У шимпанзе, как и у людей, число мутаций у потомства зависит от возраста отца
Анализ геномов девяти шимпанзе, представляющих три поколения одной семьи, показал, что средний темп мутирования у ближайших родичей человека примерно такой же, как у нас: около 1,2×10–8 на нуклеотид за поколение, что соответствует примерно 70 новым мутациям у каждого детеныша. Как и у людей, количество новых мутаций у потомства не зависит от возраста матери, но сильно зависит от возраста отца в момент зачатия: каждый лишний год, прожитый отцом, прибавляет его потомкам в среднем по три мутации (у человека — по две). Это различие, скорее всего, связано с более интенсивным производством сперматозоидов у шимпанзе, у которых самки спариваются со многими самцами подряд, что порождает «спермовые войны».
Скорость мутагенеза — один из ключевых показателей, определяющих динамику эволюционных изменений. До недавних пор эту величину вычисляли по косвенным признакам: например, сопоставляли время появления групп, оцененное по палеонтологическим данным, с уровнем различий между их геномами (см. Молекулярные часы). В последние годы благодаря развитию новых мощных методов секвенирования геномов (см. DNA sequencing: Next-generation methods) появилась возможность измерять темп мутагенеза напрямую, сравнивая геномы родителей и их потомков.
Эту технологию уже успели применить к человеку. Так, в 2012 году в журнале Nature были опубликованы результаты полногеномного анализа 78 исландских семей — «троек», состоящих из отца, матери и ребенка (А. Kong et al., 2012. Rate of de novo mutations and the importance of father’s age to disease risk). Исследование показало, что темп мутагенеза составляет около 1,2×10–8 на нуклеотид за поколение. В пересчете на весь геном это означает, что каждый ребенок получает от родителей в среднем 74 новые мутации.
Эти цифры оказались неожиданными, поскольку косвенные оценки, основанные на филогенетических реконструкциях и палеонтологических данных, говорили о вдвое более высоком темпе мутагенеза у людей. Причина несоответствия, по-видимому, заключается в том, что у человекообразных обезьян после их отделения от других приматов произошло существенное снижение скорости мутирования (в расчете на один год). Снижение могло быть связано с увеличением возраста начала размножения и с замедлением процесса формирования половых клеток. Если новые данные верны (а сомневаться в этом становится всё труднее по мере появления новых публикаций), то многие датировки ключевых моментов антропогенеза, возможно, потребуют пересмотра в сторону удревнения. Например, расхождение линий человека и шимпанзе, произошедшее, согласно прежним оценкам, 6–7 млн лет назад, может быть отодвинуто в прошлое до 10–13 млн лет назад. Правда, тут есть много тонкостей, одна из которых состоит в том, что время дивергенции геномов, определяемое по «молекулярным часам», в силу ряда объективных причин может находиться глубже в прошлом, чем время реального видообразования (разделения популяций). Подробнее об этом см. в статье: A. Scally, R. Durbin, 2012. Revising the human mutation rate: implications for understanding human evolution (PDF, 812 Кб).
Еще один важный результат, полученный в ходе полногеномного анализа человеческих семей, состоит в том, что отец и мать вносят неодинаковый вклад в суммарный «мутационный груз», получаемый ребенком от родителей. Из общего числа новых мутаций, полученных ребенком, от матери ему достается примерно 15, а от отца — все остальные. При этом число новых мутаций у ребенка почти не зависит от возраста матери, но очень быстро растет с возрастом отца. Каждый лишний год жизни отца прибавляет ребенку примерно две новые мутации.
Объясняется это тем, что у женщин от зачатия до формирования зрелой яйцеклетки проходит всего 24 клеточных деления и 23 акта репликации хромосом (перед вторым делением мейоза хромосомы не удваиваются). Репликация хромосом женской зародышевой линии заканчивается еще во время внутриутробного развития, а в течение жизни женщины хромосомы ее половых клеток больше не реплицируются. Соответственно, и число мутаций в них почти не растет, ведь большая часть мутаций в клетках зародышевой линии — это ошибки репликации.
У мужчин ситуация иная. Клетки — предшественники сперматозоидов делятся в течение всей взрослой жизни, претерпевая по одному делению каждые 16 дней (23 деления в год) начиная с достижения половой зрелости. Считается, что сперматозоиды 15-летнего мужчины прошли примерно 35 клеточных делений, 20-летнего — 150, 30-летнего — 380, 40-летнего — 610, 50-летнего — 840. Каждый акт репликации — это риск дополнительных мутаций, поэтому чем старше мужчина, тем больше мутаций в его сперматозоидах (J. F. Crow, 2000. The origins, patterns and implications of human spontaneous mutation). Об этих фактах и исследованиях подробно рассказал А. С. Кондрашов в интервью, опубликованном на «Элементах» (Алексей Кондрашов, Надежда Маркина. Жизнь без отбора: благо или опасность?).
И вот мы наконец получили возможность сравнить параметры мутационного процесса Homo sapiens и наших ближайших родичей — шимпанзе. Генетики из Великобритании и Нидерландов отсеквенировали и сравнили полные геномы девяти шимпанзе из трех поколений одной семьи (рис. 2).
Несмотря на маленькую выборку (всё же такие исследования и сегодня остаются крайне дорогостоящими и трудоемкими), полученные данные позволили приблизительно оценить ключевые количественные характеристики мутагенеза у шимпанзе.
