Enthüllte genetische Veränderungen, die die Selektion für "gutes Benehmen" bei Füchsen Belyaev . begleiten
Belyaevs berühmtes Langzeitexperiment zur Zucht von domestizierten (und aggressiven) Füchsen geht weiter und gewinnt an Fahrt. Forscher schöpfen alle Möglichkeiten aus, die die heutigen Forschungstechnologien bieten. Im Jahr 2018 wurden mehrere Artikel mit den Ergebnissen der Sequenzierung von genomischer DNA und RNA von Fuchs aus ihren Hirngeweben veröffentlicht. Es konnten viele Gene identifiziert werden, die an Veränderungen beteiligt sind und in verschiedenen Linien positiv selektiert werden. Darunter waren Gene, die mit der hormonellen Regulation, der Differenzierung von Neuralleistenzellen, der Bildung von interzellulären Kontakten und der synaptischen Signalübertragung im Gehirn zusammenhängen, sowie Immunitätsgene.
Das Experiment zur Fuchsdomestikation, das 1959 von Dmitry Konstantinovich Belyaev und Lyudmila Nikolaevna Trut auf der Pelzfarm der akademischen Stadt Nowosibirsk des sibirischen Zweigs der Akademie der Wissenschaften der UdSSR begann, ist heute nicht nur unter Biologen, sondern auch weit bekannt unter der Laienöffentlichkeit. Über ihn und seine Zwischenergebnisse wurden viele populäre Artikel geschrieben (siehe Links am Ende des Textes).
Das Experiment begann mit der Bildung einer Probe von silber-schwarzen Füchsen, die von der Farm genommen wurden (Füchse wurden dort für Felle für Pelzmäntel usw. gezüchtet). Die Idee war, auf Füchsen den gleichen Domestikationsprozess zu reproduzieren, den Wölfe in der Vergangenheit durchliefen, was zu Haushunden führte. Zu diesem Zweck begannen sie, unter den Nachkommen silber-schwarzer Füchse Fuchsjunge auszuwählen, die Loyalität und Freundlichkeit gegenüber den Menschen zeigten.
Zur Durchführung der Selektion wurde eine Methode gewählt, die es ermöglichte festzustellen, inwieweit jeder Fuchs durch eine Manifestation von Angst vor einer Person oder Neugierde gegenüber einer Person gekennzeichnet ist. Diese einfache Technik besteht darin, das Verhalten von Füchsen (ca. 6 Monate alt) für die folgenden Situationen zu analysieren:
1) der Experimentator steht in der Nähe eines geschlossenen Käfigs und versucht nicht, die Aufmerksamkeit des Tieres auf sich zu ziehen;
2) der Experimentator öffnet die Käfigtür, steht in der Nähe, initiiert aber keine Kommunikation;
3) der Experimentator streckt seine Hand aus und versucht, verschiedene Körperteile des Tieres zu berühren;
4) Der Experimentator schließt die Käfigtür und steht ruhig neben dem Käfig.
Die Videoaufzeichnungen des Versuchs werden dann analysiert, um das Verhalten des Tieres anhand einer Reihe von Merkmalskriterien zu bewerten (siehe R. M. Nelson et al., 2016. Genetics of Interactive Behavior in Silver Foxes ( Vulpes vulpes)).
Von den am wenigsten scheuen Füchsen wurden die Nachkommen der nächsten Generation gewonnen, und dann wurde das Test- und Auswahlverfahren erneut wiederholt. Bereits in der fünften Generation traten einzelne Individuen auf, die eine dem Hund vergleichbare Anziehungskraft auf die Kommunikation mit dem Menschen zeigten. Im Laufe der Zeit wurden diese immer mehr, das Zeichen der „Gutmütigkeit“ verstärkt sich. Jetzt zeigen alle Füchse dieser Linie ein so hundetreues und verspieltes Verhalten (einschließlich Bellen und "Beschützen" des Besitzers), dass einige von ihnen als Haustiere verkauft werden.
Überraschend an diesem Experiment war nicht nur die überraschend schnelle Reaktion auf die Verhaltensselektion, sondern auch die damit einhergehenden Veränderungen im Phänotyp der selektierten Füchse. Diese Veränderungen betrafen Anzeichen, die auf den ersten Blick nichts mit dem Verhalten zu tun hatten: Es begannen weiße und rote Flecken auf der Haut zu erscheinen, Füchse wurden variabler in den metrischen Merkmalen (bei einigen Tieren eine Verkürzung der Länge von Schnauze und Pfoten wurde beobachtet), bei einigen Tieren begann sich der Schwanz zu kräuseln und es traten Verletzungen auf, Okklusion, verzögerte Verhärtung des Ohrknorpels, Verfärbung der Iris. Darüber hinaus traten bei Füchsen Störungen in der Saisonalität des Fortpflanzungsverhaltens auf, ein wichtiges Merkmal für Wildfüchse, das das Auftreten von Welpen in der günstigsten Jahreszeit garantiert.
