Proč hybridy nemohou produkovat potomky?

Výzkumníci z Novosibirsku Akademgorodok a Petrohradu studovali mechanismus sterility kříženců hrabošů rodu Microtus. Biologové zkřížili pět druhů hrabošů a zjistili, že všichni kříženci samců nejsou schopni produkovat potomky. Studie mechanismů sterility prokázaly, že u zvířat je proces tvorby spermií narušen nesprávnou kombinací chromozomů při dělení buněk. Studie byla publikována v časopise Hranice v genetice.

Hlavním základem pro separaci druhů pro organismy s pohlavním rozmnožováním je reprodukční izolace, která dvěma jedincům různých druhů buď vůbec neumožňuje produkovat potomstvo, nebo umožňuje produkovat pouze sterilní hybridy. K reprodukční izolaci může dojít z různých důvodů. U zvláště evolučně vzdálených živočišných druhů mohou být překážkou vzájemného křížení odlišná stanoviště, rozdíly v chování nebo dokonce nekompatibilita reprodukčních systémů samců a samic. Pokud se páru podaří setkat se a dosáhnout oplodnění, další fází je vývoj ze zygoty a další přežití embrya. Sterilní však mohou být i podmíněně zdravé potomky od dvou jedinců různých druhů – pak je zachována reprodukční izolace.

Nejčastěji je schopnost křížit se a produkovat potomstvo zachována u druhů, které se v poslední době během procesu evoluce rozcházely. Sterilita u jejich hybridů nastává kvůli neschopnosti správně tvořit zárodečné buňky během procesu meiózy. Donedávna bylo zvykem svádět to na přestavby v místech spojených se zavedením dvouřetězcových zlomů do DNA během rekombinace v meióze. Vzhledem k tomu, že dvouvláknové zlomy jsou na chromozomech umístěny asymetricky, nemohou se normálně rekombinovat.

Vědci z Novosibirského institutu cytologie a genetiky v Novosibirsku a Ústavu zoologie v Petrohradě pod vedením Tatiany I. Bikchuriny a Fedora N. Golenishcheva studovali pět druhů hrabošů rodu Microtus. Jedná se o nejrozmanitější rod hrabošů, který u nich umožňuje studovat mechanismy speciace a reprodukční izolace. Vědci zkřížili pět druhů hrabošů v párech a získali potomky v každém z devíti párů. Pro testování plodnosti hybridních potomků byla zvířata křížena s jedinci rodičovského druhu. Ukázalo se, že všichni samčí kříženci byli sterilní. Navíc mezi páry M. kermanensis × M. arvalis и M. kermanensis × M. transcaspicus Dokonce i samice se ukázaly být sterilní, což potvrzuje genetické oddělení těchto párů.

Aby vědci zjistili, jak a proč jsou hybridní samci sterilní, studovali jejich proces produkce spermií. Za tímto účelem byla provedena histologická analýza samčí testikulární tkáně: byl spočítán počet buněk v různých fázích tvorby zárodečných buněk a byly také pozorovány patologie. Ze všech devíti hybridů spermatogeneze pokročila k tvorbě zralých spermií u tří druhů (avšak výsledné buňky se nezdály normální). U zbývajících hybridů se tvorba zárodečných buněk zastavila v předchozích fázích vývoje (spermatidy, spermatocyty I, spermatogonie).

Aby biologové určili příčiny poruch, studovali proces dělení prekurzorových buněk spermií: zkontrolovali synapsi chromozomů, rekombinaci DNA mezi párovými chromozomy a také epigenetické znaky genomů. K tomuto účelu bylo použito imunobarvení – pro každý z markerových proteinů byla vybrána odpovídající protilátka napojená na fluorescenční značku. Tímto způsobem byla označena různá stádia meiózy, zlomy dvouřetězcové DNA (jedno ze stádií rekombinace), rekombinační uzly a nepárový chromatin (narušené dělení, „tichý“ chromatin).

Barvení ukázalo, že u většiny zvířat je proces párování chromozomů narušen a čím jsou rodičovské druhy hybridů evolučně vzdálenější, tím hůře se jejich chromozomy párují a tím více chromatin podléhá umlčování. Například evolučně blízko M. kermanensis и M. rossiaemeridionalis vykazovaly normální párování chromozomů, s výjimkou menších poruch ve vazbě malých homologů. Zatímco evolučně vzdálený M. kermanensisa a M. transcaspicus nebyly během meiózy zcela schopny tvořit páry chromozomů.

