Главный комплекс гистосовместимости и половой отбор

Гены главного комплекса гистосовместимости (MHC) кодируют белки клеточной поверхности, которые способствуют иммунному ответу организма на патогены, а также его способности избегать атаки собственных клеток. Эти гены сохраняли необычайно высокий уровень аллельного разнообразия на протяжении всего времени и в разных популяциях. Это означает, что для каждого гена MHC в популяции постоянно существует множество аллелей (или вариантов генов), и многие особи гетерозиготны в локусах MHC (то есть обладают двумя разными аллелями для данного локуса гена).

Огромный источник генетических вариаций, влияющих на приспособленность организма, проистекает из коэволюционной гонки вооружений между хозяевами и паразитами. Существуют две гипотезы, объясняющие высокое разнообразие MHC, которые не являются взаимоисключающими. Одна из них заключается в том, что существует отбор для особей, обладающих разнообразным набором аллелей MHC, что произошло бы, если бы гетерозиготы MHC были более устойчивы к патогенам, чем гомозиготы — это называется преимуществом гетерозиготы . Вторая заключается в том, что существует отбор, который проходит цикл, зависящий от частоты — это называется гипотезой Красной Королевы .

Существуют доказательства того, что многие позвоночные, включая людей, выбирают своих партнеров на основе сигналов «совместимости» между их аллелями MHC, отдавая предпочтение партнерам с аллелями, отличными от их собственных, что приводит к спариванию, которое, как правило, приводит к получению более гетерозиготного потомства. Существует несколько предложенных гипотез, которые рассматривают то, как предпочтения в спаривании, связанные с MHC, могут быть адаптивными и как необычно большое количество аллельного разнообразия поддерживается в MHC. ^{[1] [2]}

В первой гипотезе, если гетерозиготные по MHC особи более устойчивы к паразитам , чем гомозиготные , то самкам выгодно выбирать партнеров с генами MHC, отличными от их собственных, и это приведет к появлению потомства с гетерозиготным MHC — это известно как дисассортативное спаривание . Гипотеза утверждает, что особи с гетерозиготным MHC будут способны распознавать более широкий спектр патогенов и, следовательно, вызывать специфический иммунный ответ против большего числа патогенов — таким образом, имея преимущество иммунитета . К сожалению, гипотеза преимущества гетерозиготы MHC не была должным образом проверена. ^[2] Иммунные гены, не являющиеся MHC, у разных видов демонстрируют недостаток гетерозиготы или отсутствие преимущества. ^{[3] [4] [5] [6] [7] [8]} У мышей повышенная гетерозиготность MHC снижает приспособленность, что ставит под сомнение эту гипотезу. Самки с гетерозиготным MHC имели значительно сниженную приспособленность по сравнению с гомозиготами. ^[9] Это открытие было воспроизведено в другом исследовании на мышах и снова на рыбах ^{[10] [11]} В некоторых случаях избыточная гетерозиготность может привести к снижению приспособленности. ^[12]

Гипотеза оптимальности утверждает, что слишком большая изменчивость в MHC может привести к неспособности Т-клеток отличать себя от чужих, и тем самым увеличить риск аутоиммунного заболевания. Это дало бы большую приспособленность индивидуумам без большой степени разнообразия MHC. ^{[6] [13]} Аутоиммунные заболевания связаны с локусами MHC. У людей те, у кого большее разнообразие MHC, имеют больший риск аутоиммунных расстройств. Разнообразие MHC может быть низким, «потому что чужеродные пептиды должны выделяться на собственном фоне». На индивидуальном уровне разнообразие MHC, как правило, низкое. У многих видов существует промежуточная гетерозиготность в MHC. Общие данные подтверждают, что промежуточная гетерозиготность MHC является лучшей. ^[14]

