Альфред Стертевант, который придумал генетическое картирование еще будучи студентом, опубликовал первые доказательства хромосомных инверсий в 1921 году [1]. Он предположил, а впоследствии доказал, их существенного влияния на наследственность: у гетерозигот по инверсии подавляется рекомбинация. В течении полувека после этого, во многом вдохновленная Добржанским и его сотрудниками, большая часть экспериментальной популяционной генетики занималась изучением богатого полиморфизма внутри видов и зафиксированных различий по инверсиям между видами дрозофиллы. Начиная с 1970-х эта наука в значительной степени погрузилась в анализ данных, полученных из биохимии и затем и из молекулярной генетики. Но инверсиями вскоре вновь заинтересовались. Сравнительная геномика показала, что хромосомы являются намного более гибкими структурами, чем мог предположить Добржанский. Там где классическая генетика могла идентифицировать девять инверсий, отличающих людей и шимпанзе, сравнение последовательностей их геномов выявило порядка 1500 [3] (рис. 1). Несмотря на важность инверсий как одного из главных механизмов реорганизации генома, мы, спустя почти 100 лет после открытия Стертеванта, по прежнему, недостаточно знаем о том, как и почему они происходят. Инверсии происходят когда хромосома разрывается в двух точках и сегмент, ограниченный точечными разрывами, заново встраивается, но уже в перевернутом состоянии. Несколько молекулярных механизмов могут обеспечивать это явление [4]. Во Вкладке 1 дано описание некоторых базовых свойств и путей их детекции.
Во многих случаях, генетическая информация у инвертированных и не инвертированных хромосом практически не отличается – меняется лишь последовательность в которой расположены основания ДНК. Этот факт ставит перед биологами, изучающими эволюцию, интригующий вопрос: если инвертированные хромосомы несут (почти всегда) ту же генетическую информацию, что и не инвертированные, что заставляет их распространяться в популяции? С этого мы начнем описание тех эволюционных механизмов, которые влияют на появление инверсий. Далее будет обсуждаться важность инверсий в эволюции половых хромосом, видообразовании и адаптации к условиям внешней среды. В завершении мы увидим, как некоторые из этих аспектов освещены в интересном исследовании, которое также опубликовано в этом номере PLoS Biology.
Вкладка 1. Что такое хромосомные инверсии?
Инверсии – многообразный класс хромосомных мутаций. Большинство из них – небольшие (< 1 кБ). Другие, например знаменитая 3RP инверсия Drosophila melanogaster, имеют размер в несколько мегабаз, включая в себя несколько процентов всего генома и разворачивающая сотни или тысячи генов [10].
Инверсии делят на два класса: перицентрические инверсии, захватывающие центромеру и парацентрические – не захватывающие. При перицентрических инверсиях одиночный кроссовер, произошедший между двумя точечными разрывами приводит к образованию несбалансированных гамет, которые несут делеции, инверсии и могут иметь одну или две центромеры. Это может снизить фертильность, сделав инверсии субдоминантными (пониженная жизнеспособность гетерозигот). Некоторые перицентрические инверсии несомненно избегают снижения жизнеспособности в гетерозиготном состоянии, вероятно благодаря тому, что они тем или иным образом подавляют рекомбинацию [33]. Несмотря на всё это, небольшое количество возникающих перицентрических мутаций закрепляются в потомстве. Существуют большие систематические различия между таксонами в частоте мутаций и их влиянии на жизнеспособность. К примеру, гетерозиготы по инверсиям у растений гораздо чаще имеют пониженную жизнеспособность, чем у животных [10].
В то же время, многие парацентрические инверсии, найденные в природе, не испытывают негативного влияния субдоминантности. Это, вероятно, главная причина, почему их обнаруживается на несколько порядков больше, нежели перицентрических инверсий, как внутри вида, так и при анализе закрепившихся отличий между видами [33].
Инверсии были впервые показаны на гигантских политенных хромосомах слюнных желез мух и Двукрылые по-прежнему остаются группой в которой крупные инверсии могут быть легко обнаружены. Методики окрашивания хромосом способны визуализировать инверсии у некоторых других групп, включая млекопитающих, но с намного меньшим разрешением (и с большим трудом). Предположить наличие инверсии можно, когда при каком-то скрещивании стабильно наблюдается отсутствие рекомбинации в части генома, но подобные наблюдения требуют наличия картированных генетических маркеров. Секвенирование – третий путь, который позволяет выявить инверсии. Секвенирование коротких последовательностей, характерное для современных высокопроизводительных методов секвенирования, удобно в тех случаях, когда уже известны точки разрыва, но эта технология малоприменима для поиска новых инверсий.
Инверсии и рекомбинация
Ключевой эволюционный эффект инверсий состоит в том, что, в гетерозиготном состоянии, они подавляют рекомбинацию (рис. 2). Подавление возникает вследствие потери несбалансированных гамет, которые возникают при рекомбинации (Вкладка 1), невозможности слияния инвертированных регионов у гетерозигот, а также возможно каких-то других, еще неизвестных механизмов. Крупные инверсии в гетерозиготном состоянии дают низкие (но всё же положительные) показатели рекомбинации, что объясняется двойным кроссинговером и конверсией генов, но эти показатели на несколько порядков меньше, чем у гомозигот. Тем не менее, когда речь идет о промежутках в 105 поколении и более, даже при очень ограниченной рекомбинации, мутации становятся важным источником генетического разнообразия внутри инвертированных участков, которые берут начало от одной хромосомы и следовательно не различаются вне зависимости от того когда они впервые возникли.
Единственный путь визуализировать эволюционные свойства инверсий – это проведение аналогий. Следует учесть, с одной стороны, сходство популяций с инвертированными и не инвертированными хромосомами, и, с другой стороны, сосуществование двух биологических видов. Внутри каждого вида имеет место нормальное Менделевское наследование. Между ними, однако, имеет место небольшой генетический обмен, благодаря редким случаям межвидовой гибридизации (причем в редких случаях возможна рекомбинация между инвертированной и неинвертированной хромосомой). Экологическая конкуренция между двумя видами (например при различии в жизнеспособности видов с двумя формами хромосомы) может привести либо к сосуществованию двух видов (то есть к устойчивому полиморфизму) или к вытеснению одного вида другим (то есть к фиксации одной из форм хромосомы).