Мы с тобой одной крови

Чем пахнут родственники: генетическая лаборатория в носу

Портрет Карла II, последнего из испанских Габсбургов. Сильно выдвинутая нижняя челюсть (по научному — мандибулярный прогнатизм) и непропорционально большая голова считаются признаком вырождения династии. Хуан Карреньо де Миранда / мэрия Севильи, Испания
Портрет Карла II, последнего из испанских Габсбургов. Сильно выдвинутая нижняя челюсть (по научному — мандибулярный прогнатизм) и непропорционально большая голова считаются признаком вырождения династии. Хуан Карреньо де Миранда / мэрия Севильи, Испания

Чем больше популяция животных, тем важнее не потеряться в ней и вовремя опознать «своего». В мире позвоночных принято различать своих родственников и чужаков по запаху и на основе этого выстраивать стратегию взаимодействия с ними. Попробуем разобраться в том, чем запах связан со степенью родства, как ее распознать и почему североамериканским енотам удалось то, что не получилось у династии Габсбургов.

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 потомство, гомозиготное (несущее две одинаковые копии) по этому гену, у которого обе копии гена будут повреждены, что часто приводит к тяжелым заболеваниям. Этого можно избежать, скрещиваясь с генетически далекими особями. Такая эволюционная стратегия называется гетерогамией, и ее придерживается большинство позвоночных животных. 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», эпилепсия и умственная отсталость.

Братья по белку

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

Сравнение аминокислотной последовательности белка у разных животных. Изображение: Torrado M., Mikhailov A., 2000

Чтобы не промахнуться, биологи для таких целей обычно используют большую группу белков одновременно, или весь геном целиком, или хотя бы несколько ключевых молекул РНК. 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 он называется 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. 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.

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 пазла: 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. Животное, А на своих клетках 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.

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. Но доподлинно известно, что рецепторы различают фрагменты белков, которые были связаны с собственными и с чужими молекулами МНС. 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), 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.

Совсем недавно ученые выявили вторую стратегию поведения — выбор партнеров для образования коалиции. Этой линии придерживаются в основном самцы. И здесь предпочтения оказываются обратными.

Североамериканские еноты-полоскуны Procyon lotor. Фото: Steffen Foerster / Фотодом / Shutterstock

Так, например, самцы североамериканского енота-полоскуна 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 предлагается оценить запах ношеной футболки) женщинам кажется более привлекательным запах далеких по структуре МНС партнеров. 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.

Полина Лосева
Теги:

Читать еще на Чердаке: