Otkrivene genetske promjene koje prate selekciju za "dobro ponašanje" kod lisica Belyaev
Čuveni Beljajevljev dugogodišnji eksperiment u uzgoju domaćih (kao i agresivnih) lisica nastavlja se i uzima zamah. Istraživači koriste sve mogućnosti koje pružaju današnje istraživačke tehnologije. U 2018. objavljeno je nekoliko članaka s rezultatima sekvencioniranja genomske DNK i RNK lisice iz njihovog moždanog tkiva. Bilo je moguće identificirati mnoge gene uključene u promjene i podvrgnute pozitivnoj selekciji u različitim linijama. Među njima su bili geni koji se odnose na hormonsku regulaciju, diferencijaciju ćelija neuralnog grebena, formiranje međućelijskih kontakata i sinaptičku signalizaciju u mozgu, kao i geni imuniteta.
Eksperiment pripitomljavanja lisica, koji su 1959. godine započeli Dmitrij Konstantinovič Beljajev i Ljudmila Nikolajevna Trut na farmi krzna Novosibirskog akademskog grada Sibirskog ogranka Akademije nauka SSSR-a, danas je nadaleko poznat ne samo među biolozima, već i među laičkom publikom. O njemu i njegovim privremenim rezultatima napisano je mnogo popularnih članaka (pogledajte linkove na kraju teksta).
Eksperiment je započeo formiranjem uzorka srebrno-crnih lisica uzetih sa farme (lisice su tamo uzgajane za kožu za bunde i sl.). Ideja je bila da se na lisicama reproducira isti proces pripitomljavanja kroz koji su vukovi prošli u prošlosti, čime su nastali domaći psi. U tu svrhu, među potomcima srebrno-crnih lisica, počeli su odabirati lisice koje su pokazivale lojalnost i prijateljstvo prema ljudima.
Za provođenje selekcije odabrana je metoda koja je omogućila da se utvrdi u kojoj mjeri svaku lisicu karakterizira manifestacija straha od osobe ili radoznalosti u odnosu na osobu. Ova jednostavna tehnika sastoji se od analize ponašanja lisica (starih oko 6 mjeseci) za sljedeće situacije:
1) eksperimentator stoji u blizini zatvorenog kaveza, ne pokušavajući privući pažnju životinje;
2) eksperimentator otvara vrata kaveza, stoji u blizini, ali ne započinje komunikaciju;
3) eksperimentator pruža ruku i pokušava dodirnuti različite dijelove tijela životinje;
4) eksperimentator zatvara vrata kaveza i mirno stoji u blizini kaveza.
Video snimci suđenja se zatim analiziraju kako bi se procijenilo ponašanje životinje prema brojnim kriterijima osobina (vidi R. M. Nelson et al., 2016. Genetics of Interactive Behavior in Silver Foxes ( Vulpes vulpes)).
Od najmanje stidljivih lisica dobijeno je potomstvo sljedeće generacije, a zatim je postupak testiranja i selekcije ponovljen. Već u petoj generaciji počele su se pojavljivati pojedinačne jedinke koje su pokazivale privlačnost za komunikaciju s ljudima, uporedivu sa onom kod pasa. S vremenom ih je postajalo sve više, znak "dobre prirode" se pojačavao. Sada sve lisice u ovoj liniji pokazuju tako lojalno i razigrano ponašanje poput psa (uključujući čak i lajanje i "zaštitu" vlasnika) da se neke od njih prodaju kao kućni ljubimci.
Ono što je bilo iznenađujuće u ovom eksperimentu nije samo iznenađujuće brz odgovor na selekciju za ponašanje, već i prateće promjene koje su se počele pojavljivati u fenotipu lisica podvrgnutih selekciji. Ove promjene su se ticale znakova koji na prvi pogled nisu imali nikakve veze s ponašanjem: bijele i crvene mrlje su se počele pojavljivati na koži, lisice su postale promjenjivije u metričkim karakteristikama (kod nekih životinja, skraćivanje dužine njuške i šapa uočeno), kod nekih životinja rep je počeo da se uvija, a pojavile su se i okluzije, odgođeno otvrdnjavanje ušne hrskavice, promjena boje šarenice. Štoviše, lisice su počele doživljavati poremećaje u sezonalnosti reproduktivnog ponašanja, što je važna osobina divljih lisica koja jamči pojavu štenaca u najpovoljnijem godišnjem dobu.
