1
2
3
Jeskyně jsou vynikajícím prostředím pro výzkum paralelní a konvergentní evoluce. Geograficky izolované jeskyně jsou stálým prostředím s podobnými podmínkami, které mají společné to, že je tam nedostatek zdrojů potravy, je tam tma a stálá teplota. Zvířata z různých skupin (ploštěnky, členovci, měkkýši a obratlovci), která obývají jeskyně, si nezávisle vyvinula stejné znaky: ztrátu zraku a pigmentace, složité struktury sensorické a k chytání potravy a prodloužené končetiny (skupina adaptací k životu ve tmě nazvaná troglomorfie).
4
Na světě existuje nejméně 86 druhů troglomorfních ryb z 18 čeledí . Úroveň redukce očí a pigmentu je vysoce variabilní i v rámci některých populací. I když jsou jeskyně považovány za extrémní prostředí, ve skutečnosti jsou příznivé pro udržení těchto druhů, a občas se stane, že jeskyní forma přežije tu povrchovou, která byla vystavena neočekávané změně prostředí.
5
Astyanax mexicanus je ryba, která má formu žijící na povrchu a cca 30 jeskynních forem. Divergence mezi povrchovou a jeskynní formou je stará maximálně několik milionů let. Jeskynní formy ztratily oči a pigmentaci a získaly některé konstruktivní znaky, klíčovým spouštěčem změn je absence světla, adaptace k životu v jeskyni ovlivnily hledání potravy, páření a orientaci. Jeskynní a povrchovou formu lze srovnávat stylem mutant a divoká forma. Astyanax je výborný model, protože krmení je jednoduché, tře se často a potomstva je hodně a generační doba je 4-6 měsíců. Velká a průhledná embrya lze snadno manipulovat, např. transplantovat vyvíjející se části očí. Je fylogeneticky příbuzná zebřičce, která má osekvenovaný genom, takže lze využít znalosti genů z ní. Pro Astyanax jsou vyvinuty metody inhibice a overexprese genů, existuje BAC knihovna. Povrchové a jeskynní formy jsou křižitelné. Je jisté, že jeskynní formy vznikly z té povrchové.
6
7
Jeskynní a povrchová forma se liší i stavbou mozku. U jeskynní je z pochopitelných důvodů zredukováno optické tektum, ale zřejmě je změněna i jeho funkce, takže zpracovává somatosensorické stimuly. Mozek jeskynní formy je delší, má zvětšené olfaktorické bulby a má větší hypothalamus. Rozdíl je i ve způsobu přijímání potravy. Pokud ryby sbírají potravu ze dna, povrchová forma je v úhlu 90°, jeskynní 45° a pohybuje se plynuleji. Toto chování je adaptivní, protože v osvětleném akváriu v kompetici o potravu sice vítězí povrchová forma, ale ve tmě naopak ta jeskynní, která je adaptována pro pobyt ve tmě. Genetické křížení ukazuje, že toto chování je řízeno jedním nebo málo geny. Čili Anastynax by se dal využít i pro studium genetiky chování.
8
9
Povrchové ryby mají 3 typy pigmentových buněk: iridophory odrážející světlo, žlutooranžové xanthophory a černé melanophory. Pigmentace normálně slouží jako ochrana před sluněčním zářením a pro rozpoznání druhu a pohlaví. V absenci světla takové znaky není třeba držet, proto různé jeskynní ryby vykazují různou úroveň ztráty všech typů pigmentových buněk. Křížení těchto forem s povrchovou formou je nástrojem k identifikaci genů, které toto ovlivňují. Např. regrese melanophorů je způsobena mnoha geny (nalezeno 18 QTL), jejichž exprese je buď snížena nebo zvýšena u jeskynních forem. Pozitivním rysem ztráty pigmentace je snížení nebezpečí melanomů.
10
U některých forem je snížená i produkce melaninu. Ten je syntetizován v melanosomech sérií biochemických reakcí, které začínají s L-tyrosinem, který je konvertován na L-DOPA enzymem tyrosinázou. L-DOPA je přeměněn na melanin. Albinotické ryby mají melanoblasty s funkčními enzymy, ale nejsou schopné syntetizovat DOPA. Syntézu melaninu lze obnovit jeho přidáním. Albinismus u jeskynní formy (populace Pachón a Molino) je způsoben recesivní mutací v jediném genu. Kandidátním genem je pink-eyed dilution/oculocutaneous albinism2 (p/oca2), což je membránový protein, který řídí zásobování L-tyrosinem možná jako transmembránový kanál nebo regulátor pH. Obě jeskynní populace mají různé delece v kódující oblasti tohoto genu (-> konvergence). Proč právě tento gen není jasné, ale je mimořádně velký, leží v oblasti, která je možná mutační hotspot a hraje roli v melanogenezi.