Авторы подсчитали новые мутации у шести особей, а именно тех, для которых были известны родительские геномы: D, E, F, G, H, I. В общей сложности у них нашли 204 новые мутации в аутосомах и три — в X-хромосоме. Среди найденных мутаций значительную долю (24%) составляют замены C на T (C>T-транзиции) в динуклеотидах CG (см. CpG site). У человека такие замены составляют 17% вновь возникающих мутаций.
Вновь возникающие мутации распределяются по геному не совсем равномерно: они проявляют тенденцию к кластеризации. Иными словами, если в ходе репликации в каком-то локусе возникла мутация, вероятность того, что в ходе того же самого акта репликации где-то по соседству возникнет еще одна, повышается. У людей обнаружены сходные закономерности, причины которых еще предстоит выяснить. При этом вероятность возникновения новой мутации не зависит от «смыслового содержания» данного участка ДНК, будь то уникальная или повторяющаяся последовательность, ген или межгенный промежуток.
Для большинства выявленных мутаций авторам удалось определить (по набору полиморфизмов в окрестностях мутации), получена ли она от отца или от матери. Оказалось, что у шимпанзе, как и у людей, отцы по сравнению с матерями передают своим детям геномы, гораздо сильнее подпорченные мутациями. «Отцовских» мутаций обнаружилось в 5,5 раз больше, чем «материнских» (у человека — в 3,9 раз).
Как и у людей, число новых мутаций у шимпанзе не зависит от возраста матери (мать в любом возрасте передает детенышу в среднем 6,7 новых мутаций), но при этом быстро растет с возрастом отца. Эта зависимость даже в такой маленькой выборке оказалась статистически достоверной. У людей каждый лишний год жизни отца, начиная с момента полового созревания, прибавляет потомкам в среднем по 1,95 новых мутаций, а у шимпанзе — по 3,02. Различие, скорее всего, связано со структурой брачных отношений. В сообществах шимпанзе самки не имеют обыкновения хранить верность одному самцу, что способствует «спермовым войнам» и отбору на более интенсивный сперматогенез (см. рис. 1).
Если это предположение верно, следует ожидать, что у горилл с их гаремной системой, женской верностью, отсутствием спермовых войн и маленькими семенниками темп увеличения числа мутаций в сперматозоидах с возрастом самца должен быть ниже, чем у шимпанзе и у людей.
Чтобы оценить средний темп мутагенеза у шимпанзе, авторам пришлось учесть важное отличие исследованной группы шимпанзе, живущей в неволе, от диких сородичей. В неволе шимпанзе обычно начинают размножаться в более раннем возрасте, чем в природе. По-видимому, это связано с иерархическими, конкурентными отношениями в естественных сообществах шимпанзе, где подростки редко допускаются до участия в размножении. Так или иначе, в исследованном семействе шимпанзе средний «возраст отцовства» (то есть средний возраст самцов в момент зачатия детенышей) составляет 18,9 лет, а средний «возраст материнства» 15,0 лет. Для диких популяций шимпанзе, по имеющимся оценкам, эти цифры значительно выше: 24,3 для самцов и 26,3 для самок. У современных людей средний возраст отцовства еще выше: около 31,5 лет. Иными словами, у диких шимпанзе самцы в момент зачатия детенышей в среднем старше, чем в исследованной популяции, а значит, мутаций у их потомства должно быть больше. С учетом этой и ряда других поправок авторы рассчитали, что среднее число новых аутосомных мутаций у диких шимпанзе должно быть около 69, а темп мутагенеза — 1,2×10–8 на нуклеотид за поколение (как и у людей).
Если эти оценки верны (напомним, что они основаны на очень маленькой выборке и могут быть существенно уточнены в будущем) и если темп мутагенеза не подвергался существенным колебаниям со времен расхождения предков шимпанзе и людей, то при помощи метода молекулярных часов можно в очередной раз попытаться оценить время жизни последнего общего предка человека и шимпанзе. Авторы проделали это и получили результат: 13 миллионов лет назад. К похожим оценкам недавно пришли и другие авторы (K. Langergraber et al., 2012. Generation times in wild chimpanzees and gorillas suggest earlier divergence times in great ape and human evolution).
Но всё же самый интригующий результат исследования — это указание на возможность влияния структуры социума и брачных отношений на скорость молекулярной эволюции. Влияние может быть двояким: во-первых, число мутаций у потомства зависит от возраста, в котором самцы начинают участвовать в размножении, и который, в свою очередь, определяется не только физиологией, но и общественным устройством и культурными традициями. Во-вторых, «спермовые войны», характерные для промискуитетных сообществ, способствуют отбору на интенсификацию сперматогенеза, что может привести к ускоренному росту числа мутаций в сперматозоидах с возрастом самца.
Источник: Oliver Venn, Isaac Turner, Iain Mathieson, Natasja de Groot, Ronald Bontrop, and Gil McVean. Strong male bias drives germline mutation in chimpanzees // Science. 2014. V. 344. P. 1272–1275.
См. также:
Алексей Кондрашов, Надежда Маркина. Жизнь без отбора: благо или опасность?.
Александр Марков
Источник: elementy.ru.
Рейтинг публикации:
|
Рис. 1. У ближайших родственников человека — шимпанзе и бонобо (на фото) — самки часто спариваются с несколькими самцами подряд. Это приводит к конкуренции между самцами на уровне спермы («спермовым войнам»), что, в свою очередь, способствует отбору на увеличение семенников и интенсификацию сперматогенеза. Возможно, именно поэтому число мутаций в сперматозоидах у шимпанзе растет с возрастом самца в полтора раза быстрее, чем у людей. Фото с сайта kevishere.files.wordpress.com