Ми з тобою однієї крові
Чим пахнуть родичі: генетична лабораторія носа
Тваринам у великих популяціях важливо вміти відрізняти родичів з інших особин. В першу чергу, щоб не допустити близьких схрещування: чим ближче родичі, тим менше між ними генетичних відмінностей і тим вище ймовірність, що вони обидва успадкували від загального предка якусь пошкоджену копію гена.
При схрещуванні таких особин може з'явитися потомство, гомозиготне (що несе дві однакові копії) за цим геном, у якого обидві копії гена будуть пошкоджені, що часто призводить до тяжких захворювань. Цього можна уникнути, схрещуючись із генетично далекими особинами. Така еволюційна стратегія називаєтьсягетеромією, і її дотримується більшість хребетних тварин. Якщо їй не слідувати, у популяції накопичуються неадаптивні ознаки, що призводять до послаблення та загибелі потомства. Це часто ставало проблемою в королівських династіях, де воліли шукати подружжя у родинному колі.
Так, наприклад, у сімействі Габсбургів у результаті послідовних династичних шлюбів виявився ряд аномалій, серед яких знаменита «габсбурзька губа», епілепсія та розумова відсталість.
Брати по білку
Сучасна наука вміє встановлювати спорідненість між організмами, вивчаючи послідовності генів, які кодують ті самі білки. У певному сенсі можна сприймати ці послідовності як тексти, написані мовою нуклеотидів чи амінокислот, і зіставляти їх, підраховуючи кількість відмінностей. Чим їх більше і чим сильніше вони розкидані за текстом, тим далі спорідненість.
Порівняння амінокислотної послідовності білка у різних тварин. Зображення: Torrado M., Mikhailov A., 2000
Щоб не промахнутися, біологи длятаких цілей зазвичай використовують велику групу білків одночасно, або весь геном цілком, або хоча б кілька ключових молекул РНК. Але що робити тваринам, які не мають навичок секвенування?
На допомогу приходить механізм, основною функцією якого є боротьба з бактеріями та вірусами – система гістосумісності. Більшість клітин в організмі хребетної тварини несуть на собі молекулиМНС(major histocompatibility complex,головний комплекс гістосумісності, у людини він називається HLA), які відіграють роль опису внутрішньоклітинного майна. На цих молекулах, як і прищіпках, тримаються невеликі шматочки клітинних білків. За допомогою МНС клітини показують свої білки Т-лімфоцитів, клітин імунної системи, таким чином звітуючи про свій внутрішній вміст. Т-лімфоцити працюють як суворі поліцейські. Вони «знають», що має бути всередині здорової клітини, і, якщо виявляють на клітині МНС з «незнайомою» ним ділянкою білка, знищують її. Цей механізм дозволяє захиститися від клітин, заражених вірусами, – такі клітини виставлятимуть на поверхню вірусні, не властиві організму білки.
Так працюють молекули МНС І типу. Крім того, на деяких клітинах організму (назвемо їх клітинами-шпигунами) присутні молекули МНС II типу. Такі клітини захоплюють білки ззовні, розщеплюють їх у невеликі шматочки і теж виставляють поверхню. Це дозволяє їм сигналізувати Т-лімфоцитів про білки, що плавають навколо крові та тканинної рідини. Чужорідні білки, що знаходяться на МНС II типу, свідчать про зараження організму бактеріями або іншими позаклітинними паразитами.
Таким чином, практично на всіх клітинах організму виставлені молекули МНС, пов'язані з білками (поза або внутрішньоклітинними), і цімолекули є унікальними для кожного організму. Саме вони стають своєрідним білковим паспортом для визначення кревності особин.
Генетично чутливий ніс
Молекули МНС схожі на шматочок об'ємного пазла: на боці, якою вони звернені від клітини, є борозенка для зв'язування фрагментів білка. Саме форма цієї борозенки є унікальною для кожного організму, а отже, до неї будуть прикріплені характерні білкові послідовності. Виходить, що кожна особина зі своїх білків вирізатиме певні ділянки (придатні до борозенки). Ті самі ділянки тих самих білків не зможуть зв'язатися з молекулами МНС іншого організму.
У загальному вигляді процес розпізнавання кревності виглядає так. На своїх клітинах тварина А несе молекули МНС з фрагментами білків. Невелика кількість комплексів «МНС-білок» з тих чи інших причин відокремлюється з поверхні клітин та надходить у кров. При цьому самі молекули МНС ушкоджуються і перестають міцно утримувати білкові фрагменти, які вивільняються, а потім з крові надходять у сечу, слину та піт. Разом з цими рідинами вони виділяються на поверхню тіла, де їх може відчути тварина Б.
У носі тварини Б є нюховий епітелій, клітини якого несуть рецептори, здатні розпізнавати різні ділянки білків. Звідки ці рецептори виникли, чому вони такі різноманітні і як влаштоване розпізнавання, вчені з'ясовують досі. Але відомо, що рецептори розрізняють фрагменти білків, які були пов'язані з власними і з чужими молекулами МНС. До своїх білків вони, мабуть, адаптувалися за час життя і не реагують на них. Але чим чужорідніший фрагмент їм трапляється, тим сильнішою буде відповідь.
Як поводитися зродичами
На підставі унюханої генетичної подібності тварина може побудувати різні стратегії поведінки. Перша – вибір партнера для парування. Зазвичай, цей вибір залишається за самками (принцип Бейтмана), оскільки вони виробляють менше статевих клітин, ніж самці, отже, є обмеженим ресурсом. Найчастіше самки відбирають найбільш генетично далеких партнерів. В результаті не тільки знижується ймовірність близькоспорідненого схрещування, а й збільшується різноманітність комбінацій МНС у популяції. А це, у свою чергу, призводить до підвищення стійкості до паразитів, оскільки зростає шанс, що МНС зможе пов'язати чужорідні білки. Зокрема, у перелітних птахів різноманітність МНС виявилася більшою, ніж у осілих, — на нових місцях регулярно трапляються незнайомі паразити.
Нещодавно вчені виявили другу стратегію поведінки — вибір партнерів для утворення коаліції. Цієї лінії дотримуються переважно самці. І тут переваги виявляються зворотними.
Так, наприклад, самці північноамериканського єнота-полоскуна вибирають генетично близьких особин (уникаючи, втім, прямих родичів) для спільного полювання, охорони території та парування із самками. Найімовірніше, це з тим, що з передачі своїх генів потомству вигідно діяти групою. І зручно, якщо вся ця група несе схожі гени. Тому єноти шукають "своїх" для створення коаліції. А далі серед цієї групи самки обирають найбільш відмінних від себе партнерів для парування. Ці дві протилежні стратегії дозволяють єнотам підтримувати генетичну різноманітність популяції, виживати при регулярних епідеміях сказу і поширюватися інші континенти.