Гипотеза Красной Королевы утверждает, что разнообразие MHC поддерживается паразитами. Если аллели MHC индивидуумов оказывают различную устойчивость к определенному паразиту, то аллель с самой высокой устойчивостью оказывается предпочтительным, отбирается и, следовательно, распространяется по всей популяции. Рекомбинация и мутация вызывают генерацию новых вариантов среди потомства, что может способствовать быстрому ответу на быстро эволюционирующих паразитов или патогенов с гораздо более коротким временем генерации. Однако, если этот конкретный аллель становится распространенным, давление отбора на паразитов, чтобы избежать распознавания этим общим аллелем, увеличивается. Выгодная характеристика, которая позволяет паразиту избежать распознавания, распространяется и вызывает отбор против того, что раньше было устойчивым аллелем. Это позволяет паразиту избежать этого цикла частотно-зависимого отбора, и такой цикл в конечном итоге приводит к коэволюционной гонке вооружений, которая может поддерживать поддержание разнообразия MHC. Эта гипотеза имеет эмпирическую поддержку. ^{[15] [2] [16]}

Гипотеза избегания инбридинга имеет меньше общего с отношениями хозяин-паразит, чем гипотеза преимущества гетерозиготы или гипотеза Красной Королевы. Чрезвычайное разнообразие в MHC привело бы к тому, что особи, разделяющие аллели MHC, с большей вероятностью были бы связаны. В результате одной из функций MHC-дисассортативного спаривания было бы избежание спаривания с членами семьи и любых вредных генетических последствий, которые могут возникнуть в результате. Гипотеза утверждает, что инбридинг увеличивает количество общей гомозиготности — не только локально в MHC, поэтому увеличение генетической гомозиготности может сопровождаться не только проявлением рецессивных заболеваний и мутаций, но и потерей любого потенциального преимущества гетерозиготы. ^{[17] [2]} Животные лишь в редких случаях избегают инбридинга. ^[18] Гипотеза избегания инбридинга была «исключена как объяснение наблюдаемой модели предпочтения партнера, зависящего от MHC», поскольку родство не связано с выбором партнера. ^[19]

В ходе поиска потенциальных партнеров, самкам было бы полезно иметь возможность дискриминировать «плохие» гены, чтобы улучшить здоровье и жизнеспособность своего потомства. Если выбор самками партнера происходит по «хорошим» генам, то подразумевается, что среди самцов существует генетическая изменчивость. Более того, можно было бы предположить, что указанное различие в генах также будет придавать разницу в приспособленности, которая потенциально может быть выбрана или отобрана.

Как правило, экстремальный полиморфизм генов MHC выбирается в ходе гонок вооружений хозяин-паразит ( гипотеза Красной Королевы ); однако, неассортативный выбор партнера может поддерживать генетическое разнообразие у некоторых видов. В зависимости от того, как паразиты изменяют отбор на аллелях MHC, MHC-зависимый выбор партнера может повысить приспособленность потомства за счет усиления его иммунитета, как упоминалось ранее. Если это так, то либо через гипотезу преимущества гетерозиготы, либо через гипотезу Красной Королевы, тогда отбор также благоприятствует методам спаривания, которые зависят от MHC.

Таким образом, выбор партнера — в отношении MHC — вероятно, эволюционировал таким образом, что самки выбирают самцов либо на основе различных генов (гипотезы гетерозиготного преимущества и избегания инбридинга), либо на основе «хороших» генов. Тот факт, что самки выбирают, является естественным отбором, поскольку для самок было бы выгодно иметь возможность выбрать самца, который обеспечивает либо косвенную, либо прямую выгоду. В результате выбора самками, половой отбор навязывается самцам. Об этом свидетельствует генетическая «реклама» — примером этого может служить существование преувеличенных черт, таких как сложные хвостовые перья у самцов павлинов. Однако у людей оба пола осуществляют выбор партнера.