11
I když jeskynní formy nemají v dospělosti funkční oko, během embryogeneze se oko zakládá a pak degeneruje. To, že vývoj oka začne a pak je přerušen, je společné pro všechny, i ty nejstarší populace jeskynních ryb. Svědčí o tom, že zastavit tvorbu oka na počátku embryogeneze by narušilo klíčové embryonální procesy. Když se transplantuje čočka z povrchové formy do jeskynní formy, tak dojde ke vzniku normálního oka, takže geny exprimované v pozdější fázi tvorby oka nejsou narušené. Genetické analýzy ukázaly, že za ztrátou oka stojí více genů (12 QTL), přičemž minimálně některé jsou různé u různých variant jeskynních forem. Geny se ještě nepodařilo identifikovat, při křížení jeskynní a povrchové formy se jen část potomstva narodí s okem, což svědčí o tom, že některé alely způsobující ztrátu oka jsou dominantní. Zajímavé je, že většina kandidátních genů je u jeskynní formy upregulovaná spíše než downregulovaná. Takovým genem je např. hsp90α, potenciální pro-apoptotický faktor, který je aktivovaný v čočkovém váčku (lens vesicle). Další upregulované geny jsou součásti signální dráhy Hedgehog. Jejich hyperaktivita v základu oka jeskynní formy vede k narušení rovnováhy transkripčních faktorů, což vede k redukci velikosti ventrální oblasti základu oka. Pokud se mRNA těchto genů injikuje do základu oka povrchové ryby, dojde k apoptóze čočky podobně jako u jeskynní formy .
12
U mnoha QTL ovlivňujících velikost oka a znaků, které jsou posílené u jeskynní formy, jako jsou velké čelisti a chuťové pohárky, byla pozorována vazba. Protože shh (gen v dráze hedgehog) je potřeba rovněž pro tvorbu chuťových pohárků, možná zde působí trade off mezi pozitivně a negativně regulovanými cíly Hedgehog dráhy. Podle neutrální teorie by měly mít geny pro oči u jeskynních ryb možnost volně mutovat a nakonec zmizet, aniž by to mělo negativní dopad na jejich fitness. Ovšem downregulované nebo chybějící geny v podstatě nebyly nalezeny. Výjimkou je αAcrystallin, což je anti-apoptotický faktor, který je downregulovaný v čočkách jeskynních ryb. Ovšem jeho sekvence i regulační oblasti jsou stejné jako u povrchové formy. Další krystaliny a membránové transportní kanály, které by mohly být zasaženy neutrální mutací, jsou upregulované. To všechno mluví proti hypotéze neutrálních mutací, ta ovšem ještě nemůže být zamítnuta.
13
Zdá se tedy, že ztráta oka je adaptivní znak, i když jeho výhody ještě nebyly dokázány. Ve hře jsou: 1) uvolnění místa pro kontruktivní znaky, 2) snížení rizika infekce a zranění oka, které je vstupní bránou do mozku, 3) ušetření energie za tvorbu oka, a 4) posílení nevizuálních ensorických systémů, které jsou s očima v negativní genetické korelaci. Čili může jít o aktivní derstrukci oka i o nepřímou selekci proti jeho tvorbě vlivem antagonistické pleiotropie.
14
Geny účastnící se tvorby oka jsou velmi konzervované na velké evoluční vzdálenosti. Otázkou je, jestli do vzniku stejných znaků ve stejných podmínkách u různých druhů jsou zapojeny stejné geny. Nejlépe je vývoj oka znám u drozofily: Vývoj oka začíná v pozdní embryogenezi expresí eyeless (ey, homolog Pax6), twin-of-eyeless (toy, paralog ey), eyegone (eyg, přežívání a proliferace buněk) a twin-of-eyegone (toe), v imaginálním disku pro tykadlo a oko. Na počátků 2. larválního instaru exprese ey je omezena na posteriorní část disku, čímž je určen základ oka. Ztráta jeho exprese vede k nevyvinutí oka, ektopická exprese v jiných discích vznik dalších očí. Později v 2. larválním instaru je pro vývoj oka potřeba exprese eyes absent (eya), sine okulis (so) a dachshund (dac). Eya + so - iniciace a propagace morfogenetické brázdy (morphogenetic furrow, MF). Během kukly postoupí MF po disku jako vlna diferenciace nediferencovaných buněk v buňky sítnice. Hedgehog je sekretovaný z diferencovaných buněk za MF. Hh vede další buňky k tomu, aby diferencovaly v buňky sítnice. Shh u myši, Dania a kuřete dělá to samé, čili role hh v morfogeenzi oka je konzervované mezi obratlovci a bezobratlými.
15
U Anastynax mexicanus byla nalezena podstata ztráty oka, která spočívá v rozšíření zóny, ve které je exprimován gen sonic hedgehog (shh) a tiggy-winkle hedgehog (twhh), což jsou ortology členovčího genu hedgehog. Rozšířená aktivita hh u jeskynní formy vede k apoptóze v čočce a k následné degeneraci oka, ale i ke zvýšení množství chuťových pohárků, což je považováno za přínos v prostředí chudém na potravu.
