимость геномов и способствовало возникновению полиплоидов.

В каждом из трех субгеномов браминского слепуна было повышено количество псевдогенов, связанных с иммунной системой. Можно предположить, что превращение активных генов в песевдогены препятствовало аутоиммунным реакциям между субгеномами, и этот механизм также повышал выживаемость гибридов. Также было много дефектных генов, связанных с половым отбором, — очевидно, что они теряли свое значение после перехода к партеногенезу.

У рептилий существуют два нетипичных мейотических механизма, которые позволяют обойти редукционное деление и делают возможным партеногенетическое размножение. Первый механизм — это премейотическая эндорепликация, то есть репликация хромосом, происходящая до мейоза, а второй — слияние ооцитов и полярных тел, при котором сестринские хроматиды заменяют гомологичные пары хромосом во время первого мейотического деления (однако он был оспорен как ошибка наблюдения и в любом случае не подходит для триплоидного вида). Механизм премейотической эндорепликации, в свою очередь, подтвержден у диплоидных, триплоидных и тетраплоидных партеногенетических видов.

В тканях яичников браминского слепуна активно экспрессируются гены, функция которых важна для первого мейотического деления, — гены, участвующие в репарации ДНК, репарации двунитиевых разрывов и рекомбинационной репарации. Это подтверждает, что для него характерен премейотический механизм эндорепликации.

Авторы предлагают следующую гипотезу. Большинство партеногенетических рептилий происходят от гибридов, поэтому уровень гетерозиготности в их гомологичных хромосомах чрезвычайно высок, что приводят к повреждениям ДНК во время мейоза. Повышается активность систем репарации ДНК, могут произойти изменения в клеточном цикле, дупликации ДНК и премейотической эндорепликации. Появляются пары полностью идентичных хромосом, которые при мейозе взаимодействуют преимущественно друг с другом. В результате возникают гаметы, имеющие тот же генетический состав, что и соматические клетки, и в геноме сохраняется гетерозиготность. Это позволяет животному производить потомство, которое является точным клоном его самого.

Однако действием только этого механизма нельзя объяснить различное количество хромосом в субгеномах и обмен участками между хромосомами. Чтобы выявить другие механизмы, авторы собрали экземпляры браминского слепуна в трех регионах Китая (провинции Фунцзянь и Юньнань и Гонконг), а также использовали данные секвенирования образца из Индии. Результат был поразительным: у змей из разных регионов отличался даже хромосомный состав, например, в юньнаньской популяции субгеном А включал 14 хромосом, субгеном В —15, субгеном С — 13, а в гонконгской — 14, 17 и 11 соответственно.

Исследование повторяющихся последовательностей и транспозонов в геномах I. braminus подтвердило, что гомологичные хромосомы из разных субгеномов могут рекомбинировать. В результате может происходить и рекомбинация неидентичных хромосом, и утрата гетерозиготности, как незначительная, связанная с рекомбинацией, так и резкая, из-за попадания идентичных хромосом в одну гамету. (Подробнее см. рис. 5 в статье). Могут возникать отличия в числе хромосом.

Высокая гетерогенность хромосом, поддерживаемая премейотической эндорепликацией, может повысить адаптивность организма к разнообразным условиям, но также она повышает риск несовместимости между аллополиплоидными субгеномами и геномной нестабильности. Напротив, гомологичное спаривание хромосом снижает гетерогенность и уменьшает риск геномную несовместимости. Баланс между этими механизмами способствует появлению генетически разнообразных особей и формирует уникальный геномный ландшафт триплоидного вида.

По словам соавтора работы Мэттью Фудзиты, это исследование переворачивает некоторые из наших давних представлений об ограничениях партеногенетических видов. Браминский слепун отнюдь не является эволюционным тупиком, на его примере можно судить о том, какие необычные адаптивные механизмы существуют в природе.

Партеногенетическая мышь дала потомство