Razkrite genetske spremembe, ki spremljajo izbor za "dobro vedenje" pri lisicah Belyaevu
Slavni dolgoletni poskus Belyajeva pri vzreji udomačenih (pa tudi agresivnih) lisic se nadaljuje in dobiva vse večji zagon. Raziskovalci izkoriščajo vse možnosti, ki jih ponujajo današnje raziskovalne tehnologije. Leta 2018 je bilo objavljenih več člankov z rezultati sekvenciranja genomske DNA in RNA lisice iz njihovih možganskih tkiv. Bilo je mogoče identificirati številne gene, ki so bili vključeni v spremembe in so bili podvrženi pozitivni selekciji v različnih linijah. Med njimi so bili geni, povezani s hormonsko regulacijo, diferenciacijo celic nevronskega grebena, tvorbo medceličnih stikov in prenosom sinaptičnega signala v možganih ter geni za imuniteto.
Poskus o udomačitvi lisic, ki sta ga leta 1959 začela Dmitrij Konstantinovič Belyaev in Lyudmila Nikolaevna Trut na krznarski farmi novosibirskega akademskega mesta Sibirske podružnice Akademije znanosti ZSSR, je danes splošno znan ne le med biologi, ampak tudi med laično javnostjo. O njem in njegovih vmesnih rezultatih je bilo napisanih veliko priljubljenih člankov (glej povezave na koncu besedila).
Poskus se je začel z oblikovanjem vzorca srebrno-črnih lisic, odvzetih s kmetije (tam so gojili lisice za kože za krznene plašče itd.). Zamisel je bila, da se na lisicah reproducira isti proces udomačitve, ki so ga volkovi preživeli v preteklosti, kar je povzročilo nastanek domačih psov. V ta namen so med potomci srebrno-črnih lisic začeli izbirati lisice, ki so izkazovale zvestobo in prijaznost do ljudi.
Za izvedbo izbora je bila izbrana metoda, ki je omogočila določitev, v kolikšni meri je za vsako lisico značilna manifestacija strahu pred osebo ali radovednosti v zvezi z osebo. Ta preprosta tehnika obsega analizo vedenja lisic (starih približno 6 mesecev) za naslednje situacije:
1) eksperimentator stoji blizu zaprte kletke in ne poskuša pritegniti pozornosti živali;
2) eksperimentator odpre vrata kletke, stoji v bližini, vendar ne sproži komunikacije;
3) eksperimentator seže in se poskuša dotakniti različnih delov telesa živali;
4) eksperimentator zapre vrata kletke in mirno stoji blizu kletke.
Video posnetke preskusa nato analiziramo, da ocenimo vedenje živali glede na številna merila lastnosti (glej R. M. Nelson idr., 2016. Genetika interaktivnega vedenja pri srebrnih lisicah ( Vulpes vulpes)).
Potomci naslednje generacije so bili pridobljeni od najmanj sramežljivih lisic, nato pa so postopek ponovnega testiranja in izbora ponovno ponovili. Že v peti generaciji so se začeli pojavljati posamezni posamezniki, ki so kazali privlačnost do komunikacije z ljudmi, primerljivo s psijo. Sčasoma jih je postajalo vse več, znak »dobre narave« se je stopnjeval. Zdaj vse lisice v tej vrsti kažejo tako pasje zvesto in igrivo vedenje (vključno z lajanjem in "zaščito" lastnika), da se nekatere prodajajo kot hišne ljubljenčke.
Pri tem poskusu ni presenetil le presenetljivo hiter odziv na izbiro vedenja, ampak tudi sočasne spremembe, ki so se začele pojavljati v fenotipu lisic, ki so bile izbrane. Te spremembe so se nanašale na znake, ki na prvi pogled niso imeli nobene zveze z vedenjem: na koži so se začele pojavljati bele in rdeče lise, lisice so postale bolj spremenljive glede na metrične značilnosti (pri nekaterih živalih se je skrajšala dolžina gobca in tac opazili), pri nekaterih živalih se je rep začel zvijati, pojavile pa so se okluzije, zapoznelo utrjevanje hrustanca ušesa, razbarvanje šarenice. Poleg tega so se pri lisicah začele pojavljati motnje v sezonskosti reproduktivnega vedenja, kar je pomembna lastnost divjih lisic, ki zagotavlja pojav mladičev v najbolj ugodnem letnem času.