Известно, что половой отбор на основе MHC задействует обонятельные механизмы у таких таксонов позвоночных, как рыбы, мыши, люди, приматы, птицы и рептилии. ^[1] На самом простом уровне люди давно знакомы с чувством обоняния, поскольку оно используется для определения приятности или неприятности ресурсов, пищи и т. д. На более глубоком уровне было предсказано, что обоняние служит для личной идентификации людей на основе генов MHC. ^[20]

Хемосенсорика, которая является одним из самых примитивных чувств, развилась в специализированную сенсорную систему. Люди могут не только обнаруживать, но и оценивать, и реагировать на окружающие (химические) обонятельные сигналы — особенно те, которые используются для вызова поведенческих и сексуальных реакций у других особей, также известных как феромоны . Феромоны функционируют для сообщения о своем виде, поле и, возможно, самое главное, о своей генетической идентичности. Гены MHC обеспечивают основу, из которой развивается набор уникального обонятельного кодирования. ^[20]

Хотя точно не известно, как распознаются специфические запахи MHC, в настоящее время считается, что белки, связанные с пептидсвязывающей бороздкой MHC, могут производить одорант. Каждый белок MHC связывается с определенной пептидной последовательностью, что дает набор уникально связанных комплексов пептид-MHC для каждого индивидуума. Во время клеточного оборота комплекс MHC-пептид сбрасывается с поверхности клетки, а фрагменты распределяются в жидкостях организма, таких как сыворотка крови, слюна и моча. Ученые полагают, что комменсальная микрофлора, микроорганизмы, которые выстилают эпителиальные поверхности, открытые для внешней среды, такие как желудочно-кишечный тракт и влагалище, еще больше разрушают эти фрагменты, которые становятся летучими в результате этого процесса. Недавно было показано, что рецепторы в вомероназальном органе мышей активируются пептидами, имеющими характеристики, схожие с характеристиками белков MHC; дальнейшие исследования, как мы надеемся, вскоре прояснят точную трансформацию между генотипом MHC и обонятельным механизмом. ^{[1] [20] [21]}

Сходство MHC у людей изучалось тремя основными способами: запах, привлекательность лица и фактический выбор партнера. ^[22] Исследования запаха обнаруживают предпочтения в отношении различий MHC, но различаются в деталях, в то время как привлекательность лица благоприятствует сходству MHC, и фактические исследования спаривания различаются. ^[22]

Несколько исследований показывают, что предпочтения запахов, связанные с MHC, и выбор партнера демонстрируются людьми. Однако роль MHC в выборе партнера человеком была относительно спорной. В одном исследовании, проведенном Ober et al., были изучены типы HLA у 400 пар в сообществе хуттеритов и обнаружено значительно меньше совпадений HLA между мужьями и женами, чем ожидалось, учитывая социальную структуру их сообщества. ^[23] С другой стороны, не было никаких доказательств выбора партнера на основе MHC в том же исследовании 200 пар из племен южноамериканских индейцев. ^[23]

Другие исследования рассматривали выбор партнера на основе предпочтений в запахе. В одном исследовании, проведенном Ведекиндом и др., женщин просили понюхать мужские подмышечные запахи, собранные на футболках разных мужчин. Женщины, у которых была овуляция, оценили запахи мужчин с разным MHC как более приятные, чем запахи мужчин с разным MHC. Кроме того, запахи мужчин с разным MHC часто напоминали женщинам о нынешних или бывших партнерах, что предполагает, что запах — в частности, запах для мужчин с разным MHC — играет роль в выборе партнера. ^[24]