Unter Berücksichtigung der Zunahme der Variabilität der Phänotypmerkmale unter experimentellen Bedingungen führte Belyaev das Konzept der "destabilisierenden Selektion" ein - im Gegensatz zum typischeren natürlichen evolutionären Prozess "stabilisierende Selektion" (dieser Begriff wurde in der ersten Hälfte des 20 von II Shmalgauzen), was im Gegenteil den Phänotyp widerstandsfähiger macht. Belyaev räumte ein, dass die in diesem Experiment beobachtete Zunahme der Variabilität auch bei der Domestikation von Wölfen auftreten könnte, und dass dies einen guten Anfang für die Bildung all dieser Rassenvielfalt unter Hunden geben könnte, was nur überraschen kann, da sie alle führen zum Anfang von einem gemeinsamen Vorfahren - dem Wolf, und diese Diversifizierung der Rassen begann anscheinend vor nicht mehr als 15.000 Jahren.
Es sollte hinzugefügt werden, dass einige Zeit nach Beginn des Experiments (nämlich ab 1970) eine zweite Linie von Füchsen hinzugefügt wurde. Im Gegenteil, sie wurden für maximale Aggressivität und Misstrauen gegenüber Menschen ausgewählt. Während sich das Verhalten der Füchse als Reaktion auf die Selektion entsprechend änderte, begannen sich einige der äußeren phänotypischen Merkmale dieser Linie mit den entsprechenden Merkmalen der gutmütigen Füchse zu konvergieren, wenn auch nicht so auffällig. Gleichzeitig wird auch eine Kontrolllinie von Füchsen durchgeführt, in der keine Selektion vorgenommen wird - und in dieser Linie werden keine besonderen Abweichungen vom ursprünglichen Phänotyp der Farm-Silber-Schwarz-Füchse festgestellt. Die parallele Pflege von drei Linien ermöglicht vergleichende Analysen und Kreuzungsexperimente, die darauf abzielen, genetische Loci zu finden, die mit Veränderungen verbunden sind. Die Populationsgröße jeder Linie wird konstant bei etwa 200 Individuen gehalten. Die Organisation des Experiments erfordert Maßnahmen, um eine übermäßige Inzucht zwischen Tieren zu vermeiden (dies könnte zu einer Verzerrung der Ergebnisse aufgrund der verstärkten Auswirkungen der Gendrift und einer Verringerung der Lebensfähigkeit der Nachkommen führen).
Es gibt einige Möglichkeiten, die damit einhergehenden Veränderungen von Merkmalen zu erklären, die nicht direkt mit dem Verhalten zusammenhängen. Zum Beispiel:
1) Die Auswirkungen von Matching-Linked-Polymorphismen (dieser Mechanismus wird auch als genetisches Trampen bezeichnet, siehe Genetisches Trampen).
2) Pleiotrope Wirkung der ausgewählten Gene. Insbesondere gibt es Gene, die durch DNA-Methylierung oder Histon-Modifikation den Zustand von Chromatin (funktionierend oder nicht-funktionierend) regulieren – solche Gene können die Arbeit einer Vielzahl anderer Gene verändern. Ein ähnlicher Effekt wird für Gene erwartet, die am alternativen Spleißen oder der intrazellulären Signalübertragung beteiligt sind.
3) Adaptive Kompromisse, die sich darin ausdrücken, dass die direkte Selektion in einigen Charakteren indirekt einen neuen Selektionsvektor für andere Charaktere erzeugt, die funktionell mit dem ersten in der Ontogenese verwandt sind.
4) Das zufällige Auftreten und Erhalten neuer Merkmale aufgrund der zunehmenden Rolle der Gendrift (zum Beispiel aufgrund der relativ kleinen Populationsgröße). Allerdings hat diese Erklärung hier kaum Gewicht – schließlich wurden keine signifikanten Veränderungen in der Kontrolllinie beobachtet.
5) Es kann nicht ausgeschlossen werden, dass eine Erhöhung der Gesamthäufigkeit von Mutationen beispielsweise durch die Fixierung von Mutationen unter Selektionseinfluss verursacht wird, was die Genauigkeit der DNA-Replikation oder -Reparatur verringert.