Ob upoštevanju povečanja variabilnosti fenotipskih lastnosti v eksperimentalnih pogojih je Belyaev uvedel koncept "destabilizirajoče selekcije" - v nasprotju s tipičnejšo "stabilizacijsko selekcijo" za naravni evolucijski proces (ta izraz je bil uveden v prvi polovici XX.Shmalgauzen), zaradi česar je fenotip bolj odporen. Belyaev je priznal, da bi se lahko povečanje variabilnosti, opaženo v tem poskusu, zgodilo tudi v procesu udomačitve volkov in da bi to lahko pomenilo dober začetek za oblikovanje vse te raznolikosti pasem med psi, kar ne more ne presenetiti, glede na to, da vsi vodijo na začetek od enega skupnega prednika - volka, in ta raznolikost pasem se je očitno začela pred več kot 15 tisoč leti.
Dodati je treba, da je bila nekaj časa po začetku poskusa (in sicer od leta 1970) dodana druga vrsta lisic. Nasprotno, izbrani so bili za največjo agresivnost in nezaupanje do ljudi. Medtem ko se je vedenje lisic kot odziv na izbiro ustrezno spremenilo, so se nekatere zunanje fenotipske lastnosti v tej liniji začele konvergirati z ustreznimi lastnostmi v vrsti dobrodušnih lisic, čeprav ne tako opazno. Hkrati se vzporedno izvaja tudi kontrolna linija lisic, v kateri ni izbire - in v tej vrstici ni opaziti posebnih odstopanj od začetnega fenotipa kmečko srebrno -črnih lisic. Vzporedno vzdrževanje treh vrstic omogoča primerjalne analize, križanje poskusov, katerih cilj je najti genetske lokuse, povezane s spremembami. Velikost populacije vsake vrstice se nenehno vzdržuje na približno 200 posameznikih. Zasnova poskusa vključuje sprejetje ukrepov za preprečitev pretiranega medsebojnega sorodstva med živalmi (to bi lahko povzročilo izkrivljanje rezultatov zaradi povečanih učinkov genskega odnašanja in zmanjšanja sposobnosti preživetja potomcev).
Obstaja kar nekaj možnosti za razlago spremljajočih sprememb lastnosti, ki niso neposredno povezane z vedenjem. Na primer:
1) Učinki ujemanja povezanih polimorfizmov (ta mehanizem se imenuje tudi genetsko stopiranje, glej Genetsko stopiranje).
2) Pleiotropno delovanje izbranih genov. Zlasti obstajajo geni, ki uravnavajo stanje kromatina (delujočega ali nedelujočega) z metilacijo DNA ali modifikacijo histona - takšni geni lahko spremenijo delo velikega števila drugih genov. Podoben učinek je pričakovan pri genih, vključenih v alternativno spajanje ali znotrajcelično signalizacijo.
3) Prilagodljivi kompromisi, ki se izražajo v tem, da neposredna selekcija pri nekaterih likih posredno ustvari nov vektor izbora za druge like, ki so funkcionalno povezani s prvim v ontogenezi.
4) Nenavaden pojav in ohranitev novih lastnosti zaradi povečane vloge genskega drifta (na primer zaradi relativno majhne velikosti populacij). Vendar pa ta razlaga tukaj komaj prinaša veliko teže - navsezadnje v kontrolni liniji niso opazili pomembnih sprememb.
5) Ni mogoče izključiti, da je povečanje skupne pogostosti mutacij na primer posledica fiksacije mutacij pod vplivom selekcije, kar zmanjša natančnost replikacije ali popravka DNA.