16
Blešivec Gammarus minus je sladkovodní amphipodní korýš, žijící hlavně v pramenitých a jeskynních potocích na atlantickém pobřeží USA. Troglomorfní znaky vykazují normální dědičnost. Je jasné, že blešivci vnikaly z povrchu do jeskyní, čili troglomorfní znaky jsou odvozené, navíc tak činili opakovaně.
17
Byla porovnána exprese různých genů účastnících se tvorby oka u drozofily (hh, pax6, so a dac) mezi jeskynními a povrchovými populacemi blešivců, a u hedgehog vyšla signifikantně nižší exprese u všech jeskynních forem. U drozofily vede snížená exprese hh k redukci ommatidií a malému oku. Důvodem, proč se exprese nezměníla u dac, pax6 a so může být ta, že se tyto geny účastní i vývoje přívěsků, mozku a nervového systému, takže selekce upřednostnila vyřadit oko genem, který nemá tolik pleiotrofních efektů.
18
19
Pokud přijmeme Mossmanovu definici placenty (Placenta je těsné přiložení tkání embrya a matky, které živí embryo během vývoje), pak byla placenta kromě savců vynalezena u dalších 4 skupin obratlovců (plazi, obojživelníci, ryby a paryby) a různých bezobratlých, kde vznikla nezávisle.
20
Placenta je komplexní orgán, jehož vznik u savců řídí cca 50 lokusů. Zatímco u savců se placenta vyvinula před více než 100 My, u živorodé ryby živoroděnky rodu Poeciliopsis vznikla placenta opakovaně před nedávnou dobou (2,36 Mya – nejjižnější populace a 0,75 Mya u nejsevernější populace). U tohoto rodu placentace vznikla 3x nezávisle, přičemž příbuzné druhy jí buď nemají vůbec, nebo jen v malé míře. Rod Poeciliopsis se větví na 2 podrody: Aulophalus a Poeciliopsis. Poeciliosis se dále dějí na „spíše jižní“ a „spíše severní“ druhy. Matrotrofie s matrotrogním indexem (MI) nad 5 se nachází u podrodu Aulophallus a u P. prolifica ze severního klastru a P. turneri a P. presidionis z jižního klastru. Poeciliopsis má rozmanité reprodukční strategie, zahrnující gynogenezi i hybridogenezi, některé druhy se stále mohou křížit a to i druhy s a bez placenty – mateřským druhem je vždy P. monarcha, která nemá placentu a je tím chráněna před paternálními geny v embryu. Čeleď Poecilidae má cca 200 druhů, které jsou všechny, až na jednu výjimku, živorodé. Většina druhů je lecitotrofní, to znamená, že vajíčka obsahují již před fertilizací dostatek živin pro vývoj embrya. Avšak u několika druhů se nezávisle vyvinula struktura podobná placentě. U několika blízce příbuzných druhů existují různé stupně vývoje placenty- hodně, středně, vůbec, což umožňuje zkoumat tato přechodná stádia.
Geny pro Insulin-like growth factor II (Igf2) a jeho receptor Igf2r jsou u placentálů a vačnatců opačně imprintované. Placentace a imprinting se u těchto skupin vyvinuly u jejich společného předka před více než 100 My. Exprese Igf2 během embryogeneze byla hlášena z mnoha různých obratlovců včetně ryb. IGF2 je silný stimulátor buněčné proliferace, který je exprimován v embryu i placentě, zatímco u savců je po narození omezen jen na některé tkáně. Naopak u ryb je exprimován po celý život.
22
PEG = paternálně exprimovaný gen MEG = maternálně exprimovaný gen
23
V předchozí studii byla měřena exprese Igf2 u dvou placentálních poecilidů (Heterandria formosa (MI >30–40) and Poeciliopsis prolifica (MI > 5–10), která byla u obou druhů bialelická (tj. obě alely jsou exprimované bez ohledu na původ). To mohlo znamenat několik věcí: 1) Igf2 se neúčastní vývoje placenty a proto nemůže být předmětem konfliktu 2) u těchto druhů není konflikt mezi matkou a potomky, přestože mají placentu, 3) konflikt přes Igf2 existuje, ale vyznačuje se něčím jiným.
24
Byly získány sekvence Igf2 z 38 druhů poecilidů, z toho 10 bylo lecitotrofní a 28 s placentou a srovnány jejich aminokyselinové sekvence – hodnocen poměr synonymních a nesynonymních sekvencí. Obecně u matrotrofů je tento gen pod silnou pozitivní selekcí, nejvíce ve dvou oblastech, které těsně přiléhají k motivu k vazbě Igf2 receptoru. Další místo se silnou pozitivní selekcí je na hranici D/E domén. U obratlovců tento protein prochází dvěma důležitými štěpeními, než se stane aktivním hormonem – odštěpení signálního peptitu a odštěpení E domény. Místo blízko štěpícího místa v E doméně by mohlo ovlivnit zpracování proteinu. U lidských plodů bylo ukázáno, že chyba ve zpracování IGF2 vede k růstové retardaci.
