Чем пахнут родственники: генетическая лаборатория в носу

Животным в больших популяциях важно уметь отличать родственников от других особей. В первую очередь, чтобы не допустить близкородственных скрещиваний: чем ближе родственники, тем меньше между ними генетических различий и тем выше вероятность, что они оба унаследовали от общего предка какую-нибудь поврежденную копию гена.

При скрещивании таких особей может появиться гомозиготное (несущее две одинаковые копии) по такому гену потомство, у которого обе копии будут повреждены, что приведет к тяжелым заболеваниям. Этого можно избежать, скрещиваясь с генетически далекими особями. Такая эволюционная стратегия называется гетерогамией, и ее придерживается большинство позвоночных животных [1]. Если ей не следовать, в популяции накапливаются неадаптивные признаки, приводящие к ослаблению и гибели потомства.

Это часто становилось проблемой в королевских династиях, где предпочитали искать супругов в кругу семьи. Так, например, в семействе Габсбургов в результате последовательных династических браков проявился ряд аномалий, среди которых — знаменитая «габсбургская губа», импотенция и умственная отсталость [2]. Похожие проблемы испытывали и другие монархии (среди них — русская и британская), у представителей которых развивалась гемофилия. И несмотря на то, что сейчас появляются стратегии борьбы с подобными наследственными заболеваниями [3], в некоторых замкнутых сообществах эти проблемы по-прежнему могут оставаться актуальными.

Братья по белку

Современная наука умеет устанавливать родство между организмами, изучая последовательности генов, которые кодируют одни и те же белки [4]. В некотором смысле можно воспринимать эти последовательности как тексты, написанные на языке нуклеотидов или аминокислот, и сопоставлять их, подсчитывая количество различий (рис. 1). Чем их больше и чем сильнее они разбросаны по «тексту», тем дальше родство.

Чтобы не промахнуться, биологи для таких целей обычно используют большую группу белков одновременно, или весь геном целиком, или хотя бы несколько ключевых молекул РНК [5]. Но что делать животным, не обладающим навыками секвенирования?

Молекулярный паспорт

На помощь приходит механизм, основной функцией которого является борьба с бактериями и вирусами, — система гистосовместимости. Большинство клеток в организме позвоночного животного несут на себе молекулы МНС (major histocompatibility complex, главный комплекс гистосовместимости, у человека называемый HLA), которые играют роль описи внутриклеточного имущества. На этих молекулах, как на прищепках, держатся небольшие кусочки клеточных белков. С помощью МНС клетки показывают свои белки Т-лимфоцитам (клеткам иммунной системы), таким образом отчитываясь о своем внутреннем содержимом (рис. 2). Т-лимфоциты же работают как суровые полицейские. Они «знают», что должно быть внутри здоровой клетки, и, если обнаруживают на клетке МНС с «незнакомым» им участком белка, то уничтожают ее. Этот механизм позволяет защититься от клеток, зараженных вирусами, — такие клетки будут выставлять на поверхность вирусные, не свойственные организму белки [6–8].

Так работают молекулы МНС I типа. Кроме того, на некоторых клетках организма (назовем их клетками-шпионами) присутствуют молекулы МНС II типа. Такие клетки захватывают белки извне, расщепляют их на небольшие кусочки и тоже выставляют на поверхность. Это позволяет им сигнализировать Т-лимфоцитам о белках, плавающих вокруг в крови и тканевой жидкости. Чужеродные белки, находящиеся на МНС II типа, свидетельствуют о заражении организма бактериями или другими внеклеточными паразитами.

Таким образом, практически на всех клетках организма выставлены молекулы МНС, связанные с белками (вне- или внутриклеточными), и эти молекулы уникальны для каждого организма. Именно они становятся своеобразным белковым паспортом для определения родства особей.

Генетически чувствительный нос

Молекулы МНС похожи на кусочек объемного паззла: на стороне, которой они обращены от клетки, есть бороздка для связывания фрагментов белка. Именно форма этой бороздки уникальна для каждого организма, а, следовательно, к ней будут прикреплены характерные белковые последовательности. Получается, что каждая особь будет из своих белков вырезать определенные участки (подходящие к бороздке). Те же самые участки тех же самых белков не смогут связаться с молекулами МНС другого организма.

В общем виде процесс распознавания родства выглядит следующим образом. На своих клетках животное А несет молекулы МНС с фрагментами белков. Небольшое количество комплексов «МНС—белок» по тем или иным причинам отделяется с поверхности клеток и поступает в кровь. При этом сами молекулы МНС повреждаются и перестают крепко удерживать белковые фрагменты, которые высвобождаются, а затем из крови поступают в мочу, слюну и пот. Вместе с этими жидкостями они выделяются на поверхность тела, где их может почуять животное Б (рис. 3).

