Наконец собрался научно-биологический пост написать.
На этой неделе к нам в Гуэлф приезжал американский профессор из Университета Вирджинии. И имя у него такое типичное
Butch Brodie. Канадцы хихикали.
Буч занимается эволюцией arms race - гонки вооружения - между змеями и саламандрами. Off topic. Когда я на послесеминарской вечеринке спросил у Буча, почему саламандры, он рассказал, что это все его отец. Папа в детстве, будучи бойскаутом, услышал поразившую его до глубины души историю про рейнджера, которого нашли мертвого без признаков насилия, и после долгих поисков причин смерти они обнаружили ядовитую саламандру в котолке, где они варил кофе. После этого папа, тоже университетский проф, всю жизнь занимался тритонами и саламандрами. Anyway.
Кратко об отрытиях его лаборатории. На западном побережье США есть очень распространенные garter snakes (род
Thamnophis). И некоторые виды очень неплохо жрут саламандр (или тритонов, не знаю как в данном случае правильнее) из рода
Taricha, которые вырабатывают ядовитую слизь, содержащую
тетродотоксин. Это довольно сильный небелковый токсин нейропаралитического действия (содержится еще в рыбе фугу), который закупоривает натриевые ионные насосы, мембранные белки, которые обеспечивают трансмембранный транспорт ионов натрия в мембране нейронов и тем самым обеспечивают передачу нервных импульсов. Их там много и называются они скучно Na
v 1.2, 1.4, 1.6 и подобно. Короче, очень важная штука для всех процессов, особенно для дыхания и сердцебиения. Токсин легко и быстро впитывается в кровь.
В целом ряде работ, группа Броди показали очень интересные вещи о том, как змеи приспособились справляться с тетродотоксином.
У некоторых видов змеи в натриевых насосах возникла одна аминокислотная замена как раз в месте прикрепления тетродотоксина так что блокирование становится менее эффективным, у других видов есть даже три таких замены, а у самых продвинутых - четыре замены. Каждая дополнительная замена повышает резистентность к токсину на порядки, т.е. классический пример скачкообразной эволюции! Замены аминокислот нужны именно в определенных местах натриевого насоса, в местах прикрепления тетродотоксина, который закупоривае каналы (см. рисунок внизу), больше нигде, т.к. иначе натриевые насосы не смогли бы выполнять свою функцию и неправильно бы сложились и не встроились бы в мембрану. Причем возникла такие замены независимо у разных видов.
Как в результате эволюции возникли такие точные точечные замены именно в этих локусах? Было ли разнообразие последовательностей в натриевых насосах изначально так что потом, при столкновении с гадкими саламандрами и их тетродотоксином были отобраны только нужные вариации или же столкновение с токсином запустило мутации в нужном гене? Генетические исследования Броди показали, что скорее второе и в анцестральной (предковой) популяции не было разнообразия в данных генах - они довольно консервативны. Т.е. молекулярная эволюция у змей началась в данном гене скорее всего после столкновения с токсином. Почему не наблюдаются изменения в других местах натриевых насосах тоже понятно - такие "побочные продукты" эволюции не выживали бы и поэтому это
классический пример номогенеза или канализированной эволюции. Но для меня остается несколько пробелов в данной истории.
Каков механизм запуска молекулярного поиска в нужном гене если это не дрейф (в предковой популяции не было этого, чтобы выбирать и дрейфовать), а направленный отбор? Ответа на этот вопрос Броди не дает и не знает. Моя гипотеза основана на передаче по наследству приобретенных признаков через
эпигенетические маркеры. Представьте себе, что змеи начала сталкиваться с ядовитыми саламандрами и тетродотоксином. Не все они умирали (Броди показывал видео, как змеи, проглотившие этих тварей и не имеющие устойчивости против токсина, погут их потом изрыгивать и их еще долго мутит, они не могут быстро двигаться). Тетродотоксин впитывается в кровь и воздействует на все клетки тела, в том числе на гоноциты, первичные половые клетки, из которых потом формируются яйцеклетки или сперматозойды. Уже давно известно, что приобретенный в ходе жизни опыт особи может передаваться потомству через так называемые эпигенетические изменения в этих половых клетках, т.е. не изменения в последовательности цепочки ДНК, а например, изменения гистонов (белков, на которые намотана цепочка ДНК), а также через метилирование некоторых нуклеотидов (хотя накануне созревания в данных половых клетках происходит массовой деметилирование, но некоторые метиловые группы почему-то остаются). Предположим, что, к примеру, тетродотоксин вызывает в половых клетках некоторые изменения в гистонах в районе гена натриевых насосов. Каков молекулярный механизм этого я пока предположить не могу (я заглянул в недавний обзор 2010 г. по эпигенетике - никто не знает, это горячая тема в биогии). Но если это так и если это, к примеру, может привести у потомства к повышенной вероятности рекомбинации в процессе мейоза именно в районе данного гена, а значит и повышена вероятность ошибки в районе данного гена. А далее уже отбор позаботиться о том, что неправильные ошибки с заменой аминокислоты в других участках натриевого насоса будут просто выкинуты, ибо такие животные не выживут,а нужные замены только дело времени. Таким образом, рано или поздно нужные замены у каких-то особей появятся, ну уж они то будут распространять этих гены за счет преимущества в размножении. Но всё это пока мои предположения и здесь еще много вопросов. Эпигенетика тут бы, на мой взгляд, помогла бы. Готов выслушать альтернативные гипотезы. А ведь эпигенетика еще в середине XX в. считали пережитком ламаркизма и "как так, приобритенные признаки могут наследоваться?" Были, конечно, отщепенцы типа Любищева, которые шли против мейнстрима без особых доказательств на руках, но им нравился и ламаркизм, и витализм, и номогенез. Но большинство верило в "закрытие" темы Вейсманом, которые показал в работе на мышах, у которых он на протяжении многих поколений отрезал хвосты и ничего у потомков с хвостами не происходило, что наследование приобретенных признаков не может быть. Всё было правильно сделанов данном конкретном опыте, но вывод был преждевременным и слишком обобщенным. Впоследствии оказалось, что приобретенные признаки могут наследоватеть через
эффекты отца и/или матери на потомство.
PS Подумав и посмотрев литературу, более точно сформулирую свой вопрос на будущее:
(1) Вызывает ли столкновение с тетродотоксином у змей индуцированный гипермутагенез или же скорость мутаций под воздействием с данным токсином не изменяется и точечные мутации происходят без всякой связи с воздействием токсина в фоновом режиме, т.е. на уровне, наблюдавшемся до воздействия токсина?
(2) Если индуцированная гипермутагенез всё-таки присутствовал и способствовал возникновению точечных замен аминокислот, то каков молекулярный механизм этой индукции? Здесь, мне кажется, необходимо наследование приобретенного опыта, иначе каким образом токсин, воздействующий на ткани родителя, вызовет повышенный мутагенез у потомства? Опять же, если происходит наследование приобретенного опыта, то каков молекулярный механизм?
(3) Если индуцированный мутагенез способствовал данным эволюционным преобразованиям, что происходит при этом: повышается ли скорость мутаций по всему геному или же только в определенных "нужных" областях (hot spots), где расположенны target гены? Если второе, то каков механизм этого таргетирования мутаций?
Индуцированный мутагенез - явление известное и неплохо изученное на самых практичных моделях - бактериях и B-лимфоцитах (иммунных клетках позвоночных). Не знаю, есть ли какие сведения о таком явлении в primordial germ cells.
