Что получится, если собрать вместе несколько тонн стальных пластин, сотни мышей, нескольких ученых-эволюционистов и молекулярных биологов и крошечный городок в Небраске недалеко от границы с Южной Дакотой?
Вы бы поверили в одну из самых полных картин эволюции позвоночных?
Под руководством профессора органической и эволюционной биологии, а также молекулярной и клеточной биологии Хопи Хекстры группа международных исследователей провела многолетнее исследование, в ходе которого сотни мышей были выпущены в массивные, специально построенные наружные вольеры, чтобы проследить, как светлые и темные мыши выживали в светлых и темных местообитаниях.
Результаты не только подтвердили интуицию о том, что светлые мыши лучше выживают в светлой среде обитания, и наоборот, темные мыши, но также позволили исследователям точно определить мутацию, связанную с выживанием, в частности, которая влияет на пигментацию., и понять, как именно мутация привела к новому окрасу шерсти. Исследование описано в статье от 1 февраля, опубликованной в журнале Science.
«Этот проект разрабатывался много лет, и часть вдохновения для него исходила от экспериментальных исследований эволюции, которые люди проводили в течение многих лет с использованием микробов в лаборатории», - сказал Хекстра. «Идея заключалась в том, что вы начинаете с определенной популяции, генотипируете ее, а затем ставите перед ней экологические задачи и наблюдаете, как популяция развивается из поколения в поколение. Затем вы генотипируете ее в конце и можете увидеть на генетическом уровне, какие изменения.
«Нам было интересно воспроизвести этот подход, но сделать это на позвоночных и в естественной среде», - продолжила она.«И позволить им развиваться в местах обитания, которые, что важно, открыты для хищников или, по крайней мере, для визуальной охоты на птичьих хищников».
Для этого докторант Роуэн Барретт (сейчас преподаватель Университета Макгилла) и его коллеги отправились в крошечный городок Валентайн, штат Небраска, чтобы воспользоваться преимуществами важной природной среды обитания - Песчаных холмов.
Еще в 1930-х годах, сказал Хекстра, было замечено, что мыши, живущие в песчаных холмах - большой площади смежных песчаных дюн с песчаной светлой почвой - имеют более светлый цвет, чем мыши, живущие в прилегающие территории с темной суглинистой почвой.
Чтобы понять, что лежит в основе этих различий, Хекстра, Барретт и их коллеги разработали амбициозный план по строительству серии из восьми вольеров площадью 2 500 квадратных метров каждый или чуть более полуакра - четыре на холмы из светлого песка и четыре на более темной почве.
Затем они «заселили» каждый вольер сотней мышей - наполовину из песчаных холмов, а наполовину из окружающей темной почвы - после того, как пометили каждую крошечной встроенной меткой RFID и взяли самый кончик их хвоста для генетическое секвенирование. Три месяца спустя исследователи вернулись и взялись за определение того, кто из мышей выжил.
«Идея заключалась в том, чтобы начать с максимального количества фенотипических вариаций, потому что это дало бы нам наибольшую силу», - сказал Хекстра. «Для этого исследования мы спросили, из тех мышей, с которых мы начали… какие из них выжили после трех месяцев естественного хищничества?
«Итак, первое, что мы сделали, - это посмотрели на фенотипы и спросили, меняется ли средний цвет мыши в вольере со временем», - продолжила она. «И что было совершенно ясно, так это то, что в светлых вольерах средние мыши становились светлее, а в темных вольерах они становились темнее, поэтому мы уже могли видеть, что произошли фенотипические изменения».
Эта информация о фенотипе, однако, была лишь частью истории - Хекстра и его коллеги также хотели понять, могут ли быть генетические различия в выживших популяциях.
«Мы знали, что цвет шерсти передается по наследству, и, основываясь на нашей предыдущей работе, мы сосредоточились на одном гене пигментации, который, как мы знали, способствовал изменению цвета в этих популяциях Небраски», - сказала она.«Мы секвенировали все 200 000 пар оснований этого гена… и обнаружили несколько мутаций, которые хорошо коррелировали с выживаемостью».
Команда решила сосредоточиться на одном - изменении кодирования белка, которое привело к удалению одной аминокислоты из результирующего белка, что было связано со сдвигом в сторону более светлого цвета шерсти.
«Это говорит нам о том, что мутация связана с выживанием, но мы хотели точно знать, что эта мутация делает», - сказал Хекстра. «Мы работали в сотрудничестве с Джонатаном Дьюк-Коханом из Гарвардской медицинской школы, чтобы провести серию биохимических анализов, чтобы показать, что эта мутация повлияла на свойство связывания этого белка таким образом, что это привело к более светлой окраске».
Дальнейшие тесты с использованием методов редактирования генов, по словам Хекстры, подтвердили, что мутация сама по себе привела к заметно более светлому окрасу мышей.
"Это был такой удовлетворительный результат - тот факт, что вы можете просто посмотреть на мышь, увидеть разницу", - сказал Хекстра.«Вы можете представить сценарий, в котором мутация вызвала изменение цвета, но увидеть это можно, только если измерить очень точным инструментом, а здесь это было удивительно очевидно».
Двигаясь вперед, сказал Хекстра, у исследователей есть два основных направления: дальнейшее изучение возможных других генетических различий в генах пигмента или других генах, которые помогают мышам существовать на песчаных холмах или за их пределами, а другой исследует изменения в течение нескольких поколений.
"Да, есть большая разница между цветом почвы на песчаных холмах и за их пределами", сказала она. «Но они также различаются по растительности и другим экологическим аспектам, поэтому, вероятно, есть и другие различия, помимо цвета на уровне фенотипа, которые мы также хотели бы использовать. В этом случае, просмотрев весь геном и спросив, есть ли другие области геном, влияющий на физическую форму, станет следующим шагом, а также анализом поколений».
В конечном счете, по словам Хекстры, исследование предлагает важную - и, что важно, полную - картину того, как эволюция работает у млекопитающих.
Что мне нравится в этом исследовании, так это то, что оно начинается на уровне организма и идет вплоть до мутации, и понимания того, как именно эта мутация приводит к изменению фенотипа и как это изменение ведет к выживанию. различия в дикой природе», - сказала она. «Поэтому я думаю, что это очень удовлетворительная иллюстрация всего процесса эволюции, от экологических последствий этих изменений фенотипа до молекулярных деталей».
Это исследование финансировалось Советом по естественным и инженерным исследованиям Канады, Швейцарским национальным научным фондом, Национальным географическим обществом, Гарвардским музеем сравнительной зоологии и Медицинским институтом Говарда Хьюза.