Российские ученые нашли в геномах коловраток признаки полового размножения

Ученые из Центра наук о жизни Сколтеха в сотрудничестве с коллегами из других российских и зарубежных организаций нашли в геноме бделлоидных коловраток признаки полового размножения. Статья с результатами этой работы опубликована Nature Communications. Руководители исследования — Георгий Базыкин, профессор Сколтеха, и Алексей Кондрашов, профессор МГУ имени М.В. Ломоносова и Мичиганского университета.

Половое размножение используют практически все ныне живущие эукариотические организмы. Хотя нередки случаи, когда организмы переходят к бесполому размножению, большинство образующихся таким образом линий не живут долго. Однако существует несколько древних групп бесполых организмов, которые рассматриваются как вероятные исключения из этого правила. Наиболее известным примером такого исключения до недавнего времени считали бделлоидных коловраток. Это группа крошечных пресноводных беспозвоночных, существование которых ставило биологов в тупик. До сих пор никто никогда не видел у бделлоидных коловраток самцов, и не было доказательств, что они размножаются половым путем. Между тем, эти животные очень древние, они живут на планете десятки миллионов лет. Бделлоидных коловраток даже называли «эволюционным скандалом», поскольку их существование бросало вызов концепции, что половое размножение необходимо для долговременного эволюционного успеха.

Авторы новой работы опровергли это представление. Они секвенировали геномы 11 пойманных в природе коловраток. Анализируя разнообразие однонуклеотидных полиморфизмов, ученые увидели, что исследуемые особи коловраток принадлежат к двум генетическим кластерам. Восемь особей (бóльший кластер) были менее гетерозиготны, чем остальные три (меньший кластер), дальнейший анализ проводили в основном на восьми коловратках бóльшего кластера.

Ученые проанализировали полиморфные сайты в геноме коловраток и обнаружили закономерность: степень сцепленности аллелей в разных хромосомных локусах снижалась с увеличением расстояния между локусами. Это свидетельство того, что в геноме коловраток происходит рекомбинация — обмен участками гомологичных хромосом. При этом комбинации аллелей разрушаются тем быстрее, чем дальше друг от друга находятся аллели. Такая рекомбинация происходит во время мейоза и может указывать на то, что у коловраток образуются половые клетки. В геноме организмов, которые размножаются исключительно бесполым путем, комбинации аллелей передаются в поколениях в неизменном виде.

Авторы рассмотрели альтернативный вариант — генную конверсию, при которой происходит нереципрокный перенос генетического материала с одной хромосомы на другую, это может происходить как при мейозе, так и при митозе. Но закономерности, которые они обнаружили у коловраток, нельзя объяснить одной лишь генной конверсией, и они говорят в пользу реципрокной рекомбинации.

Далее биологи обратили внимание на то, что в геноме коловраток среди полиморфных сайтов есть трехаллельные (в которых присутствуют три разных варианта, например, A, T и G). Такие сайты теоретически могут быть представлены тремя разными гетерозиготами (в данном примере A/T, A/G и T/G). «Сайты, в которых в популяции одновременно наблюдаются все три гетерозиготы, могут появиться либо в результате повторных или обратных мутаций, либо путем генетического обмена между разными особями, — рассказывает корреспонденту PCR.news первый автор работы Ольга Вахрушева, младший научный сотрудник Центра наук о жизни Сколтеха. — Мы можем примерно оценить, сколько таких трехаллельных сайтов могло получиться исключительно за счет мутаций и сравнить это с тем, что мы видим в популяции. У коловраток таких сайтов гораздо больше, и это сильное свидетельство в пользу генетического обмена».

Авторы рассматривали две гипотезы, которые могли бы объяснить генетический обмен у бделлоидных коловраток: половое размножение и горизонтальный перенос генов. Как объясняет Ольга Вахрушева, еще при секвенировании первого генома бделлоидой коловратки в нем нашли гены, предположительно перенесенные от других видов, в том числе от бактерий. Тогда появилась гипотеза, что коловратки могут каким-то образом заносить себе в геном куски других геномов, возможно, и своего вида. «Никто не знает, как это могло бы происходить, мы эту гипотезу сейчас не можем окончательно опровергнуть, но мне она кажется маловероятной. Кроме того, часть наших результатов сложно объяснить в рамках гипотезы горизонтального переноса генов, при этом они хорошо вписываются в гипотезу о половом размножении», — говорит Ольга.

Наконец, когда биологи взяли в исследование трех коловраток из меньшего генетического кластера и по всем 11 особям построили филогенетические деревья, они увидели, что те три особи не просто более гетерозиготны — возможно, они являются гибридами. И это самый сильный аргумент в пользу полового размножения у бделлоидных коловраток.