У многих видов самцы обладают привлекательными характеристиками. Хотя они часто непрактичны, они полезны в поиске партнера. Ученые уже нанесли на карту генетические основы такого мужского орнамента у рыбы.

Хвостовые перья павлина, огромный рог самцов жуков-носорогов, торчащие рога некоторых оленей-в природе существует бесчисленное множество примеров особенностей, которые на первый взгляд могут иметь только недостатки для их владельцев. Ведь от хищника труднее спрятаться, когда на нем разноцветное оперение, а большие рога не облегчают бегство в лесу. Как правило, именно самец обладает такими характеристиками.

Эволюция мужских украшений, таким образом, всегда занимала биологов. Чарльз Дарвин задавался вопросом о том, как такие преувеличенные, энергозатратные и, в принципе, вредные структуры могли быть созданы естественным отбором. На примере рыбы-меченосца (Xiphophorus hellerii) он объяснил свою теорию полового отбора. Основная идея Дарвина: если самки предпочитают спариваться с носителями ярких декоративных черт, такие черты могут закрепиться в ходе эволюции, даже если они, вероятно, будут вредны для их владельцев.

Ученые из Вюрцбурга, Констанца и США в настоящее время успешно нашли генетические основы этой эволюционной модели у Xiphophorus, также хорошо известного аквариумистам как один из их любимых домашних животных. Среди всех подходящих генов исследователи выделили некоторые, которые отвечают за развитие соответствующего декоративного признака у этого вида рыб. Их результаты также предполагают, что в меченосце ген, который действительно важен для нейрональных процессов в мозге, взял на себя дополнительную новую функцию в ходе эволюции.

Ученые опубликовали свои выводы в журнале Current Biology. Манфред Шартль, старший профессор кафедры биохимии развития в Университете Вюрцбурга, является ведущим автором исследования. Проект был совместно инициирован эволюционным биологом Акселем Мейером из Констанцского университета, с которым вюрцбургские исследователи изучали этот феномен в течение многих лет. В течение более чем двух десятилетий две лаборатории в университетах Вюрцбурга и Констанца совместно исследовали генетическую основу меча. Нынешнее исследование приблизило ученых на большой шаг к пониманию генетической основы удлиненного хвостового плавника меченосцев.

"У некоторых видов рода Xiphophorus самцы носят так называемый "меч", поразительное продолжение нижнего края хвостового плавника, который имеет желтый, оранжевый или красный цвет и окружен темно-черным краем", - объясняет Манфред Шартль. Меч развивается в период полового созревания и может быть таким же длинным, как и сама рыба у некоторых видов. На самом деле это должно быть недостатком, потому что бросающийся в глаза орнамент тела, с одной стороны, привлекает хищников, а с другой-затрудняет побег, поскольку снижает эффективность плавания. Однако самки Xiphophorus hellerii и нескольких родственных видов предпочитают спариваться с самцами, которые носят длинный меч—самцы с более короткими мечами Буквально проигрывают в этом соревновании.

Постепенно исключая подозреваемых

Генетические основы этого расширения хвостового плавника у Xiphophorus ранее были неизвестны. Однако знание этого феномена необходимо для проверки гипотез о роли полового отбора на молекулярно-генетическом уровне.

Ученые постепенно подошли к определению ответственных генов. Они начали с поиска всех генов, которые специфически активны в мече, развивающем часть хвостового плавника, но не в областях плавника, которые не образуют меч. "Этот процесс привел к набору из 329 дифференциально экспрессируемых генов во всех транскриптомах меча", - сказал Шартл, описывая результат. Термин транскриптом относится ко всей совокупности генов, которые транскрибируются в клетке или ткани в определенный момент времени, то есть являются активными.

Тот факт, что гены, ответственные за формирование меча, экспрессируются только у мужчин, привел к значительному сокращению числа подозреваемых на следующем этапе. Ученые создали транскриптомы клеток из определенных участков хвостовых плавников как у самцов, так и у самок. Если самки демонстрировали сопоставимую активность с самцами, то было ясно, что эти гены не входят в число искомых кандидатов. После этого процесса осталось 255 из первоначальных 329 генов.

"Интересно, что это сравнение показало, что пространственный паттерн из пяти транскрипционных факторов-Zic1, Hoxb13a, Six2a, Tbx3a и Pax9—отвечает за организацию предпосылок в хвостовом плавнике для развития меча, и что этот паттерн также присутствует у самок", - сказал Шартль.

Обратные скрещивания предоставляют важную информацию

Затем последовало генетическое картирование, чтобы еще больше сократить все еще большое число 255 генов-кандидатов. Для этой цели самцы меченосцев скрещивались с самками родственного вида, самцы которого потеряли свой меч в ходе эволюции. Потомки мужского пола от этого спаривания имеют мечи разной длины из-за смешения родительских геномов в зависимости от их случайного генетического состава. Секвенирование этих геномов с помощью специальных высокопроизводительных методов позволило затем соотнести определенные сегменты хромосом с образованием меча, а те-со списком генов-кандидатов. Наконец, осталось три гена.

В центре внимания один главный подозреваемый

Ген с научным названием kcnh8 оказался решающим для развития мужского признака. "Этот ген кодирует калиевый канал-группу каналов, которые играют важную роль, в частности, в передаче и обработке стимулов в нервной системе", - сказал Шартль. Новые находки указывают на ген с первичной функцией в нервных клетках, который был набран в ходе эволюции для развития мужского меча около трех-пяти миллионов лет назад, то есть в начале диверсификации рыб-меченосцев. Новая функция обусловлена не структурными изменениями внутри Гена и его продукта, а изменениями в регуляции генов.

Действительно, эксперименты показывают, что kcnh8 в мече во время нормального развития и после лечения мужскими гормонами сильно регулируется в области, где организован меч. Во всех остальных плавниковых областях у самцов и у самок хвостовые плавники выражены слабо. Кроме того, дальнейшие исследования показывают прямую корреляцию между уровнем экспрессии гена kcnh8 и длиной мечей.

ИСТОЧНИК