Vědcům se tak podařilo nejen ukázat, že všech pět druhů hrabošů již v evoluci prošlo procesem reprodukční izolace, ale také osvětlit mechanismy hybridní sterility samců obecně. V této práci nebylo příčinou hybridní sterility přeskupení rekombinačních míst, ale neschopnost chromozomů vytvořit pár. Když existovalo velké množství nepárových oblastí, biologové pozorovali intenzivní signál z markeru nepárového chromatinu – jehož geny byly umlčeny buněčnými systémy. Tento regulační systém umožňuje balení nepárových pohlavních chromozomů během normálního buněčného dělení. V případě hybridů však může ovlivnit důležité vývojové geny, což způsobuje neschopnost produkovat spermie.

Myši často přitahují zájem evolučních biologů. Nedávno například provedli rozsáhlou studii, která měla zjistit důvody vyhynutí mnoha australských hlodavců. Nečekaně zjistili, že myš Gouldova, považovaná od poloviny 19. století za vyhynulou, přežila dodnes – i když pod jiným jménem a jen na pár ostrovech u pobřeží Západní Austrálie.

U sterilních hybridů získaných křížením různých druhů si chromozomy nemohou správně vyměňovat genetickou informaci během tvorby zárodečných buněk.

Nový druh zvířete nebo rostliny se získá, když je dříve sjednocená populace oddělena nepřekonatelnou bariérou. Bariéry mohou být geografické – například pokud část původní velké populace migrovala příliš daleko a nechtěla se vrátit; nebo se pohoří náhle rozdělilo na několik částí a někteří jedinci se ocitli odděleni od zbytku (řekněme na ostrově, během formování mořského průlivu).

Homologní chromozomy se po překřížení oddělí. (Foto od Clouds Hill Imaging Ltd./CORBIS.)

Schéma jedné z variant křížení – výměny úseků v páru homologních chromozomů. (Ilustrace z Wikipedie (Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=585550).)

Bariéry mohou být environmentální, kdy všichni žijí ve stejné oblasti, ale někteří se přestěhují do jiné ekologické niky (například změní stravu na trochu jinou, nebo začnou žít na jiných stromech atd.). Samozřejmě zde značně zjednodušujeme skutečný stav věcí a evoluční biologové nyní vědí o spletitosti speciace docela dost, nicméně tak či onak je výsledek stejný – v oddělené „kolonii“ se hromadí genetické rozdíly. , které určují identitu nového druhu. I když k opětovnému shledání dojde později, zástupci staré populace a „kolonisté“ nebudou schopni produkovat plodné potomky, vše skončí v první generaci (i když samotný hybrid může být docela životaschopný – pamatujte na muly a hinnie).

Jak souvisí speciace s hybridní sterilitou? Na jedné straně může být problém v počtu chromozomů. Během oplodnění se v oplodněném vajíčku spojí otcovské chromozomy s mateřskými: u člověka to například vyjde 23 plus 23 a v důsledku toho je diploidní chromozom u člověka 46. Ale když vezmete kůň a osel, pak mají 64 a 62 chromozomů, to znamená, že mezek (nebo hinny) získá 31 chromozomů od jednoho rodiče a 32 od druhého.

Co se děje? Během normálního buněčného dělení jsou všechny chromozomy duplikovány a poté rozptýleny do dceřiných buněk (tento typ dělení se nazývá mitóza). Když se tvoří pohlavní buňky, dochází k dělení-meióze a zpočátku nedochází k žádnému zdvojení – sada chromozomů je rozptýlena mezi dceřiné buňky, takže všechny spermie a vajíčka obdrží náhodnou směs otcovských a mateřských chromozomů.

Ale v případě hybrida, který dostal od svého otce nebo matky nestejný počet chromozomů, vyplývá následující: některé chromozomy nemají „partnery“ od druhého rodiče a při tvorbě zárodečných buněk díky takovým „samotářům“ ,“ je narušena distribuce sady chromozomů, takže výsledná zárodečná buňka je k ničemu. (Všimněte si, že neplodnost, která postihuje muly a mezky, 100% postihuje pouze samce; potomky lze získat od jejich samic jejich křížením se „skutečnými“ koňmi a osly.)

