Происхождение вида: ключевая роль гена Prdm9 в видообразовании

Исследователи из Центра генетики человека Wellcome Trust Оксфордского университета выявили ключевую роль одного гена в процессе расхождения групп животных и образования новых видов. Исследование, опубликованное в журнале Nature, восстановило фертильность у обычно бесплодного потомства двух подвидов мышей, заменив часть их гена Prdm9 на эквивалентную человеческую версию. Несмотря на почти 150 миллионов лет эволюционного разделения, эти «гуманизированные» мыши оказались полностью фертильными.

Новые виды животных формируются, когда группы изолируются и начинают эволюционно расходиться (процесс видообразования). Когда такие популяции встречаются позже, они могут скрещиваться, но мужское потомство часто бывает бесплодным. Пример — лошади и ослы: их потомство, мулы, бесплодно.

Исследование было сосредоточено на подобном бесплодии у гибридных домовых мышей, чьи родители принадлежат к разным подвидам из Западной и Восточной Европы. Эти подвиды находятся на грани разделения на два разных вида, поскольку их потомство, как и мулы, бесплодно.

Учёные изучили ген Prdm9 — единственный известный ген видообразования у млекопитающих, уже связанный с бесплодием у мышей разных видов. Однако механизм этой связи был неизвестен.

Ключом стала более ранняя работа, показавшая, что белок, производимый геном Prdm9, определяет точки в геноме, где материнские и отцовские хромосомы обмениваются генетической информацией (процесс рекомбинации).

Чтобы выяснить точную роль гена, исследователи заменили у мышей область гена Prdm9, ответственную за связывание с ДНК, на эквивалентную последовательность из человеческого гена. Это полностью изменило картину рекомбинации в геноме.

Результат был поразительным: при скрещивании таких «гуманизированных» мышей с мышами другого подвида их гибридное потомство было не бесплодным, а полностью фертильным. Вставка ключевой части человеческой версии гена полностью обратила бесплодие гибридных мышей. Это указывает, что видообразование, по крайней мере у мышей, может быть потенциально обратимым событием.

Исследователи также детально изучили связывание белка PRDM9 с ДНК. Они обнаружили, что у бесплодных гибридных мышей белок PRDM9 связывался только с одной из двух парных хромосом (от разных подвидов), но не с обеими одновременно, несмотря на их 98% сходство.

Это асимметричное связывание возникло потому, что за многие поколения нормальный мышиный белок PRDM9 «разъедает» последовательность ДНК, к которой он прикрепляется. Учёные полагают, что такая асимметрия затрудняет для хромосом успешное распознавание и контакт друг с другом при формировании половых клеток. Это приводит к сбоям в правильном контакте хромосом и, как крайний случай, к бесплодию.

Симметричное мечение хромосом белком PRDM9, напротив, облегчает их спаривание. Результаты подчёркивают важность понимания коэволюции гена Prdm9 с геномом, в котором он находится, и предлагают новый механизм репродуктивной изоляции близкородственных подвидов.

Сейчас команда работает над созданием других версий гена Prdm9, чтобы подробнее исследовать, как именно симметрия связывания с ДНК влияет на спаривание хромосом.