Полезные мутации у людей — Мастерок

Среди мутаций, закрепившихся в бесполых популяциях, встречаются вредные, тогда как в половых популяциях закрепляются только полезные мутации. В данном случае блестяще подтвердилась идея о том, что половое размножение ускоряет адаптацию, помогая отбору отделять полезные мутации от вредных. Кроме того, при половом размножении полезные мутации, возникшие в разных генах у разных особей, могут объединяться в одном геноме.

Спаривание дрожжей: две гаплоидные клетки, принадлежащие к разным полам (a и α), сливаются в одну диплоидную. До сих пор, однако, ход эволюционных изменений генома в бесполых и половых популяциях не сравнивался напрямую. Оказалось, что при одинаковом темпе мутирования в половых популяциях за 1000 поколений закрепляется в 5 раз меньше мутаций, чем в бесполых популяциях такой же численности.

При половом размножении геномы особей постоянно смешиваются и перетасовываются, а генетические варианты (аллели) оказываются всё время в разных компаниях. Это позволяет отбору работать с полезными и вредными мутациями по отдельности, закрепляя первые и отбраковывая вторые. В ходе эксперимента клетки бесполых популяций всегда находились в гаплоидной фазе и размножались исключительно почкованием.

Рис. 2. Число всех появившихся мутаций (All) и тех из них, которые к концу эксперимента зафиксировались, то есть встречались у всех клеток в данной популяции (Fixed)

После этого отбирались диплоидные клетки, возникшие в результате спаривания, и помещались в условия, способствующие споруляции. Условия содержания бесполых и половых популяций сделали настолько одинаковыми, насколько это было возможно. Все популяции были одинаковой численности (порядка 100 000 особей), содержались в одинаковых емкостях, при одинаковой температуре и на одинаковой питательной среде (YEPD).

Видно, что в половых популяциях мутации меняли свою частоту и фиксировались более или менее независимо друг от друга, тогда как в бесполых популяциях они делали это группами

Идентификация редких мутаций чревата ошибками, поэтому авторы для надежности сосредоточились только на мутациях, частота которых в данной популяции достигала 10% хотя бы в два момента времени. Таким образом, мутации, не получившие заметного распространения, были проигнорированы. Сиреневым цветом обозначены мутации в межгенных участках (intergenic), желтым — синонимичные (synonymous), синим — несинонимичные (nonsynonymous).

Также еще одной серией свидетельств этого являются продолжающиеся мутации в человеческом генофонде

Иными словами, зафиксировались примерно равные доли мутаций всех трех типов. В половых популяциях всё было по-другому. Разумеется, для этого необходимо, чтобы эффект полезной мутации перевешивал суммарные эффекты всех вредных мутаций, распространяющихся вместе с ней за счет «генетического автостопа». Здесь необходимо пояснить, что в долгосрочной перспективе в природных популяциях фиксируется больше всего нейтральных мутаций, в том числе синонимичных.

Такие полезные мутации являются сырьем, которое может быть со временем использовано естественным отбором и распределено среди человечества

Для того, чтобы в популяции численностью 100 000 особей за счет дрейфа зафиксировалась новая нейтральная мутация, требуются временные интервалы порядка сотен тысяч поколений. Кроме того, на рисунке 3 можно видеть, как в бесполых популяциях некоторые группы мутаций сначала быстро наращивают свою частоту, а потом их частота снижается вплоть до полного вымирания.

Для этого штамм, обладающий той или иной мутацией, скрещивали с предковой линией, а из гибридного потомства выделяли многочисленные клоны, содержащие эту мутацию в разных генетических контекстах. После этого следили, как растет или снижается частота мутации в ряду бесполых поколений во всех этих клонах, а результаты усредняли. Другой способ состоял в искусственном внедрении мутаций в геном предкового штамма.

Поэтому полезная мутация может закрепиться лишь вместе со всем своим «генетическим фоном», включая все вредные мутации, которые есть в данном геноме. Этот эффект предположительно связан с тем, что половое размножение повышает эффективность закрепления отбором полезных мутаций и отбраковки вредных. В первом случае зафиксировалось большинство (78%) зарегистрированных мутаций, в том числе 79% несинонимичных, 74% синонимичных и 78% межгенных.