25
K fixaci nesynonymních mutací v IGF2 došlo u starých matrotrofních linií Cyprinodontiformes: Goodeinae a Jenynsiinae. Obě čeledi obsahují jen živorodé druhy, příčemž Goodeidae se od vejcorodého předka oddělily před >16,5 My. Nesynonymních mutací je tam mnoho, což svědčí o tom, že se nejednalo o krátkodobou záležitost následovanou stází, ale o trvalý průběh změn. Naopak Igf2 u striktně vejcorodé linie vedoucí k Lates calcarifer je pod purifikující selekcí. RNA in situ hybridizací na embryích matrotrofních ryb se ukázalo, že tento gen je exprimován ve strukruře analogické endometriu a embryonálním trofoblastům (čili placentě), čili u obratlovců plní stejnou funkci. Podle kinship teorie by měl být předmětem boje otce a matky o matčiny zdroje, což je u savců elegantně vyřešeno imprintingem. Mutace, která je výhodná pro matku/otce, ale nebude výhodná pro potomky opačného pohlaví. Např. mutace D, která by zvýšila matčinu investici a byla tak výhodná pro otce, bude nevýhodná pro jejich dcery. Ale i taková alela by se mohla rozšířit, pokud by platilo, že méně lepšího potomstva je lepší, než více horšího. Pak tato alela bude výhodná i pro samice.
26
Pojmem mimikry se označuje podobnost dvou (nebo více) druhů, jejíž cílem je chránit jeden nebo oba (všechny) druhy před predátory. Objev mimiker se datuje do doby před cca 130 lety, kdy postupně přírodovědci Fritz Müller a Henry Walter Bates popsali různé typy tohoto fenoménu. Jsou tedy známy dva základní typy mimiker, které mají různý dopad na lokální variabilitu zúčastněných druhů: batesovské a müllerovské. Jako klasický příklad batesovských mimiker byl uváděn druh Limenitis archippus mimetizující druhy Danaus plexippus a Danaus gilippus. Ukázalo se ale, že L. archippus je stejně nechutný jako D. plexippus a více než D. gilippus, čili jedná se o müllerovské mimikry.
Mimikry nejsou jen záležitostí blízce příbuzných druhů, ale často se jedná o napodobování jedinců různých řádů (např. mouchy (Diptera), brouci (Coleoptera) a motýli (Lepidoptera) napodobující vosy (Hymenoptera). Zároveň se často jedná o skupinu druhů, která může zahrnovat oba typy mimiker: jedovaté/nebezpečné druhy napodobující se navzájem (müllerovské mimikry) a je napodobující bezbrané druhy (batesovské mimikry).
Batesovské mimikry, pojmenované podle britském přírodovědci a současníkovi Charlese Darwina Henry Walterovi Batesovi, se týkají druhu, který je bezbranný proti predátorům a který napodobuje místní druh (tzv. model), který se bránit dokáže (žihadlem, jedem, nechutností, ...). Poté, co naivní (= nezkušený) predátor ochutná jedince z modelového druhu, nechce jíst jedince stejného vzhledu. Pokud se ale naivní predátor bude v sensitivním období setkávat s jedinci mimetizujícího druhu, bude se pak pokoušet jíst i jedince modelového druhu. Tyto mimikry tedy fungují pouze za situace, že mimetizujících jedinců je méně než modelů. Jak jejich frekvence narůstá, přestává odrazující zbarvení fungovat a to jak pro mimika tak pro model, takže v zájmu modelu je nebýt mimetizován a bude se snažit změnou zbarvení mimikovi unikat. Výsledkem tedy bude polymorfismus ve zbarvení a to jak u modelu tak u mimika, který může navíc začít napodobovat různé lokální nechutné/nebezpečné druhy (což bylo u druhů s batesovskými mimikrami skutečně pozorováno).
Müllerovské mimikry, pojmenované podle německém přírodovědci Fritzovi Müllerovi, vznikají mezi dvěma nechutnými/obranyschopnými druhy, které se navzájem napodobují. Narozdíl od předchozího případu, kdy se mimik přizpůsoboval a model unikal, zde se oba druhy navzájem podobat chtějí, protože společně vychovávají predátory a počet sežraných jedinců/druh je tak menší. Divergence mimiker v lokální populaci tak bude minimální. Zároveň protože výhodné mutace se rychle zafixují a není potřeba polymorfismus, není selekční tlak na těsnou vazbu. Narozdíl od teorie batesovských mimiker müllerovské mimikry jsou mírně kontroverzní (některé modernější matematické modely tvrdí, že výhoda sdílených nákladů není tak vysoká a záleží na konkrétních podmínkách, např. rychlost učení predátora). Ve skutečnosti je to spíše tak, že nový a málo početný nejedlý druh se přizpůsobuje lokálnímu početnému nejedlému druhu. Modelový druh z toho rovněž profituje, protože se tím zvyšuje počet jedinců, kteří se podílejí na výuce predátora, takže mimikovi neuniká. Případně se může jednat o tzv. kvazi-batesovské mimikry, kdy se méně jedovatý druh přizpůsobuje více jedovatému druhu. Od svého objevu byly müllerovské mimikry popsány u různých skupin hlavně hmyzu, ale i některých obratlovců (žab, hadů a ptáků). Nejvíce článků o müllerovských mimikrách se týká motýlů, přičemž nejzkoumanější skupinou jsou motýli rodu Heliconius.
