Одомашнивание окончательно связали с нарушениями эмбрионального развития
Испанские ученые подтвердили гипотезу, что за изменение внешнего вида и поведения при одомашнивании отвечают гены, чья работа определяет развитие нервного гребня у эмбриона. В ходе жизни с человеком они подвергаются эпигенетическим модификациям, а те передаются потомству, хотя и не меняют последовательность нуклеотидов ДНК. Научная статья опубликована в Molecular Biology and Evolution.
Поколения жизни в неволе меняют поведение и строение животных. На шкуре у них появляются крупные пятна, челюсти и зубы укорачиваются, мозг и все тело уменьшаются в объеме, уши повисают, хвост из прямого становится закрученным. Вплоть до зрелого возраста сохраняется склонность к играм, свойственная детенышам. Этот комплекс черт впервые описал в 1868 году Чарльз Дарвин, назвав его синдромом одомашнивания.
Пока нет детального понимания, какие изменения на клеточном уровне приводят к проявлению синдрома одомашнивания, но есть некоторые предположения. В 2014 году Адам Уилкинс (Adam Wilkins) из Гумбольдтовского университета в Берлине, Ричард Рэнгхем (Richard Wrangham) из Гарварда и Текумсе Фитч (Tecumseh Fitch) из Венского университета выдвинули гипотезу, что за появление пятен, уменьшение размеров и инфантилизацию поведения отвечают какие-то гены, которые определяют судьбу клеток нервного гребня. Эта структура присутствует в организме эмбриона на ранних стадиях его развития и дает начало не только нервным клеткам, но и пигментным клеткам кожи, и компонентам зубов и надпочечников. Одомашнивание, по мнению Уилкинса и коллег, приводит к изменению работы описанных генов и к перестройке программы развития организма.
Значение гена для жизнедеятельности особи можно поменять, не затрагивая последовательность нуклеотидов в нем. Достаточно повлиять на доступность конкретного участка ДНК для считывания и выработки мРНК по его образцу. Один из способов это сделать — метилировать или деметилировать ДНК, то есть присоединить либо отсоединить CH3-группу от каких-либо нуклеотидов. Их порядок при этом не изменится, состав гена останется тем же, но увеличится или уменьшится его активность. Такие изменения называют эпигенетическими, и они передаются по наследству. Уилкинс, Рэнгхем и Фитч предположили, что во многом они ответственны за синдром одомашнивания.
Дафни Анастасиади (Dafni Anastasiadi) и Франсеск Пиферрер (Francesc Piferrer) из барселонского Института морских наук (Instituto de Ciencias del Mar) решили искать эпигенетические изменения в ДНК обыкновенного лаврака (Dicentrarchus labrax) — распространенной морской рыбы из отряда окунеобразных. Лаврака часто используют в пищу, притом его и ловят в море, и выращивают в специальных хозяйствах. Исследователи сравнили степень метилирования различных генов у рыб всех возрастов. Лавраки принадлежали к одной из двух групп. Одни были выловлены в Средиземном море у берегов Каталонии, а другие были потомками первого поколения рыб, которые жили на ферме в том же регионе — этих рыб авторы считали одомашненными. Также биологи оценили генетическое сходство диких и одомашненных лавраков, для чего сравнили у них 93369 однонуклеотидных полиморфизмов.
Генетически рыбы двух групп практически не отличались: они происходили из одной популяции и еще «деды» лавраков с фермы были свободноживущими. Однако у лавраков, чьи родители выросли в неволе, был сильнее (не менее чем на 15 процентов) метилирован ген одного из рецепторов к глутамату gria4a, ген одного из коллагенов col14a1a в мозге, ген протокадгерина γ-a11-like в печени, ген foxc1 в семенниках и ген mapk8a в мышцах. Ген adamts9 у рыб с фермы, напротив, был метилирован в меньшей степени. Как правило, метилирование снижает активность генов.
Интересно, что перечисленные участки ДНК регулируют миграцию клеток из нервного гребня в другие части формирующегося эмбриона, а различия между степенью их метилирования у выловленных в море и фермерских лавраков проявлялись уже на стадии гаструлы — именно в тот период, когда закладывается нервный гребень. Получается, что изменения среды, в которой живут рыбы, действуют на их геном очень быстро. Гены, о которых идет речь выше, весьма консервативны и выполняют одни и те же функции практически у всех позвоночных, поэтому данные работы на рыбах могут быть верны и для млекопитающих и птиц. Более того, предыдущие исследования показали, что отбор по некоторым из этих генов происходил при одомашнивании кошек, собак и уток.
