Яд гремучих змей находится под действием балансирующего отбора

Исследователи из США изучили эволюцию ядовитых белков у гремучих змей и выяснили, что она обусловлена долгосрочным балансирующим отбором. Ни один аллель генов токсинов не получает абсолютного преимущества, эти гены сохраняют внутривидовое разнообразие.

Изображение:

Зеленый гремучник

Credit:

Drew Schield | Пресс-релиз

Змеиные яды содержат токсичные белковые молекулы. Они появляются путем дупликации генов нетоксичных молекул: продукт одного из генов становится ядовитым и начинает экспрессироваться только в ядовитых железах. Долгое время считалось, что эволюция этих белков находится под направленным отбором. Тем не менее ученые из США нашли неточности в прошлых исследованиях и провели более аккуратный анализ геномных данных. Они предположили, что в эволюции токсинов имеет место балансирующий отбор.

При направленном отборе частоты аллелей меняются и со временем один из аллелей закрепляется в популяции. Балансирующий отбор сохраняет разнообразие аллелей; один из примеров — гены главного комплекса гистосовместимости у человека. Считалось, что эволюция делает змеиный яд узкоспециализированным, нацеленным на эффективное умерщвление конкретной добычи; в таком случае разнообразие генов токсинов должно снижаться под действием направленного отбора.

Исследователи секвенировали 68 особей зеленого (Crotalus viridis) и западного (Crotalus oreganus) гремучников. В качестве аут-группы взяли техасского гремучника (Crotalus atrox). Авторы решили сконцентрироваться на трех семействах токсинов, кодируемых генами SVMP, SVSP и PLA2. Для этих регионов они оценили нуклеотидное разнообразие, генетическую дифференциацию и дивергенцию между видами (то есть индивидуальное разнообразие этих регионов внутри вида, разнообразие субпопуляций и межвидовое разнообразие).

По логике авторов, в случае направленного отбора нуклеотидное разнообразие в генах токсинов должно быть снижено, в то время как генетическая дифференциация должна быть максимальной. При доминировании балансирующего отбора будет наблюдаться обратная картина: индивидуальное разнообразие велико, а различия между субпопуляциями мало. Также для балансирующего отбора характерно повышенное значение межвидовой дивергенции.

Ученые обнаружили, что для генов из семейств SVMP и SVSP характерны все признаки балансирующего отбора. В этих генах присутствовали сайты, для которых нуклеотидное разнообразие было выше, чем в среднем по геному. Та же картина наблюдается и для межвидовой дивергенции. В то же время значение генетической дифференции в этих сайтах имело минимальные значения.

Чтобы подтвердить эти результаты, исследователи применили к своим данным ряд статистических тестов: D-оценку Таджимы, интегрированную оценку гаплотипов (iHS) и корреляцию частот аллелей (β). Для генов семейства SVMP и SVSP D-оценка была выше, чем в среднем по геному. То же самое было справедливо для iHS, который помогает выявить следы отбора.

Часто вокруг сайта, на который действует балансирующий отбор, образуются кластеры связанных аллелей. Ученые обнаружили, что корреляция аллелей β вокруг полиморфных сайтов в генах SVMP и SVSP достигает максимума.

Балансирующий отбор бывает сложно отличить от нейтрального (разграничить ситуации «все аллели чем-то полезны» и «ни один аллель не имеет явного преимущества»). Поэтому дополнительно исследователи посчитали B0,MAF статистику для каждого участка генома. Эта величина помогает выявить нейтральный отбор. B0,MAF в участках SVMP и SVSP явно указывал на отсутствие нейтрального отбора.

Что касается PLA2, для него результаты были неоднозначными. Например, в некоторых участках исследователи не нашли сайтов с высоким нуклеотидным разнообразием. Такую же гетерогенность авторы обнаружили и для других показателей, например, B0,MAF и β.

Наконец, ученые выяснили, как балансирующему отбору удается действовать на отдельные сайты, не затрагивая целые локусы генов. Оказывается, это возможно благодаря высокой скорости рекомбинации. В областях SVMP и SVSP параметр сцепления генов оказался очень маленьким. Это значит, что в них чаще происходит гомологичная рекомбинация.

Таким образом, авторы доказали, что в современной эволюции ядов змей важную роль играет балансирующий отбор. Рацион гремучих змей весьма разнообразен, он включает и птиц, и грызунов, и ящериц. Возможно, балансирующий отбор, формируя множество разных аллелей, помогает сохранить токсичность белка для жертвы.

Как утверждает руководитель работы Тодд Касто, их открытие будет полезно при разработке новых противоядий.


Еще об эволюции ядов

Ферменты яда рептилий и бурозубок произошли от одного генетического локуса

Как появились гены яда жарараки

О связи между ядовитыми и слюнными железами

Источники

Schield, D.R., et al. The roles of balancing selection and recombination in the evolution of rattlesnake venom. // Nature Ecology & Evolution. 2022. DOI: 10.1038/s41559-022-01829-5

Цитата по пресс-релизу

Добавить в избранное

Вам будет интересно