Belyaev je ponudil svojo prvotno razlago opazovanega pojava. Njegova hipoteza je bila, da intenzivna izbira vedenja ohranja več mutacij, ki spreminjajo ravnovesje hormonov v telesu. Splošno znano je, da imajo hormoni ogromno vlogo pri določanju temperamenta in čustvenega stanja pri ljudeh in živalih. Te mutacije imajo verjetno pleiotropni učinek, ki med drugim vpliva na zagotavljanje morfogenetskih procesov med individualnim razvojem. Na primer, sistem ščitničnih hormonov ima širok spekter učinkov. Možno je, da te mutacije onemogočijo mehanizme, ki običajno zagotavljajo stabilnost (kanalizacijo) morfogeneze, kar vodi do učinka destabilizacije fenotipa. To hipotezo podpira šibka dednost nekaterih od navedenih fenotipskih nepravilnosti. Mladiči iz enega para lisic so po videzu in značaju zelo raznoliki.
Hipoteza predvideva, da mutacije, določene med selekcijo, vplivajo na tiste gene, ki nadzorujejo zorenje celic nevronskega grebena pri vretenčarjih (glej: "Četrta zarodna plast" vretenčarjev izvira iz nižjih hordatov, "Elementi", 04.04.2015 ). Te celice, ki se razlikujejo, najprej sodelujejo pri nastajanju skorje nadledvične žleze, kjer nastajajo hormoni, kot je adrenalin, ki zlasti vplivajo na sprožanje in uresničevanje strašnih reakcij pri živalih. Drugič, celice ušesnega hrustanca in nekatere kosti lobanje, vključno s čeljustjo, pigmentnimi celicami v koži živali, celicami šarenice in občutljivimi celicami notranjega ušesa, izvirajo tudi iz nevronskega grebena. Logično je, da imajo lahko iste mutacije v genih, ki nadzorujejo razvoj celic nevronskega grebena, kompleksen učinek na vse te lastnosti. V tem primeru se domneva, da mutacije vodijo do zaviranja diferenciacije ali migracije celic živčnega grebena in njihovega pomanjkanja v tistih tkivih, kjer bi sčasoma morale delovati. Ko pridejo v različne kombinacije pri prečkanju izbranih lisic, te mutacije povzročijo opaženo raznolikost fenotipov.
Genetsko podlago za opažene vedenjske spremembe pri lisicah so potrdili poskusi s prenosom zarodkov ali zamenjavo mladičkov med samicami različnih sevov ("slabo" in "dobro") - takšne izmenjave ne odpravljajo razlik v vedenju, ki so se razvile med selekcijo (AV Kukekova et al., 2008. Merjenje ločenega vedenja pri poskusnih rodovnikih srebrne lisice). V zadnjem delu so znanstveniki identificirali veliko število genetskih lokusov, povezanih z 98 vedenjskimi merili-lastnostmi, in pokazali, da so te asociacije zapletene zaradi epistatičnih vplivov, odvisno od kombinatorike alelnih variant (HM Rando et al., 2018). Konstrukcija kromosomskih fragmentov rdeče lisice iz sklopa genoma kratkega branja).
V tej zgodbi je nekaj izjemnega: poskus se je začel, ko je bila tehnologija za molekularne raziskave še zelo primitivna. Določenih hipotez ni bilo mogoče v celoti preizkusiti. Toda poskus se je po zaslugi Lyudmile Nikolaevne Trut in drugih zaposlenih na Inštitutu za citologijo in genetiko SB RAS nadaljeval tudi po Belyaevovi smrti leta 1985 in traja še danes. Skozi vsa ta leta je eksperiment obrojal sadove v obliki rednih publikacij, ki so vedno pritegnile pozornost ne le ruskih, ampak tudi tujih strokovnjakov, ki delajo na področju genetike, razvojne biologije in evolucijske biologije. S prihodom novih tehnologij sekvenciranja, ki so vsako leto bolj učinkovite in dostopne, imajo znanstveniki priložnost raziskati molekularno genetsko osnovo opaženih fenotipskih sprememb pri živalih. In to je bilo seveda storjeno. K širitvi raziskave je prispevalo tudi sodelovanje, vzpostavljeno od leta 2011 s tujimi laboratoriji.
V letu 2018 so bili v okviru te študije objavljeni kar trije članki v vodilnih znanstvenih revijah. V nadaljevanju bomo razpravljali o rezultatih, predstavljenih v teh delih.
Tatjana Romanovskaja