Uzimajući u obzir povećanje varijabilnosti fenotipskih osobina u eksperimentalnim uslovima, Beljajev je uveo koncept "destabilizirajuće selekcije" - za razliku od tipičnijeg za prirodni evolucijski proces "stabilizirajuće selekcije" (ovaj termin je uveden u prvoj polovini XX vijek od II Šmalgauzena), što, naprotiv, čini fenotip stabilnijim. Beljajev je priznao da se povećanje varijabilnosti uočeno u ovom eksperimentu moglo dogoditi u procesu pripitomljavanja vukova, te da bi to moglo dati dobar početak za formiranje sve te raznolikosti pasmina među psima, što ne može a da ne iznenadi, s obzirom da su oni sve vode do početka od jednog zajedničkog pretka - vuka, a ova diverzifikacija pasmina počela je, izgleda, prije ne više od 15 tisuća godina.
Treba dodati da je neko vrijeme nakon početka eksperimenta (naime, od 1970. godine) dodana druga linija lisica. Naprotiv, odabrani su zbog maksimalne agresivnosti i nepovjerenja prema ljudima. Dok se ponašanje lisica kao odgovor na selekciju u skladu s tim mijenjalo, neke od vanjskih fenotipskih osobina u ovoj liniji počele su konvergirati s odgovarajućim osobinama u liniji dobroćudnih lisica, iako ne tako primjetno. Istovremeno, paralelno se vodi i kontrolna linija lisica u kojoj se ne vrši selekcija - iu ovoj liniji nisu uočena posebna odstupanja od početnog fenotipa srebrno-crnih lisica farmera. Paralelno održavanje tri linije omogućava komparativne analize, eksperimente ukrštanja u cilju pronalaženja genetskih lokusa povezanih sa promjenama. Veličina populacije svake linije se konstantno održava na oko 200 jedinki. Organizacija eksperimenta podrazumijeva poduzimanje mjera za izbjegavanje prekomjernog inbreedinga između životinja (ovo bi moglo dovesti do izobličenja rezultata zbog pojačanih efekata genskog drifta i smanjenja vitalnosti potomstva).
Postoji dosta opcija za objašnjenje pratećih promjena u osobinama koje nisu direktno povezane s ponašanjem. Na primjer:
1) Efekti uparivanja povezanih polimorfizama (ovaj mehanizam se naziva i genetsko autostopiranje, vidi Genetsko autostopiranje).
2) Pleiotropno djelovanje odabranih gena. Konkretno, postoje geni koji regulišu stanje hromatina (radni ili neradni) metilacijom DNK ili modifikacijom histona – takvi geni mogu promijeniti rad velikog broja drugih gena. Sličan efekat se očekuje za gene uključene u alternativno spajanje ili intracelularnu signalizaciju.
3) Adaptivni kompromisi, koji se izražavaju u činjenici da direktna selekcija kod nekih karaktera indirektno stvara novi vektor selekcije za druge karaktere koji su funkcionalno povezani sa prvim u ontogenezi.
4) Slučajna pojava i očuvanje novih osobina zbog povećane uloge drifta gena (na primjer, zbog relativno male veličine populacija). Međutim, ovo objašnjenje ovdje jedva da ima veliku težinu – uostalom, na kontrolnoj liniji nisu uočene nikakve značajne promjene.
5) Ne može se isključiti povećanje ukupne učestalosti mutacija, uzrokovano npr. fiksacijom pod uticajem selekcije mutacija, što umanjuje tačnost replikacije ili popravke DNK.