В носу животного Б есть обонятельный эпителий, клетки которого несут рецепторы, способные распознавать самые разные участки белков. Откуда эти рецепторы возникли, почему они такие разнообразные и как непосредственно устроено распознавание, ученые выясняют до сих пор [9]. Но доподлинно известно, что рецепторы различают фрагменты белков, которые были связаны с собственными и с чужими молекулами МНС [10]. К своим белкам они, вероятно, адаптировались за время жизни и не реагируют на них. Но чем более чужеродный фрагмент им попадается, тем сильнее будет ответ.

Как вести себя с родственниками

На основании унюханного генетического сходства животное может построить разные стратегии поведения. Первая — выбор партнера для спаривания. Как правило, этот выбор остается за самками (принцип Бэйтмана) [11], так как они производят меньше половых клеток, чем самцы, а следовательно, являются ограниченным ресурсом. Чаще всего самки отбирают наиболее генетически далеких партнеров. В результате не только снижается вероятность близкородственного скрещивания, но и увеличивается разнообразие комбинаций МНС в популяции. А это, в свою очередь, приводит к повышению устойчивости к паразитам, так как растет шанс, что МНС сможет связать чужеродные белки. В частности, у перелетных птиц разнообразие МНС оказалось больше, чем у оседлых, — на новых местах регулярно встречаются незнакомые паразиты [12].

Совсем недавно ученые выявили вторую стратегию поведения — выбор партнеров для образования коалиции [13]. Этой линии придерживаются в основном самцы. И здесь предпочтения оказываются обратными. Так, например, самцы североамериканского енота-полоскуна (рис. 4) выбирают генетически близких особей (избегая, впрочем, прямых родственников) для совместной охоты, охраны территории и спаривания с самками. Вероятнее всего, это связано с тем, что для передачи своих генов потомству выгодно действовать группой. И удобно, если вся эта группа несет похожие гены. Поэтому еноты ищут «своих» для создания коалиции. А дальше среди этой группы самки выбирают наиболее отличных от себя партнеров для спаривания. Эти две противоположные стратегии позволяют енотам поддерживать генетическое разнообразие популяции, выживать при регулярных эпидемиях бешенства и распространяться на другие континенты.

Вопреки расхожим заблуждениям, люди тоже обладают достаточно чутким обонянием. По крайней мере, его хватает для обнаружения партнеров со сходным МНС. Показано, что в условиях эксперимента (например, когда предлагали оценить запах ношеной футболки) женщинам кажется более привлекательным запах далеких по структуре МНС партнеров [14]. Однако в реальной жизни этот критерий, конечно же, не является единственным — на него накладываются другие, в том числе культурные, экономические и социальные (помним о Габсбургах) факторы, которые время от времени мешают отдельным группам людей повторить успех североамериканских енотов.

Первоначальная версия этой статьи опубликована на «Чердаке» [15].

Литература

1. Yuexin Jiang, Daniel I. Bolnick, Mark Kirkpatrick. (2013). Assortative Mating in Animals. The American Naturalist. 181, E125-E138;
2. Gonzalo Alvarez, Francisco C. Ceballos, Celsa Quinteiro. (2009). The Role of Inbreeding in the Extinction of a European Royal Dynasty. PLoS ONE. 4, e5174;
3. Сводка с генотерапевтических фронтов. Новая стратегия нейтрализации гемофилии;
4. Как прочитать эволюцию по генам?;
5. 12 методов в картинках: секвенирование нуклеиновых кислот;
6. Ярилин А.А. Иммунология. М.: «ГЭОТАР-Медиа», 2010. — 752 с.;
7. Иммунитет: борьба с чужими и… своими;
8. Антиген — невидимка;
9. Lavi Secundo, Kobi Snitz, Kineret Weissler, Liron Pinchover, Yehuda Shoenfeld, et. al.. (2015). Individual olfactory perception reveals meaningful nonolfactory genetic information. Proc Natl Acad Sci USA. 112, 8750-8755;
10. Thomas Boehm, Frank Zufall. (2006). MHC peptides and the sensory evaluation of genotype. Trends in Neurosciences. 29, 100-107;
11. Stevan J. Arnold. (1994). Bateman's Principles and the Measurement of Sexual Selection in Plants and Animals. The American Naturalist. 144, S126-S149;
12. Piotr Minias, Linda A. Whittingham, Peter O. Dunn. (2017). Coloniality and migration are related to selection on MHC genes in birds. Evolution. 71, 432-441;
13. Pablo S. C. Santos, Frank-Uwe Michler, Simone Sommer. (2017). Can MHC-assortative partner choice promote offspring diversity? A new combination of MHC-dependent behaviours among sexes in a highly successful invasive mammal. Mol Ecol. 26, 2392-2404;
14. P SANDROCARVALHOSANTOS, J AUGUSTOSCHINEMANN, J GABARDO, M DAGRACABICALHO. (2005). New evidence that the MHC influences odor perception in humans: a study with 58 Southern Brazilian students. Hormones and Behavior. 47, 384-388;
15. Лосева П. (2017). Мы с тобой одной крови. «Чердак».