Belyaev bot seine ursprüngliche Erklärung für das beobachtete Phänomen an. Seine Hypothese war, dass eine intensive Verhaltensselektion mehrere Mutationen aufrechterhält, die das Hormongleichgewicht im Körper verändern. Es ist allgemein bekannt, dass Hormone eine große Rolle bei der Bestimmung des Temperaments und des emotionalen Zustands bei Mensch und Tier spielen. Diese Mutationen haben wahrscheinlich eine pleiotrope Wirkung, die sich unter anderem auf die Bereitstellung morphogenetischer Prozesse im Verlauf der individuellen Entwicklung auswirkt. So hat beispielsweise das Schilddrüsenhormonsystem ein breites Wirkungsspektrum. Es ist möglich, dass diese Mutationen die Mechanismen deaktivieren, die normalerweise für Stabilität (Kanalisierung) der Morphogenese sorgen, was zu einer Destabilisierung des Phänotyps führt. Diese Hypothese wird durch die schwache Heritabilität einiger der aufgeführten phänotypischen Anomalien gestützt. Welpen eines Fuchspaares sind in Aussehen und Charakter sehr unterschiedlich.
Die Hypothese legt nahe, dass die im Zuge der Selektion fixierten Mutationen diejenigen Gene betreffen, die die Reifung von Neuralleistenzellen bei Vertebraten steuern (siehe: "Das vierte Keimblatt" von Wirbeltieren mit Ursprung in den unteren Chordaten, "Elements", 04.02.2015 ). Diese differenzierenden Zellen sind zum einen an der Bildung der Nebennierenrinde beteiligt, in der Hormone wie Adrenalin produziert werden, die insbesondere die Auslösung und Realisierung von Angstreaktionen bei Tieren beeinflussen. Zweitens stammen auch Zellen des Ohrknorpels und einiger Knochen des Schädels, einschließlich des Kiefers, Pigmentzellen in der Haut des Tieres, Zellen der Iris und sensible Zellen des Innenohrs aus der Neuralleiste. Es ist logisch, dass dieselben Mutationen in den Genen, die die Entwicklung von Neuralleistenzellen steuern, einen komplexen Einfluss auf all diese Merkmale haben können. In diesem Fall wird angenommen, dass Mutationen zu einer Hemmung der Differenzierung oder Migration von Neuralleistenzellen und deren Fehlen in den Geweben führen, in denen sie schließlich wirken sollten. Diese Mutationen führen bei der Kreuzung ausgewählter Füchse zu verschiedenen Kombinationen und führen zu der beobachteten Vielfalt der Phänotypen.
Die genetische Grundlage der beobachteten Verhaltensänderungen bei Füchsen wurde durch Experimente mit Embryotransfer oder Welpentausch zwischen Weibchen verschiedener Stämme ("schlecht" und "gut") bestätigt - ein solcher Austausch beseitigt nicht die während der Selektion entwickelten Verhaltensunterschiede (AV Kukekova et al., 2008. Messung des Segregationsverhaltens in experimentellen Silberfuchs-Stammbäumen). Und in einer neueren Arbeit haben Wissenschaftler eine große Anzahl genetischer Loci identifiziert, die mit 98 Verhaltenskriterien-Zeichen assoziiert sind, und haben gezeigt, dass diese Assoziationen durch epistatische Einflüsse in Abhängigkeit von der Kombinatorik allelischer Varianten kompliziert werden (HM Rando et al., 2018. Konstruktion von Rotfuchs-Chromosomenfragmenten aus der Short-Read Genom Assembly).
Diese ganze Geschichte hat etwas Bemerkenswertes: Das Experiment begann, als die Technologie für die molekulare Forschung noch sehr primitiv war. Es war unmöglich, bestimmte Hypothesen vollständig zu testen. Aber das Experiment wurde dank Lyudmila Nikolaevna Trut und anderen Mitarbeitern des Instituts für Zytologie und Genetik der SB RAS auch nach Belyaevs Tod im Jahr 1985 fortgesetzt und dauert bis heute an. In all den Jahren hat das Experiment in Form regelmäßiger Veröffentlichungen Früchte getragen, die immer die Aufmerksamkeit nicht nur russischer, sondern auch ausländischer Spezialisten auf dem Gebiet der Genetik, Entwicklungsbiologie und Evolutionsbiologie auf sich ziehen. Mit dem Aufkommen neuer Sequenzierungstechnologien, die jedes Jahr effektiver und verfügbarer werden, haben Wissenschaftler die Möglichkeit, die molekulargenetischen Grundlagen der beobachteten phänotypischen Veränderungen bei Tieren zu untersuchen. Und das wurde natürlich gemacht. Der Ausbau der Forschung wurde auch durch die seit 2011 bestehende Kooperation mit ausländischen Laboren erleichtert.
Im Jahr 2018 wurden im Rahmen dieser Studie bis zu drei Artikel in führenden wissenschaftlichen Zeitschriften veröffentlicht. Wir werden die in diesen Arbeiten präsentierten Ergebnisse im Folgenden diskutieren.
Tatiana Romanovskaya