P. dardanus žije v subsaharské Africe a je druhem s velice zajímavým typem mimiker. Zatímco samci vypadají stejně, samice tvoří 14 různých morf, z nichž většina napodobuje lokálně se vyskytující nechutné druhy čeledi Danaidae (batesovské mimikry), v jedné populaci bylo pozorováno až šest morf. Toto samičí zbarvení je řízeno jediným lokusem H, u kterého je známo 11 alel. Molekulární podstata tohoto lokusu není známa a jsou dvě teorie, které popisují jak by mohl vypadat. Jednou teorií je kontrolní lokus, jehož alely se liší v tom, v jakém čase a místě zapínají cílové geny (které nemusejí být ve vazbě). Druhá teorie je supergen, kdy je v těsné vazbě několik genů. Alela supergenu je pak skupina nerekombinujících alel, které vytvářejí konkrétní kombinace napodobující určit druh.
31
Babočky rodu Heliconius představují skupinu motýlů, která vykazuje velkou diferenciaci v barvě křídel mezi druhy i v rámci druhu. Žijí v tropických a subtropických oblastech od jižní Ameriky až na jih USA. Housenky se živí mučenkou, což jim i dospělcům propůjčuje nepříjemnou chuť, která odpuzuje predátory.
32
Svou nechutnost dospělci potenciálním predátorům signalizují nápadným a kontrastním zbarvením křídel, které je některými nepříbuznými motýli napodobováno (batesovské mimikry) a aby zvýšili množství jedinců se stejným patternem a tím za cenu co nejmenších ztrát vychovaly predátory, napodobují se i různé druhy rodu Heliconius navzájem případně se napodobují navzájem s jinými nechutnými rody (müllerovské mimikry). Geny řídící zbarvení křídel byly hledány u tří druhů rodu Heliconius: H. melpomene, H. erato a H. numata. H. melpomene a H. erato jsou sice fylogeneticky vzdálenější, ale navzájem se napodobují a vytvořili přes 30 známých barevných patternů, přičemž v rámci populací jsou monomorfní. H. numata je příbuzný H. erato, ale jejich pattern zbarvení křídel je velice odlišný. H. numata tvoří řadu barevných variant, přičemž každá je přesnou napodobeninou různých druhů rodu Melinaea a tyto varianty se vyskytují i v rámci jedné populace.
33
Zbarvení křídel u H. melpomene a H. erato jsou řízeny několika geny velkého účinku. U H. melpomene jsou to tři lokusy v těsné vazbě (N, Yb a Sb) řídící žluté a bílé zbarvení, B a D na jiném chromosomu řídí červené zbarvení. Další geny, které jsou na jiných chromosomech, s těmito geny interagují a řídí zbarvení určitých oblastí křídel. U H. erato je to podobné, přičemž žlutá a bílá je řízena jediným lokusem Cr. U H. numata bylo zjištěno, že všechno žluté, hnědé, oranžové a černé zbarvení týkající se mimiker je řízeno jediným lokusem P, který je homologní lokusu N-Yb-Sb u H. melpomene a Cr u H. erato a vliv ostatních lokusů řídící zbarvení a pattern křídel u ostatních helikoniů je minimální. Cca 400 kbp úsek obsahující P faktor nevykazuje žádnou rekombinaci a obsahuje několik lokálních inverzí. Tento způsob dědičnosti zbarvení je typický pro batesovské mimikry, přestože H. numata je považován za typického müllerovského mimika. Ve skutečnosti se tak může jednat o kvazi-batesiánské mimikry, kdy méně nechutný druh (H. numata) napodobuje více nechutný druh (motýly rodu Melinaea).