В другом исследовании, проведенном Ведекиндом и соавторами, 121 женщине и мужчине было предложено оценить приятность запахов потных футболок. После того, как они понюхали футболки, было обнаружено, что мужчины и женщины, которые вспомнили своего партнера или бывшего партнера, имели значительно меньше общих аллелей MHC с обладателем, чем можно было бы ожидать случайно. Если выбор футболок не был случайным и на самом деле выбирался по аллелям MHC, отличающимся от аллелей MHC, это говорит о том, что генетический состав MHC действительно влияет на выбор партнера. Более того, когда степень сходства между владельцем и нюхающим была статистически учтена, больше не было значительного влияния MHC на предпочтение запаха. Результаты показывают, что сходство или различие MHC, безусловно, играет роль в выборе партнера. В частности, выбирается выбор партнера, не соответствующий MHC, и менее похожие комбинации MHC. ^[25] Один интересный аспект эксперимента Ведекинда заключался в том, что в отличие от женщин с нормальным циклом, женщины, принимающие оральные контрацептивы, предпочитали запахи мужчин, похожих по MHC. Это предполагает, что таблетки могут мешать адаптивному предпочтению к несходству. ^{[24] [25]}

Существуют доказательства MHC-ассоциированного выбора партнера у других приматов. У серого мышиного лемура Microcebus murinus посткопуляционный выбор партнера связан с генетической конституцией. Отцы более MHC-отличаются от матери, чем случайно протестированные самцы. Отцы имеют больше различий в аминокислотном и микросателлитном разнообразии, чем случайно протестированные самцы. Предполагается, что это вызвано скрытым выбором самки. ^[26]

У мышей и самцы, и самки выбирают партнеров, не похожих по MHC. Мыши развивают способность идентифицировать членов семьи в раннем возрасте и, как известно, избегают инбридинга с родственниками, что подтверждает гипотезу MHC-опосредованного выбора партнера для избегания инбридинга. ^[2]

Рыбы — еще одна группа позвоночных, у которых, как было показано, проявляется выбор партнера, связанный с MHC. Ученые протестировали атлантического лосося, Salmo salar , наблюдая за эффектами MHC на естественно нерестящихся лососей, которые жили в реке, по сравнению с искусственными скрещиваниями, которые проводились в инкубаторных цехах. Логично, что искусственные скрещивания были бы лишены преимуществ выбора партнера, которые были бы доступны естественным образом. Результаты показали, что потомство искусственно выращенного лосося было более заражено паразитами: почти в четыре раза больше, чем потомство, выращенное естественным путем. Кроме того, дикое потомство было более гетерозиготным по MHC, чем искусственно выращенное потомство. Эти результаты подтверждают гипотезу гетерозиготного преимущества полового отбора для выбора партнера, отличающегося по MHC. ^[27] У другой рыбы, трехиглой колюшки, было показано, что самки желают разнообразия MHC у своего потомства, что влияет на их выбор партнера. ^[28]

Самки саваннских воробьев , Passerculus sandwichensis , выбирают для спаривания самцов, отличающихся по MHC. Самки с большей вероятностью вступают в отношения вне пары, если они спариваются с самцами, похожими по MHC, и доступно больше непохожих самцов. Аналогично, разнообразие MHC у домовых воробьев, Passer domesticus , предполагает, что происходит выбор самца по MHC-неассортативному принципу. ^[2]

MHC-опосредованный выбор партнера, как было показано, существует у шведских песчаных ящериц, Lacerta agilis . Самки предпочитают ассоциировать себя с образцами запаха, полученными от самцов, более отдаленно связанных в локусах MHC I. ^[29]

Несмотря на то, что многие виды являются социально моногамными, самки могут принимать или активно искать спаривание вне отношений; ^[30] отцовство вне пары — это модель спаривания, которая, как известно, связана с выбором партнера, связанным с MHC. Птицы — одна из наиболее часто изучаемых групп животных, демонстрирующих такое сексуальное поведение. У алой чечевицы Carpocus erythrinus самки занимались отцовством вне пары гораздо реже, когда их партнеры были гетерозиготными по MHC. ^[31] У сейшельской камышевки Acrocephalus sechellensis не было никаких доказательств вариации MHC между социальными партнерами. Однако, когда социальные партнеры самок были похожи по MHC, они с большей вероятностью участвовали в отцовстве вне пары; в большинстве случаев самец вне пары был значительно более непохож по MHC, чем социальный партнер. ^[32]

