I sjimpanser, som hos mennesker, avhenger antallet av mutasjoner i avkom av farenes alder / / Alexander Markov Scisne?

Fig. 1. På nærmeste slektninger til en person - sjimpanser og bonoboer ( på bildet ) - kvinner ofte parres med flere hanner på rad. Dette fører til konkurranse mellom menn på spermnivået ("sædkrig"), som igjen bidrar til valg av spermatogenese for økning i testikler og intensivering av spermatogenese. Kanskje det er derfor antall mutasjoner i sædceller i sjimpanser øker med den mannlige alderen en og en halv ganger raskere enn hos mennesker. Bilder fra kevishere.files.wordpress.com

En analyse av genomene av ni sjimpanser, som representerer tre generasjoner av samme familie, viste at den gjennomsnittlige mutasjonsraten til nærmeste menneskelige slektninger er omtrent den samme som våren: ca. 1,2 × 10-8 per nukleotid per generasjon, noe som tilsvarer ca 70 nye mutasjoner i hver unge. I likhet med mennesker er antallet nye mutasjoner i avkomene ikke avhengig av morens alder, men avhenger sterkt av farenes alder på tidspunktet for unnfangelsen: hvert ekstra år som faren har, legger til sine etterkommere et gjennomsnitt på tre mutasjoner (hos mennesker to). Denne forskjellen er mest sannsynlig på grunn av den mer intensive produksjonen av sæd i sjimpanser, hvor kvinner er sammen med mange menn på rad, noe som gir opphav til "sædkrig".

Motsatsen for mutagenese er en av nøkkelindikatorene som bestemmer dynamikken i evolusjonære endringer. Inntil nylig ble denne verdien beregnet ved indirekte tegn: For eksempel sammenlignet de tidspunktet for utseende av grupper, estimert fra paleontologiske data, med nivået av forskjeller mellom deres genomene (se Molekylær klokke ). I de senere årene, takket være utviklingen av kraftige nye metoder for sekvenseringsgener (se DNA-sekvensering: Neste generasjons metoder ) ble det mulig å måle frekvensen av mutagenese direkte ved å sammenligne genomene til foreldre og deres etterkommere.

Denne teknologien har allerede blitt brukt på mannen. Så i 2012 publiserte journal Nature resultatene av en fullgenomanalyse av 78 islandske familier - "tripler", bestående av en far, mor og barn (A. Kong et al., 2012. Risikoen for sykdom ). Studien viste at mutagenesen er omtrent 1,2 x 10-8 pr. Nukleotid per generasjon. Når det gjelder hele genomet, betyr dette at hvert barn mottar i gjennomsnitt 74 nye mutasjoner fra foreldrene.

Disse tallene viste seg å være uventede, siden indirekte estimater basert på fylogenetiske rekonstruksjoner og paleontologiske data foreslo en to ganger høyere humant mutagenesenivå. Årsaken til uoverensstemmelsen er tilsynelatende at i de store aber etter separasjon fra andre primater var det en signifikant reduksjon i mutasjonshastigheten (per ett år). Nedgangen kan være forbundet med en økning i alderen av gjengivelse av reproduksjon og med en nedgang i dannelsen av bakterieceller. Hvis de nye dataene er riktige (og det blir stadig vanskeligere å tvile på dette når nye publikasjoner blir tilgjengelige), så kan mange datings av hovedpunktene i antropogenese kreve revisjon mot aldring. For eksempel kan uoverensstemmelsen mellom linjene av mennesker og sjimpanser, som skjedde, ifølge tidligere estimater, 6-7 millioner år siden, flyttes tilbake til fortiden for 10-13 millioner år siden. Det er sant at det er mange subtiliteter, hvorav en er at tiden for genomdivergens, bestemt av "molekylerklokken", på grunn av en rekke objektive årsaker kan være dypere i fortiden enn tidspunktet for ekte spesiering (separasjon av populasjoner). For mer om dette, se artikkel: A. Scally, R. Durbin, 2012. Å revidere den menneskelige utviklingshastigheten (PDF, 812 Kb).

