Российские биологи определили механизмы гибридной стерильности у самцов полевок

Исследователи из Новосибирского Академгородка и Санкт-Петербурга  изучили механизм стерильности гибридов полевок рода Microtus. Биологи скрестили пять видов полевок и обнаружили, что все самцы-гибриды оказались неспособны дать потомство. Исследования механизмов стерильности показали, что у животных нарушен процесс образования сперматозоидов из-за неправильного объединения хромосом при делении клеток. Исследование опубликовано в журнале Frontiers in Genetics.

Главным основанием для разделения видов для организмов с половым размножением служит репродуктивная изоляция, которая либо вовсе не позволяет двум особям разных видов давать потомство, либо позволяет производить лишь стерильных гибридов. Репродуктивная изоляция может возникать по разным причинам. Для особенно эволюционно далеких видов животных препятствиями к скрещиванию могут быть разные места обитания, поведенческие отличия или даже несовместимость половых систем у самцов и самок. Если же паре все же удается встретиться и достичь оплодотворения, следующим этапом становится развитие из зиготы и дальнейшее выживание эмбриона. Однако даже условно здоровое потомство у двух особей разных видов может быть стерильно — тогда репродуктивная изоляция сохраняется.

Чаще всего способность скрещиваться и давать потомство сохраняют виды, недавно разошедшиеся в процессе эволюции. Стерильность у их гибридов возникает из-за неспособности правильно сформировать половые клетки в процессе мейоза. До последнего времени в этом принято было винить перестройки в сайтах, связанных с внесением в ДНК двухцепочечных разрывов при рекомбинации в мейозе. Из-за того, что двухцепоччные разрывы несимметрично располагаются на хромосомах, те не могут нормально вступать в рекомбинацию.

Исследователи из новосибирского Института цитологии и генетики в Новосибирске и Института зоологии в Санкт-Петербурге под руководством Татьяны Бикчуриной (Tatiana I. Bikchurinа) и Федора Голенищева (Fedor N. Golenishchev) изучили пять видов полевок рода Microtus. Это наиболее разнообразный род полевок, что позволяет изучать на них механизмы видообразования и репродуктивной изоляции. Исследователи скрестили пять видов полевок попарно и получили потомство в каждой из девяти пар. Чтобы проверить фертильность гибридного потомства, животных скрещивали с особями родительских видов. Оказалось, что все самцы гибридов были стерильны. Кроме того, среди пар M. kermanensis × M. arvalis и M. kermanensis × M. transcaspicus стерильными оказались даже самки, что подтверждает генетическую разобщенность этих пар.

Чтобы исследовать, как и почему самцы гибридов оказались стерильными, ученые изучили их процесс образования сперматозоидов. Для этого провели гистологический анализ тканей яичек самцов: посчитали количество клеток на разных стадиях образования половых клеток, а также наблюдали за патологиями. Из всех девяти гибридов сперматогенез доходил до образования зрелых сперматозоидов у трех видов (однако полученные клетки не выглядели нормальными). У остальных гибридов образование половых клеток останавливалось на предшествующих стадиях развития (сперматид, сперматоцитов I, сперматогоний).

Чтобы определить причины нарушений, биологи изучили процесс деления клеток-предшественниц сперматозоидов: проверили синапсис хромосом, рекомбинацию ДНК между парными хромосомами, а также эпигенетические метки геномов. Для этого использовали иммуноокрашивание — для каждого из белков-маркеров подобрали соответствующее антитело, соединенное с флуоресцентной меткой. Таким образом пометили разные этапы мейоза, двухцепочечные разрывы ДНК (один из этапов рекомбинации), рекомбинационные узелки и неспаренный хроматин (нарушение деления, «молчащий» хроматин).

Окрашивание показало, что у большинства животных нарушен процесс спаривания хромосом, причем чем более эволюционно далеки родительские виды гибридов, тем хуже спариваются их хромосомы и тем больше хроматина подвергается сайленсингу. Так, например, эволюционно близкие M. kermanensis и M. rossiaemeridionalis показали нормальное спаривание хромосом, за исключением небольших нарушений при связывании небольших гомологов. Тогда как эволюционно далекие M. kermanensisand и M. transcaspicus оказались вовсе неспособны образовывать хромосомные пары при мейозе.

Так исследователям удалось не только показать, что все пять видов полевок уже прошли процесс репродуктивной изоляции в эволюции, но и пролить свет на механизмы гибридной стерильности самцов в целом. В этой работе причиной гибридной стерильности послужила не перестройка сайтов рекомбинации, а неспособность хромосом образовать пару. При большом количестве неспаренных участков биологи наблюдали интенсивный сигнал маркера неспаренного хроматина — гены которого клеточные системы заставили «молчать». Такая регуляторная система позволяет упаковать неспаренные половые хромосомы при нормальном делении клеток. Однако в случае гибридов она может затрагивать важные гены развития, что и вызывает неспособность образовать сперматозоиды.

Мыши нередко вызывают интерес биологов-эволюционистов. Например, недавно они провели масштабное исследование, чтобы выяснить причины вымирания многих австралийских грызунов. Неожиданно они выяснили, что мышь Гульда, считавшаяся исчезнувшей с середины XIX века, дожила до наших дней — правда, под другим названием и всего на нескольких островках у побережья Западной Австралии.

Анна Муравьева