34
35
Existuje více než 400 plemen psů, která vykazují rozdíly v morfologii, fyziologii a chování. Psi jsou unikátní svou diverzitou nejen mezi dalšími psovitými šelmami (nebo i šelmami obecně), ale i mezi ostatními domácími zvířaty. Různá plemena se dramaticky liší např. velikostí (1 kg čivava vs. 100 kg mastif), morfologií kostí a chováním (letargická vs. superagresivní plemena, lovečtí psi, pastevečtí, atd.). Pes je jediná velká domestikovaná šelma, přičemž počátek domestikace zřejmě proběhl před počátky zemědělství, tedy před více než 10 000 let, ale podle archeologie se psi objevili už před 15-33 000 let v Evropě a na Sibiři u lovců a sběračů. Populace vlků, ze které byli odvozeni první domestikanti, není jasná kvůli pozdějším opětovným křížením s divokým vlkem, ale jaderná DNA napovídá, že se jednalo o vlky z Evropy a středního východu, zatímco mtDNA ukazuje na vlky z východní Asie. Takto raná domestikace napovídá, že vztah člověka a protopsa byl jiný než u ostatních (pozdějších) domácích zvířat, pravděpodobně mnohem volnější, kdy některé vlčí smečky následovaly člověka. S nástupem zemědělství patrně začala i intenzivnější selekce na menší velikost a poslušnost. Největší radiaci plemen ale psi zaznamenali před 200 lety se zavedením systematického šlechtění, které zahrnovalo hlavně křížení stávajících plemen a selekci žádoucího znaku u potomstva, ale i udržení nových mutací. Tyto dvě události (počátek domestikace a nedávná radiace) byly provázeny dvěma bottlenecky, přičemž první byl poměrně široký, zatímco druhý velmi úzký kvůli omezenému počtu zvířat na počátku tvorby plemen a následnému příbuzenskému křížení. Identifikace genů zodpovědných za znaky typické pro určitá plemena ukázala, že se jedná o malé množství genů velkého účinku. Vedlejším produktem tohoto procesu jsou různé dědičné choroby, které některá plemena zatěžují. Tato unikátní populační historie dělá ze psa vynikající model pro mapování genetické
36
podstaty některých znaků, díky extenzivní vazebné nerovnováze a také protože díky genetickému driftu v izolovaných populací došlo k redukci haplotypové diverzity. Také se zdá, že většina variability v morfologii je řízena málem genů s velkým účinkem, narozdíl od člověka, kde se variability některých morfologických znaků (např. výška) účastní mnoho genů malého účinku, které je velice těžké identifikovat. Důvod je asi ten, že nové varianty s velkým účinkem jsou chráněny umělou selekcí. Studium variability u psů by mohlo odhalit geny, které se na variabilitě člověka také podílejí.
36
37
Pomocí GWAS byl byl např. identifikován retrogen růstového faktoru, který sdílí 19 plemen s chondrodystrofií. Exprese tohoto duplikovaného genu zřejmě způsobuje zkrácení končetin (chondrodystrofii).
Bylo identifikováno několik lokusů, které stojí za morfologickými znaky, kterými se plemena odlišují. Pomocí genome wide association studies (GWAS) byly u jednotlivých plemen nalezeny lokusy řídící tyto znaky: velikost (IGF1), typ kožichu (RSPO2, FGF5, KRT71) a zbarvení kožichu (MITF, CBD103). Pokud je znak sdílen více plemeny, je potřeba provést GWAS mezi plemeny.
39
40
Metoda GWAS identifikovala, mimo jiné, i retrogen FGF4 asociovaný s chondrodysplastickými plemeny a lokus THBS2 asociovaný s brachycefalickými plemeny (plochá hlava). Oblasti genomu s vysokou diverzifikací jsou známkou selekce. Oblasti s vysokým výskytem SNPs mezi plemeny jsou spojena se znaky, kterými se plemena liší, tedy velikostí, morfologií ucha, a zbarvením srsti. Např. u Shar-Pei se na chromosomu 13 našel gen HAS2, který je zřejmě za svraštělou kůží tohoto plemene. Pomocí GWAS byly hledány i lokusy zodpovědné za chování. Bylo srovnáno 18 troufalých (bold) a 19 netroufalých plemen (non-bold) – signifikantní asociace byla nalezena ve dvou SNPs na chromosomu 10 ve stejné oblasti, kde by měl být i lokus pro pokleslé ucho a velikost (ale není to pleiotropní efekt jednoho genu, jsou jen blízko sebe). Další testované behaviorální znaky byly sociabilita, zvědavost, hravost, ochota k pronásledování a agresivita. Sociabilita (postoj k neznámým lidem) byla asociována s řadou SNPs, nejprůkazněji na chromosomu X, v oblasti, kde byly zamapovány i znaky pro velikost těla a tvar lebky.