Neplodní kříženci se však vyskytují i tehdy, mají-li oba rodiče stejnou sadu chromozomů. Předpokládá se, že na vině je vlastní odlišnost chromozomů. Když se prekurzorová buňka spermie nebo vajíčka dělí, otcovský a mateřský chromozom se dočasně přiblíží k sobě – tento proces se nazývá konjugace. Po sblížení si vymění své vlastní fragmenty, to znamená, že fragment z mateřského chromozomu je všit do otcovského chromozomu a fragment z otcovského chromozomu je naopak přenesen do něj – dochází k takzvanému křížení. (Navíc zkopírovaná sekvence DNA nahradí tu, která byla v chromozomu předtím.) Přenesené části mohou být velmi, velmi rozsáhlé. V případě sterilních hybridů nemohou chromozomy správně konjugovat a vyměňovat sekvence. Ale co se tady děje na molekulární úrovni?

V článku publikovaném v Příroda, tým oxfordských vědců popisuje, jak gen funguje Prdm9. Dlouho se ví, že to nějak souvisí s neplodností hybridů a že to do jisté míry lze nazvat speciačním genem. Je také známo, že protein kódoval Prdm9, váže se na chromozomy. Benjamin Davis (Ben Davies) a jeho kolegové vzali hybridní myši, které byly získány křížením dvou divokých poddruhů ze západní a východní Evropy a které byly neplodné, a nahradili u těchto hybridů fragment genu odpovědného za interakci s DNA – byl odstraněn kousek myší DNA, a na jeho místo byl vložen kus od člověka Prdm9. A hybridním zvířatům se vrátila plodnost.

Protein Prdm9 při crossoveru (tedy když si rodičovské chromozomy vyměňují své části) je potřeba k označení míst v DNA, kde je potřeba provést řez – bez řezu nedojde k výměně. Je jasné, že v mateřském a otcovském chromozomu si musí přesně odpovídat, a proto protein současně drží oba chromozomy. Jak však ukázaly experimenty, Prdm9 se u hybridních myší váže buď na jeden chromozom z páru, nebo na druhý, ale nikdy ne na oba.

Přestože podobnost mezi chromozomy získanými hybridy od rodičů z různých poddruhů dosáhla více než 98 %, protein je stále „odmítal“ rozpoznat – a zároveň s nimi interagovat. S největší pravděpodobností se při pokusu o výměnu jejich fragmentů kvůli nedostatku markerového proteinu na chromozomech vše pokazilo a neživotaschopné kopie genomu skončily v zárodečných buňkách. Neschopni produkovat plodné hybridy, jejich rodiče, kteří patří k různým (ačkoli sdílejí společnou hranici) populacím, budou nadále hromadit rozdíly v genomech.

Pokud by potomci z jejich křížení byli plodní, pak by vznikající mutace, přecházející z generace na generaci, spadly do společné genetické „prasátka“ jednoho druhu. Díky Prdm9 se však hybridi stali sterilními – můžeme říci, že tento gen v molekulárním smyslu vlastně velí začátek speciace.

Na druhou stranu, lidský Prdm9 byl schopen problém vyřešit – protože byl z velmi vzdáleného druhu Homo sapiens, pro něj rozdíly mezi chromozomy myších druhů nehrály žádnou roli. Z toho na jednu stranu vyplývá, že speciace lze zvrátit, pokud gen Prdm9 mutuje a v důsledku mutace bude schopen znovu správně propojit chromozomy za účelem výměny genetického materiálu.

Na druhou stranu je zřejmé, že Prdm9 je důležité neustále zůstat u „svého“ genomu: ke změnám v dědičném materiálu dochází vždy u každého, ale pokud není populace rozdělena, vše se jakoby vaří ve společném genetickém „kotli“ a dochází k velmi malým změnám v sekvenci DNA pro Prdm9 docela překonatelné. Pokud však chromozomy u různých jedinců náhle překročí určitý práh vzájemných rozdílů, pak protein Prdm9 učiní jedince, u kterého se takové chromozomy sbíhají, neplodným.

Samozřejmě ještě musíme přijít na to, jak se gen samotný mění Prdm9 jak časem pociťuje rozdíl mezi sadami chromozomů, zda existuje podobný mechanismus (a podobný protein) v jiných skupinách živých bytostí atd., nicméně není pochyb o tom, že se získanými výsledky biologové učinili významné pokrok v pochopení molekulárních mechanismů vzniku nových druhů.

Autor: Kirill Staševič