Дублирование генов помогает животным разрешать половой конфликт
Дублированные копии гена, общего для самцов и самок плодовых мушек, эволюционировали, чтобы разрешить конкурирующие потребности полов. Новый генетический анализ исследователей из Чикагского университета показывает, как эти копии развили раздельные функции, специфичные для самцов и самок, которые критически важны для размножения и фертильности. Эти изменения произошли всего за 200 000 лет с момента дублирования генов, что означает, что этот процесс может разрешать давление отбора между полами и приводить к специализации относительно быстро.
"Несмотря на то, что самцы и самки имеют почти идентичные геномы, каждый пол сталкивается с совершенно разным давлением отбора", — сказал Николас ВанКурен, соавтор исследования, опубликованного на этой неделе в Nature Ecology & Evolution. "По-настоящему неожиданный результат этого исследования — то, что, несмотря на столь юный возраст, эти гены быстро эволюционировали не только для смягчения полового конфликта, но и для развития важнейших функций, специфичных для каждого пола".
У многих видов животных самцы и самки могут иметь кардинально разные физические признаки. Например, у самцов птиц часто яркое, броское оперение для привлечения самок, в то время как самки могут иметь тусклую окраску для маскировки во время высиживания яиц. Эти признаки напрямую влияют на количество потомства, но как они развиваются при общем геноме? Гены, контролирующие эти конкурирующие признаки, подвержены половому конфликту — отбору в противоположных направлениях у самцов и самок.
В новом исследовании ВанКурен и его соавтор Маньюань Лонг проанализировали дублированные копии гена у плодовой мушки Drosophila melanogaster. Две копии, названные Аполлон и Артемида, изначально были одним геном, когда D. melanogaster стала отдельным видом 1,5 миллиона лет назад. На основе генетических различий между современными версиями Аполлона и Артемиды исследователи рассчитали, что исходный ген дублировался около 200 000 лет назад.
С тех пор, подобно своим тезкам-близнецам из греческой мифологии, Аполлон и Артемида пошли разными путями. Оба пола несут обе копии, но используют их по-разному. Аполлон стал необходим самцам для производства сперматозоидов, а Артемида требуется самкам для производства яйцеклеток.
Это одно из первых исследований, предоставляющих данные о том, что дублирование генов может разрешать половой конфликт на уровне гена, а раздельные функции могут эволюционировать гораздо быстрее, чем предсказывают классические эволюционные теории.
"Это необычайно быстро, — сказал Лонг. — Все предыдущие открытия говорят о десятках миллионов лет для эволюции половых функций, так что это драматично".
Даже став постоянной частью генома D. melanogaster, Аполлон и Артемида всё ещё демонстрируют напряжение полового конфликта. Когда исследователи экспериментально "выключили" Артемиду у самцов, их фертильность возросла; аналогично, отключение Аполлона повысило фертильность самок. Даже после дублирования и специализации их присутствие всё ещё оказывает негативный эффект на противоположный пол.
Хотя функция предкового гена, предшествовавшего Аполлону и Артемиде, пока неизвестна, учёные полагают, что он должен был подвергаться чрезвычайно сильному половому конфликту, чтобы его остаточные эффекты были видны до сих пор. Специализировавшись за столь короткий срок, эти гены-близнецы показывают, что даже важнейшие биологические функции могут эволюционировать относительно быстро.
"Несмотря на то, что эти гены могли сформироваться 200 000 лет назад, мы видим совершенно разные, но важнейшие функции у двух полов, — сказал ВанКурен. — Обычно, когда люди думают о действительно важных функциях генов, они представляют себе очень старые гены, прошедшие испытание временем. Но это исследование показывает, что возраст может не давать полной картины о функциях генов".