Zajímavým aspektem domestikace je fakt, že u různých druhů domestikovaných zvířat se nezávisle objevují tytéž znaky: 1) ztrácejí divoké chování typické pro svůj druh při reakci na člověka, 2) zesílí se jejich reprodukční aktivita a stane se nezávislou na podněty z prostředí, jako je např. fotoperioda a začnou se množit v libovolnou dobu a často vícekrát a rok, 3) často se objevují změny ve velikosti těla, proporcích těla, barva, délka a textura srsti. Některé z těchto znaků jsou považované za typické znaky domestikace (bílé skvrny, pokleslé uši, stočené ocasy). Tyto změny mohou dělat buď různé geny zahrnuté v různých vývojových drahách, nebo klíčové geny s mnoha regulačními funkcemi, které se účastní více drah najednou a za určitých okolností jsou cílem selekce. Podle D.K. Beljajeva je klíčovým faktorem selekce na počátku domestikace přivyknutí novému sociálnímu prostředí, tj. kontakt s člověkem. Podle něj jsou geny, které kontrolují chování, klíčové regulátory během vývoje. Selekce na změnu chování tedy jako vedlejší produkt přinesla i fenotypové znaky, které jsou s domestikací spojovány. Na ověření své teorie zahájil Beljajev v polovině 20. století pokus o domestikaci stříbrné lišky, který trvá dodnes.
42
43
Pro ověření této teorie provedl pokus na stříbrných liškách, což je barevná forma lišky obecné (Vulpes vulpes) před cca 50 lety. Lišky byly vybrány ze dvou důvodů: jsou příbuzné psům a jejich klecový chov byl k dispozici od počátku 20. století (tj. cca 50 let před zahájením experimentu), takže už byly trochu zvyklé na člověka, což zkrátilo experiment. I když lišky byly v zajetí cca 50 let, stále si zachovávaly znaky divokých zvířat – sezónní množení stejně jako divoké lišky, standartní morfologii a agresivní chování vůči lidem (vrčení a kousání). Na počátku testu bylo na farmách testováno několik tisíc lišek behaviorálním testem, který spočíval v tom, že experimentátor přišel ke kleci, otevřel jí a sledoval reakci lišky. Cca 10% lišek vykazovalo agresivní chování velmi slabě nebo vůbec ne. Z těch bylo vybráno 100 samic a 30 samců, jako rodiče další generace. Důležitým aspektem pokusu bylo, že předmětem selekce bylo pouze chování, žádný morfologický znak. Šlo o to zjistit, jestli tento jediný selekční tlak dokáže způsobit domestikaci (a vyprodukovat fenotypy typické pro domestikovaná zvířata). Experimentátoři během odměřeného času zkoušeli liščata krmit z ruky a hladit je po dobu 2-2,5 měsíců. Liščata, která po této době byla stále agresivní, byla vyloučena z dalšího množení, 10% nejkrotčích liščat se stalo rodiči pro další generaci. Při takto silném selekčním tlaku se potomci reagující agresivně nebo bázlivě po 2-3 generacích přestali objevovat. Při 4. generaci se začala objevovat liščata, která při styku s člověkem vrtěla ocasem, v dalších generacích přibývalo chování typické pro psy. Při 6. generaci se objevila liščata vyžadující kontakt s člověkem, která kňučela a olizovala jako psi – tato liščata byla označena jako elitní. V 6. generaci jich bylo
44
1,8%, v 10. generaci 17,9%, v 20. generaci 35%, v 30. generaci 49%, v roce 2005/2006 jsou téměř všechny lišky z této populace elitní. Během celého experimentu bylo použito 10 500 lišek jako rodiče, bylo získáno celkem 50 000 potomků. Výsledek je velmi impresivní: domestikované plemeno, které se chováním podobá psům.
44
Silná selekce na ochočenost přinesla i další změny: 1) zvířata byla schopná „číst“ lidská gesta, 2) rozšířila se doba, po kterou se zvířata chtěla pářit (původně jen leden-březen), některé samice se pářily i 2x ročně. Takových zvířat nebylo mnoho, ale je důležité, že se objevila. V přírodě je totiž doba množení pod silnou kontrolou selekce. 3) Objevovaly se některé znaky známé od plemen psů, jako barva kožichu (8.-10. generace) – nejčastěji bílé skvrny (star spotting) a hnědé kropenatění. Star spotting je způsoben neúplně dominantní autosomální Star mutací, podstata hnědého kropenatění není známa – u psů to dělá mutace v agouti lokusu. Podle kulturně-historických záznamů se tyto znaky objevovaly i u prvních psů. Dalšími znaky byly visící uši a stočený ocas. V pokročilejších fázích selekce se objevovaly změny na kostře, jako krátké nohy, ocas, čumák a vrchní čelist a širší lebka. Některé z těchto znaků se objevovaly i u lišek na farmě, které nebyly selektovány, ale s menší frekvencí – lišky na farmě jsou také pod určitou selekcí na přítomnost člověka.
