Такое происходит постоянно. Два вида спариваются. Их потомство достигает зрелости. А затем самцы становятся стерильными.
Это ставило в тупик биологов более века. Почему природа так агрессивно пресекает гибридизацию? Зачастую первыми страдают именно самцы.
Новое исследование наконец дало ответ. По крайней мере, для плодовых мушек.
«Гибрид не может их производить», — говорит Ромен Ланнес, соавтор исследования из Института Уайтхеда. Он говорит о сперматозоидах. «Это полный провал».
Команда под руководством Юкико Ямашиды и аспирантки Адриенн Фонтан опубликовала свои результаты в журнале Molecular Biology and Evolution. Ученые выявили специфический клеточный сбой: ошибку в обработке генетической информации, которая останавливает производство спермы на самом старте.
Разрыв посреди кода
Вот как это обычно работает. Клетка считывает инструкции из ДНК. Она создает копию в виде РНК. Затем эта копия редактируется.
Этот этап редактирования — сложный процесс. Клетке нужно вырезать нефункциональные участки («мусор») и сшить оставшиеся фрагменты. Это похоже на видеомонтаж: вы удаляете неудачные кадры и оставляете только лучшие дубли.
Но у гибридных мушек этот «редактор» работает с ошибкой.
Иногда клетка меняет порядок фрагментов местами, иногда оставляет часть из них вне кода. В результате РНК оказывается перепутанной и непригодной для использования.
Без правильной РНК не синтезируются белки. Нет белков — нет спермы.
Это не редкая случайность. Сбой затрагивает несколько крупных генов, необходимых для развития, расположенных конкретно на Y-хромосоме.
Повторяющийся фактор
Почему именно эти гены? И почему в этом месте?
Потому что они огромны. Необычайно велики. И большая часть их объема состоит из повторяющейся ДНК.
Известной как спутниковая ДНК. Она состоит из коротких паттернов, скопированных многократно. Подобно заиканию в генетическом коде.
«Спутниковая ДНК состоит из этих коротких повторяющихся последовательностей», — объясняет Ямашида. Она добавляет историческую справку: раньше ей не уделяли особого внимания. «Мы мало их изучали. Стандартные инструменты плохо с ними справляются. Они не кодируют белки, поэтому никто не интересовался ими».
Оказалось, что всем стоило бы интересоваться.
Эта спутниковая ДНК эволюционирует очень быстро. Действительно быстро. Даже у двух тесно связанных видов, разделившихся всего 250 000 лет назад (в рамках этого исследования), версии этих последовательностей радикально различаются.
Каждый вид вырабатывает свой внутренний клеточный аппарат. Механизм, точно настроенный на обработку собственного «заикания».
Добавьте в этот процесс ДНК от другого вида — и механизм дает сбой.
Представьте завод, откалиброванный под левые винты. Внезапно кто-то засыпает туда правые. Конвейер останавливается.
«Даже в чистых видах эти крупные гены представляют собой вызов», — отмечает Ямашида. Клетка прилагает огромные усилия, чтобы справиться со сложностью. «Но этот вид выработал способ приспосабливаться».
Нарушите этот механизм адаптации, смешав генетику разных видов, — и система рушится.
Почему первыми страдают самцы
Это объясняет древнейшее правило видообразования: гетерогаметный пол — самцы у людей и мушек (с хромосомами XY) — становится стерильным первым. Самки (XX) сохраняют фертильность гораздо дольше.
Y-хромосома нестабильна. Она полна быстро эволюционирующих повторяющихся последовательностей. Это настоящий пороховой погон для несовместимости.
Когда два вида расходятся эволюционно, их Y-хромосомы дивергируют быстрее всего. Их клеточные механизмы обработки также начинают различаться.
Соедините их снова? Для самцов это катастрофа.
Плодовые мушки — идеальные объекты для таких исследований. Они быстро размножаются, и результаты можно наблюдать в динамике. Данный эволюционный разрыв произошел относительно недавно, поэтому ученые могут наблюдать, как репродуктивная изоляция начинается в реальном времени.
Больше, чем просто биология мух
Касается ли это нас?
Возможно. Хромосомы Y у человека тоже полны быстрых изменений и повторов. Возможны подобные сбои.
Более практический аспект: у людей также есть гигантские гены. Гены, протяженность которых составляет миллионы пар оснований. Гены, связанные с мышечной дистрофией и неврологическими расстройствами.
Они сложны в обработке. Точно так же, как гены сперматогенеза у мух.
Вычислительные методы, использованные в этом исследовании, могут помочь решить и эти медицинские загадки. Если мы поймем почему происходит сбой в обработке, возможно, мы найдем способ его исправить.
Ямашида хочет понять, почему виды разделяются. Почему жизнь делится на изолированные линии. Это широкая цель, движимая узким техническим сбоем.
Один сломанный этап сплайсинга превращает потенциал в тупик.
