Untitled

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