45
46
Některé behaviorání a morfologické změny jsou ve skutečnosti způsobené opožděným vývojem normálních znaků. Pozitivní reakce na člověka, povislé uši, široká lebka, krátký čumák a stočený ocas jsou juvenilní znaky. Ke zpoždění dochází již během embryonálního vývoje. Typickým příkladem jsou bílé skvrny. Ty vznikají při opoždění proliferace buněk neurální lišty, které jsou mimo jiné prekurzory melanocytů. To vede k absenci melanocytů v některých částech těla a tím jejich depigmentaci. Zatímco některé znaky jsou zpomalené, urychluje se pohlavní dospělost (cca o měsíc). Mnoho vědců se domnívá, že právě neotenie je mechanismem transformace domácích zvířat. Pokus s liškami napovídá, že i tady se jedná o neotenii, způsobenou selekcí na ochočenost. Jde o to, že u savců na počátku života existuje omezená doba, kdy se zvíře socializuje , prozkoumává prostředí a adaptuje se na konkrétní sociální podmínky, tvoří si vazby. Toto období začíná s aktivitou smyslových orgánů a schopností pohybu. Po skončení tohoto období socializace zvíře reaguje na nové podněty strachem. Selekce na ochočenost zřejmě prodlužuje tuto dobu socializace. Je možné, že geny, které řídí zrání mozku, mají více funkcí a řídí i vývoj dalších znaků. Neuroendokrynní změny spojené s domestikací Sociální chování je spojené se statutem glukokortikoidů (GC). Konec explorační aktivity, který je typický pro konec období socializace, je spojen se zvýšením úrovně GC v plazmě. U ochočených liščat je odložen konec tohoto období i zvýšení GC. GC tedy zřejmě fungují jako koordinátory časování vývoje. Je dokázáno, že během embryonálního vývoje GC
47
fungují jako inhibitory buněčné proliferace a promotory buněčné diferenciace. Funkce osy HPA u domestikovaných lišek klesá s narůstající ochočeností. Úroveň GC u 20. generace dometikovaných lišek byla 2x nižší než u lišek z farem, u 45. generace 3-5 nižší. Tato data napovídají, že geny pro kontrolující úroveň GC v plazmě byly při domestikaci předmětem selekce. U ochočených lišek byla nízká úroveň GC i během těhotenství a laktace, takže jejich mláďata byla nízké koncentraci GC vystavena již v embryonálním vývoji. Vzhledem k různým funkcím, které GC mají, může mít toto dopad na vývoj mláďat. Vliv má i exprese GC receptoru ve frontálním kortexu a v hippokampu, struktuře, která je zodpovědná za chování a aktivitu HPA osy. Exprese GCR je v těchto částech mozku vyšší u domestikovaných zvířat, což má za následek nižší produkci adrenalinu a tak slabší reakci na stres. Domestikace rovněž ovlivňuje neurotransmitery. Serotininový systém inhibuje agresivitu, u domestikovaných lišek byla nalezena vyšší hladina serotoninu. Vyšší je i hladina tryptofan hydroxilázy, klíčového enzymu v syntéze serotoninu (vyšší hladina u ochočených lišek). Serotonin je zároveň multifaktoriální signální molekula, která je důležitá během vývoje a schopná aktivovat genové kaskády. Zdá se tedy, že za domestikací stojí malá skupina genů velkého účinku, patrně (nebo spíš mimo jiné) exprimovaných v hypothalamu (tam se hlavně hledaly), který přizpůsobuje behaviorální a neuroendokrynní odpovědi na vnější prostředí. Tyto geny mění expresi downstream genů. Úroveň exprese genů v hypothalamu se moc neliší mezi divokými psovitými šelmami (vlk a kojot, odděleni před 2 My), ale velmi se liší mezi psi a divokými psovitými. Selekce na ochočenost tedy vedla ke změně exprese genů v hypothalamu a tím i ke změně dalších znaků, které jsou řízeny jejich pleiotropním efektem i downsteram geny.
47
Paralelně s domestikačním experimentem probíhala i tvorba agresivního agresivního plemene lišek, které byly naopak selektovány na maximálně negativní vztah k člověku. Toto plemeno je nyní k dispozici pro srovnávací studie a mapování lokusů zodpovědných za chování.
48
U domácích lišek je udělaná genetická mapa mikrosatelitních markerů, křížením agresivních a ochočených lišek se podařilo geneticky zamapovat lokus, který je zřejmě zodpovědný za agresivní/ochočené chování, a to na chromosom 12, který odpovídá psímu chromosomu 5, konkrétně úseku, který je u psů zodpovědný za stejné znaky. U lidí existuje porucha sociálního chování – Williams-Beuren syndrom, který je charakterizován jako nadměrné sdružování. Williams-Beuren syndrom je způsoben delecí části chromosomu 7 s několika geny, jejímž výsledkem jsou fyziologické problémy a mentální retardace (IQ 50-60), ale vysoké verbální schopnosti a nedostatek sociální inhibice (častý oční kontakt, objímají cizí lidi, vyžadování lidského kontaktu). Lokus pro tento syndrom je leží na chromosomu 7. Srovnáním psího a vlčího polymorfismu byl nalezen i polymorfismus, kterým se obě skupiny liší, a který leží v psím homologu genu WBSCR17, který je zodpovědný za W-B syndrom, čili je možné, že tento gen se podílel na změně temperamentu a chování psů během domestikace.
50
51
52