Работы последних лет показывают, что изменения, которые сопутствуют одомашниванию, у многих видов происходят через считанные поколения. Потребовалось всего несколько десятков лет, чтобы лисы стали вести себя ласково с людьми подобно собакам, а метаболизм диких кур приблизился к обмену веществ у домашних всего за шесть генераций.
Светлана Ястребова
Изучать на них магниторецепцию не получится
Исследователи из Великобритании и Германии на протяжении шести лет воздействовали суммарно почти на сто тысяч дрозофил магнитным полем и выяснили, что они не меняют свое поведение под действием этого поля и в целом никак на него не реагируют. Это опровергло результаты предыдущих экспериментов, где чувствительность мух к магнитному полю была доказана, — прошлые результаты ученые посчитали ложноположительными. Работа опубликована в Nature. Некоторые животные обладают магниторецепцией — например, перелетные певчие птицы мигрируют в основном по ночам и ориентируются по магнитному полю земли. Точно не ясно, как работает их внутренний компас, но основная гипотеза такая: в сетчатке из глаз есть криптохромы — светочуствительные белки, которые реагируют на магнитное поле, а в мозге — нейроны, которые обрабатывают информацию, поступающую с магниторецепторов сетчатки. Такую же способность ученые обнаружили и у летучих мышей. По некоторым данным, магнитное поле чувствуют и плодовые мушки дрозофилы (Drosophila). Криптохромы из их сетчатки реагировали на магнитное поле в экспериментах in vitro, а в других исследованиях [1, 2, 3] под действием магнитного поля их поведение менялось. Поэтому мух иногда используют как модельный организм, чтобы изучать магниторецепцию: геном дрозофил можно редактировать, и эксперименты над ними ставить проще, чем над птицами. Марко Бассетто (Marco Bassetto) из Ольденбургского университета имени Карла фон Осецкого и его коллеги из Великобритании и Германии решили проверить, на самом ли деле дрозофилы чувствительны к магнитному полю. Они воспроизвели несколько экспериментов на гораздо большей выборке и в более контролируемых условиях. Сначала они запустили мух в Т-образный лабиринт, к одному из рукавов которого было приложено магнитное поле с индукцией около 500 микротесла. Установку разместили в электромагнитно-экранированной камере в деревянном здании — в итоге фоновые радиочастотные поля сильно ослаблялись и не должны были повлиять на эксперимент. Дрозофил тестировали группами по 100 особей; предполагалось, что наивные мухи будут избегать рукава с магнитным полем (как это было в ранних экспериментах), а если научить их ассоциировать поле с наградой в виде сахарозы, то они станут предпочитать этот рукав. Однако ничего из этого не подтвердилось: и наивные, и обученные дрозофилы выбирали оба рукава с одинаковой частотой. А вот в контрольных экспериментах мухам удалось связать награду и запах. Всего ученые провели почти 1000 тестов и протестировали таким образом 97650 мух. Затем они поместили дрозофил в вертикальные пластиковые трубки, помещенные между двойными катушками. К одной из трубок было приложено магнитное поле с индукцией 500 микротесла, а к другой — нет. В таких трубках мухи обычно поднимаются, сопротивляясь земному притяжению, — это называется отрицательным геотаксисом (личинки некоторых насекомых, напротив, стремятся вниз, к земле). В предыдущих исследованиях под действием тусклого синего цвета и магнитного поля мухи поднимались медленнее. Здесь же ученые не обнаружили никакой разницы в скорости подъема мух в зависимости от наличия магнитного поля. Однако, как и в раннем эксперименте, под действием красного цвета дрозофилы поднимались медленнее, чем под действием синего (магнитное поле все еще не влияло). Затем ученые усовершенствовали экспериментальную установку и проверили в ней магнитные поля 0,90, 220 и 300 микротесла. Однако и тогда магнитное поле не влияло на скорость подъема насекомых. В предыдущих исследованиях также сообщалось, что магниточувствительность мух проявляется под действием более коротких волн света. Авторы проверили и это, но и здесь дрозофилы никак не реагировали. Авторы заключили, что дрозофилы, судя по всему, не способны ощущать магнитные поля околоземной силы (ниже 500 микротесла). А статистический анализ показал, что результаты ранних экспериментов были, вероятнее всего, ложноположительными: на это указывают небольшие выборки и низкая статистическая мощность. Таким образом, изучать магниторецепцию лучше на ночных мигрирующих певчих птицах. А ранее исследователи из Канады и США выяснили, что нейроны птиц, реагирующие на магнитное поле, активны только во время миграции. Во время ночного отдыха их активность снижается.