Beljajev je ponudio svoje originalno objašnjenje za uočeni fenomen. Njegova hipoteza je bila da intenzivna selekcija ponašanja održava višestruke mutacije koje mijenjaju ravnotežu hormona u tijelu. Opšte je poznato da hormoni igraju ogromnu ulogu u određivanju temperamenta i emocionalnog stanja i kod ljudi i kod životinja. Ove mutacije će vjerovatno imati pleiotropni učinak, utičući, između ostalog, na obezbjeđivanje morfogenetskih procesa u toku individualnog razvoja. Na primjer, hormonski sistem štitnjače ima širok spektar efekata. Moguće je da ove mutacije onemogućuju mehanizme koji inače obezbjeđuju stabilnost (kanalizaciju) morfogeneze, što dovodi do efekta destabilizacije fenotipa. Ovu hipotezu podržava slaba heritabilnost nekih od navedenih fenotipskih abnormalnosti. Štenci jednog para lisica vrlo su raznoliki po izgledu i karakteru.
Hipoteza sugeriše da mutacije fiksirane tokom selekcije utiču na one gene koji kontrolišu sazrevanje ćelija nervnog grebena kod kičmenjaka (videti: „Četvrti zametni sloj“ kičmenjaka nastao od nižih hordata, „Elementi“, 04.02.2015. ). Ove ćelije, diferencirajući se, prije svega, sudjeluju u formiranju kore nadbubrežne žlijezde, gdje se proizvode hormoni poput adrenalina, koji posebno utiču na izazivanje i realizaciju reakcija straha kod životinja. Drugo, ćelije ušne hrskavice i neke kosti lubanje, uključujući vilicu, pigmentne ćelije u koži životinje, ćelije šarenice i osetljive ćelije unutrašnjeg uha, takođe potiču iz nervnog grebena. Logično je da iste mutacije u genima koji kontrolišu razvoj ćelija nervnog grebena mogu imati kompleksan uticaj na sve ove osobine. U ovom slučaju pretpostavlja se da mutacije dovode do inhibicije diferencijacije ili migracije ćelija neuralnog grebena i njihovog nedostatka u onim tkivima u kojima bi one na kraju trebale da deluju. Ulazeći u različite kombinacije prilikom križanja odabranih lisica, ove mutacije dovode do uočene raznolikosti fenotipova.
Genetska osnova uočenih promjena ponašanja lisica potvrđena je eksperimentima s prijenosom embrija ili zamjenom štenaca između ženki različitih sojeva („loših“ i „dobrih“) – takve razmjene ne eliminišu razlike u ponašanju koje su nastale tokom selekcije (AV Kukekova et al., 2008. Mjerenje ponašanja segregacije u eksperimentalnim pedigreima srebrne lisice). A u nedavnom radu, znanstvenici su identificirali veliki broj genetskih lokusa povezanih s 98 bihevioralnih kriterija-znakova i pokazali da su ove asocijacije komplikovane epistatičkim utjecajima ovisno o kombinatorici alelnih varijanti (HM Rando et al., 2018. Konstrukcija hromozomskih fragmenata crvene lisice iz sklopa genoma kratkog čitanja).
Postoji nešto izvanredno u cijeloj ovoj priči: eksperiment je započeo kada je tehnologija za molekularna istraživanja još bila vrlo primitivna. Bilo je nemoguće u potpunosti testirati određene hipoteze. Ali eksperiment je, zahvaljujući Ljudmili Nikolajevnoj Trut i drugim zaposlenima Instituta za citologiju i genetiku SB RAS, nastavljen čak i nakon Belyaevljeve smrti 1985. i traje do danas. Tokom svih ovih godina, eksperiment je urodio plodom u vidu redovnih publikacija, neminovno privlačeći pažnju ne samo ruskih, već i stranih stručnjaka koji rade na polju genetike, razvojne biologije i evolucione biologije. Pojavom novih tehnologija sekvenciranja, koje su svake godine sve efikasnije i dostupnije, naučnici su uspjeli da istraže molekularno genetsku osnovu uočenih fenotipskih promjena kod životinja. I to je, naravno, urađeno. Proširenju istraživanja doprinijela je i saradnja uspostavljena od 2011. godine sa inostranim laboratorijama.
Tokom 2018. godine, u okviru ove studije, objavljena su čak tri članka u vodećim naučnim časopisima. U nastavku ćemo raspravljati o rezultatima predstavljenim u ovim radovima.
Tatiana Romanovskaya
