Нейтральні мутації і генетичний дрейф

Що таке користь? Як випадкова мутація перетворює аутсайдерів в процвітаючих переможців? Що важливіше для еволюції - війна або співробітництво?

Книга Олександра Маркова та Олени Наймарк розповідає про новітні дослідження молекулярних генетиків і знахідки палеонтологів, які дають відповіді на ці та багато інших питань про видозмінах в природі. Тисячі відкриттів, зроблених з часів Дарвіна, підтверджують припущення родоначальників теорії еволюції; нові дані нітрохи не руйнують основи еволюційної теорії, а навпаки, лише зміцнюють їх.

Книга: Еволюція. Класичні ідеї в світлі нових відкриттів

Нейтральні мутації і генетичний дрейф - рух без правил

Ландшафт пристосованості - образ яскравий і корисний, але, як і будь-яка модель, він недосконалий. Багато аспектів еволюційного процесу з його допомогою відобразити важко або неможливо. Реальний ландшафт пристосованості мінливий (втім, як і реальні гірські системи). Якщо один білок в клітці змінився, це хоч трохи, але змінить властивості клітини, її поведінку і внутрішнє середовище - а значить, і «вимоги», що пред'являються відбором до інших білків. Їх ландшафти пристосованості стануть трохи іншими. Зміна одного виду в співтоваристві неминуче вплине на фактори відбору, що діє на інші види, і т. Д.

Крім того, важко уявити собі такий ландшафт, який точно відбив б реальне співвідношення шкідливих, корисних і нейтральних мутацій. Як правило, більшість мутацій нейтральні - принаймні у вищих організмів, еукаріот, у яких в геномах багато ділянок, слабо впливають на пристосованість. На другому місці за чисельністю шкідливі мутації, на останньому - корисні. Нелегко уявити схил такої форми, щоб з кожної точки було більше різних шляхів, паралельних горизонту, ніж шляхів, що ведуть нагору або вниз. Але реальні схили реальних ландшафтів пристосованості саме такі.

Нейтральні мутації - це за визначенням такі мутації, які не впливають на пристосованість, або, що те ж саме, що не піддаються дії відбору. Нам пора познайомитися ближче з цим найпоширенішим в природі класом мутацій. Забудемо на час про ландшафті пристосованості і звернемося до іншої моделі, яка описує процеси, що відбуваються з генетичними варіантами (алелями) в популяції.

Припустимо, у нас є маленька популяція мюмзики з 40 особин. Для простоти приймемо, що мюмзики гаплоидни. т. е. мають одинарний набір хромосом - один-едінственнний екземпляр генома, а не два, як у нас з вами, диплоїдних організмів. Досягнувши віку в один рік, кожен мюмзики народжує кількох дитинчат, а потім відразу вмирає від старості. Всі дитинчата однакові, але вижити з них можуть тільки 40 - більше мюмзики просто не поміщається в старій залізній бочці на дні ставка, де живе вивчається популяція. Смертність дитинчат випадкова - рівно 40 випадково обраних щасливчиків стануть дорослими і через рік зроблять потомство.

Оскільки смертність випадкова, пристосованість мюмзики визначається тільки їх плодючістю, т. Е. Числом дитинчат. Плодючість залежить від генотипу. Припустимо, у мюмзики є один ген, що впливає на плодючість. Позначимо його буквою А. Між іншим, не смійтеся: така модель цілком годиться для вивчення деяких законів популяційної генетики.

Колись у всіх мюмзики був тільки один варіант (аллель) гена А. Позначимо його А1. Але потім у однієї особини відбулася мутація, і в результаті з'явився другий варіант гена - аллель А2. Припустимо (знову-таки для простоти), що в нашій популяції, коли ми приступили до її вивчення, у половини мюмзики ген А був представлений першим варіантом, в іншої половини - другим. Таким чином, частота алелі А2 дорівнює 0,5 (q2 = 0,5) і частота алелі А1 така ж (q1 = 0,5).

Нам потрібно відповісти на питання: як буде змінюватися з часом частота аллеля A2. якщо мутація, яка привела до його виникнення, була нейтральною?

Раз мутація була нейтральною, отже, плодючість володарів обох алелей однакова. Припустимо, вони всі народжують рівно по десять дитинчат. Зрозуміло, потомство успадковує батьківський аллель гена А.

Може здатися, що раз аллели мають однакову пристосованість, то їх так і залишиться порівну. Це неправильна відповідь. На малюнку [см. ниже] показаний результат чотирьох запусків нашої моделі. Ми бачимо, що частота А2 у всіх чотирьох випадках хаотично коливалася (по-науковому такі коливання якраз і називаються випадковими блуканнями). Блукання тривають до тих пір, поки частота алелі не впреться або в верхню «точку неповернення» (q2 = 1, частота аллеля досягла 100%, аллель зафіксувався в генофонді), або в нижню (q2 = 0, частота впала до нуля, аллель елімінувати з генофонду).