MHC-опосредованный выбор партнера может происходить после копуляции, на уровне гамет, через конкуренцию спермы или криптический выбор самки. Атлантический лосось , Salmo salar , является одним из видов, у которого конкуренция спермы зависит от вариации в главном комплексе гистосовместимости, в частности, аллелей класса I. Самцы атлантического лосося имеют более высокие показатели успешного оплодотворения, когда конкурируют за икру самок, генетически схожих по генам класса I MHC. ^[33]

Другим видом, демонстрирующим связанный с MHC криптический выбор, является арктический голец Salvelinus alpinus . Однако в этом случае кажется, что выбор спермы больше зависит от яйцеклетки. Было обнаружено, что MHC-гетерозиготные самцы имеют значительно более высокий успех оплодотворения, чем MHC-гомозиготные самцы; количество сперматозоидов, подвижность и скорость плавания не были показаны в значительной степени связанными со сходством или различием в MHC. Предполагается, что существует система хемоаттрактации, ответственная за то, что сама яйцеклетка способна различать и селективно выбирать между MHC-гетерозиготными и MHC-гомозиготными самцами. ^[34]

В отличие от атлантического лосося и арктического гольца, самцы джунглевой курицы Gallus gallus, а не самки, проявляют криптическое предпочтение. Самцы джунглевой курицы не проявляют предпочтения, когда им одновременно предъявляют как MHC-несходную, так и MHC-подобную самку. Однако они демонстрируют криптическое предпочтение, выделяя больше спермы более MHC-несходной из двух. ^[35]

Самцы песчаных ящериц Lacerta agilis ведут себя подобно самцам джунглевых кур. Было показано, что первоначальное копуляция между самцом и самкой без каких-либо соперников продлевается, когда самец чувствует более высокую плодовитость самки. Однако вторые самцы корректируют продолжительность своей копуляции в зависимости от родства между самкой и первым самцом, которое, как полагают, определяется запахом MHC копулятивной пробки. Более близкое генетическое родство между самцом и самкой песчаной ящерицы увеличивает шансы на успешное оплодотворение и частоту отцовства для второго самца. ^[36]

Абортивный отбор может быть формой скрытого женского выбора. Многие исследования на людях и грызунах показали, что самки могут спонтанно прерывать беременность, в которой потомство слишком похоже по MHC. ^{[ необходима цитата ]} Кроме того, экстракорпоральное оплодотворение чаще терпит неудачу, когда у пар схожие гены MHC. ^{[ необходима цитата ]}

Если самцы попытаются помешать самке выбрать партнера, спариваясь с самкой против ее воли, сексуальный конфликт может помешать выбору совместимости на уровне генов MHC.

У чавычи Oncorhyncus tshawytscha самки ведут себя более агрессивно по отношению к самцам с MHC-подобным характером, чем к самцам с MHC-несходным характером, что предполагает наличие выбора самками партнера. Кроме того, самцы направляли агрессию на самок с MHC-подобным характером. Это сопровождалось преследованием самцами невосприимчивых самок; однако, наблюдалась положительная корреляция между агрессией самцов и репродуктивным успехом. Способность самцов подавлять первоначальный выбор самок привела к тому, что потомство от целей агрессии самцов имело низкое генетическое разнообразие. Потомство с высоким генетическим разнообразием, по-видимому, появлялось только тогда, когда операционное соотношение полов было смещено в сторону самок, когда самки с большей вероятностью могли осуществлять выбор партнера, а самцы с меньшей вероятностью преследовали самок. Эти результаты предполагают, что сексуальный конфликт может мешать выбору самками партнера для «хороших» генов MHC. ^[37]

• Запах тела
• Запах тела и подсознательное сексуальное влечение человека
• Феромон
• Ген совместимости