Так буває завжди. Якщо аллель нейтральний, його частота буде «випадково блукати» між нулем і одиницею до тих пір, поки не упреться або в верхній, або в нижню межу. Рано чи пізно нейтральний аллель або зафіксується (досягне частоти 1), або виводиться - зникне з генофонду. Третього не дано. Таким чином, блукання хоч і випадкові, їх результат передбачуваний. Ми точно знаємо, що справа закінчиться або фіксацією, або елімінацією. Чим більше популяція, тим в середньому довше доведеться чекати результату [17]. але він все одно неминучий.

Тут саме час сказати, що випадкові, які не залежать від пристосованості зміни частот алелей називаються генетичним дрейфом. Під владою дрейфу знаходяться всі нейтральні мутації (а в маленьких популяціях частково також і шкідливі з корисними, але про це пізніше).

Чи можна обчислити вірогідність того, що нейтральний аллель зрештою зафіксується, а не виводиться? Так, це просто. У нашому прикладі аллели А1 і А2 початково перебували в рівному становищі, тому що в обох була частота 0,5. Очевидно, що в такій ситуації шанси на фіксацію у них повинні бути однаковими і рівними 0,5. У половині випадків А1 зафіксується, А2 елімінується, в половині - навпаки.

Ну а якщо конкуруючих нейтральних алелей не два, а, скажімо, чотири і початкові частоти у них теж однакові (0,25)? У цьому випадку справа закінчиться фіксацією одного з алелів і елімінацією трьох інших, причому для кожного алелі ймовірність фіксації дорівнює 0,25. Таким чином, очевидно, що ймовірність фіксації нейтральної мутації в майбутньому просто-напросто дорівнює її частоті в даний момент: Pfix = q.

Якщо ви, дорогі Новомосковсктелі, ще не втомилися від цієї примітивної математики, то дозвольте познайомити вас ще з двома простими, цікавими і корисними формулами.

Скільки нейтральних мутацій буде фіксуватися в популяції в кожному поколінні? (Маються на увазі мутації вже не в одному і тому ж, а в різних генах.) Якщо ми зуміємо це обчислити, то отримаємо прекрасний інструмент - молекулярні годинник. Тоді ми зможемо за кількістю нейтральних генетичних відмінностей визначити, коли жив останній загальний предок порівнюваних організмів.

Висновок цієї формули - справжній шедевр «біологічної математики». Судіть самі. Визначимо спочатку, скільки нових мутацій з'являється в популяції в кожному поколінні. Будемо вважати для простоти, що переважна більшість мутацій нейтральні (це недалеко від істини). Відповідь очевидна: U. N, де U - темп мутагенезу (середнє число нових мутацій у кожної новонародженої особини), N - чисельність популяції. Визначити U можна, просто порівнюючи геноми дітей і батьків.

Тепер потрібно зрозуміти, яка частина з цих U. N щойно з'явилися мутацій в результаті зафіксується. Це і буде шукана величина - темп фіксації нейтральних мутацій в генофонді популяції за одне покоління. Позначимо її буквою V.

Ми вже знаємо, що ймовірність фіксації мутації дорівнює її частоті: Pfix = q. Чому ж дорівнює частота щойно з'явилася мутації? Це зовсім просто. Оскільки мутація тільки що з'явилася, вона поки є тільки в однієї особини. Отже, її частота дорівнює 1 / N. Ось, власне, і все. Множимо кількість нових мутацій на ймовірність фіксації кожної з них (т. Е. На частку мутацій, які в підсумку зафіксуються) і отримуємо відповідь: V = U. N. 1 / N. Вражаюче! Чисельність популяції чарівним чином скорочується, і величина N йде з рівняння. Ми приходимо до висновку, що темп фіксації нейтральних мутацій не залежить від чисельності та дорівнює просто-напросто швидкості мутагенезу: V = U. Не знаю, як ви, дорогі Новомосковсктелі, а ми, біологи, приходимо в захват від такої краси.

Нам залишився один крок до молекулярного годинника. Після того як два види, що відбулися від загального предка, розділилися, в їх генофондах незалежно накопичуються нейтральні мутації. За час t (вимірюється в поколіннях) перший вид накопичить V. t = U. t нейтральних мутацій, і другий вид накопичить стільки ж. Спільними зусиллями вони накопичать 2U. t нейтральних відмінностей один від одного. Знаючи темп мутагенезу U і підрахувавши число відмінностей між геномами порівнюваних видів (позначимо його буквою D), визначаємо час життя їх останнього спільного предка: t = D / 2U. Це і є знамениті молекулярні годинник.

Якби темп мутагенезу і швидкість зміни поколінь були однаковими у всіх живих істот, все було б зовсім просто. Але вони, звичайно, неоднакові, тому в обчислення доводиться вносити поправки. А ще є проблема насичення: в якийсь момент - зазвичай після десятків, а частіше сотень мільйонів років - гени розділилися колись видів виявляються настільки «переповнені» нейтральними відмінностями, що величина D перестає рости, хоча нейтральні мутації продовжують фіксуватися. Нижче ми побачимо приклад дослідження, яке показало, як рівень подібності між «випадково блукаючими» послідовностями наблизився до мінімально можливого і далі знижуватися вже не міг.

На щастя, різні ділянки геному накопичують нейтральні зміни з дуже різною швидкістю [18]. Швидко мінливі ділянки ДНК використовуються для датування недавніх подій, а ті, що змінюються повільно, гарні для датування подій сивої давнини.