Et annet viktig resultat som er oppnådd i løpet av en fullgenomalyse av menneskelige familier, er at faren og moren gjør et ulikt bidrag til den totale "mutasjonsbyrden" mottatt av barnet fra foreldrene. Av det totale antall nye mutasjoner mottatt av barnet, får han omtrent 15 fra sin mor, og resten fra sin far. Samtidig er antall nye mutasjoner i et barn nesten ikke avhengig av morens alder, men vokser veldig raskt med farenes alder. Hvert ekstra år av fars liv legger til om to nye mutasjoner til barnet.

Dette skyldes det faktum at hos kvinner, fra unnfangelse til dannelse av et modent egg, foregår bare 24 celledivisjoner og 23 kromosomreplikasjonshandlinger (kromosomer dobles ikke før den andre meiose-delingen). Replikasjon av kromosomer av den kvinnelige kimlinjen slutter selv under fosterutvikling, og i livet av en kvinne replikerer ikke kromosomene av hennes bakterieceller lenger. Følgelig vokser antall mutasjoner i dem nesten ikke, fordi de fleste mutasjoner i germ-line-celler er replikasjonsfeil.

I menn er situasjonen annerledes. Progenitorceller av spermatozoer er delt gjennom hele voksenlivet, og gjennomgår en divisjon hver 16. dag (23 divisjoner per år) etter å ha nått puberteten. Det antas at spermier fra en 15 år gammel mann gikk gjennom ca 35 celledivisjoner, en 20 år gammel - 150, en 30 år gammel - 380, en 40 år gammel - 610, en 50 år gammel - 840. Hver replikeringshandling utgjør en risiko for flere mutasjoner, derfor er de eldre mann, jo flere mutasjoner i sperma hans (JF Crow, 2000. Opprinnelsen til menneskelig spontan mutasjon ). A. Kondrashov snakket detaljert om disse fakta og studier i et intervju publisert på Elements (Alexey Kondrashov, Nadezhda Markina. Liv uten valg: bra eller fare? ).

Og her fikk vi endelig muligheten til å sammenligne parametrene til den mutasjonelle prosessen med Homo sapiens og våre nærmeste slektninger - sjimpanser. Genetikk fra Storbritannia og Nederland sekvenseres og sammenlignet de komplette genomene av ni sjimpanser fra tre generasjoner av samme familie (figur 2).

Til tross for den lille prøven (slike studier forblir fortsatt ekstremt dyre og tidkrevende), fikk de oppnådde data oss til å estimere omtrent de viktigste kvantitative egenskapene til mutagenese i sjimpanser.

Forfatterne beregnet nye mutasjoner i seks individer, nemlig de som foreldregenomene var kjent for: D, E, F, G, H, I. I alt fant de 204 nye mutasjoner i autosomene og tre i X-kromosomet. Blant de funnet mutasjoner, består en signifikant andel (24%) av C-substitusjoner for T (C> T-overganger) i CG-dinukleotider (se CpG nettsted ). I mennesker utgjør slike erstatninger 17% av nyoppstartede mutasjoner.

Nylig forekommende mutasjoner er ikke helt jevnt fordelt over genomet: de har en tendens til å gruppere seg. Med andre ord, hvis en mutasjon oppsto i et sted i løpet av replikasjon, øker sannsynligheten for at en annen opptrer et sted i samme replikeringshandling et sted i nabolaget. Lignende mønstre har blitt funnet hos mennesker, og årsakene til dette har ennå ikke blitt avklart. Samtidig er sannsynligheten for en ny mutasjon ikke avhengig av det "semantiske innholdet" av dette DNA-segmentet, enten det er en unik eller repeterende sekvens, et gen eller et intergenisk gap.

For de fleste identifiserte mutasjoner var forfatterne i stand til å bestemme (ved settet av polymorfier i nærheten av mutasjonen) om det ble oppnådd fra faren eller fra moren. Det viste seg at i sjimpanser, som hos mennesker, overfører fedre i sammenligning med mødre genomene til sine barn, som er mye sterkere enn mutasjoner. Det var 5,5 ganger flere paternal mutasjoner enn morsmutasjoner (3,9 ganger hos mennesker).

Som hos mennesker, er antall nye mutasjoner i sjimpanser ikke avhengig av morens alder (moren på hvilken som helst alder overfører en kalv i gjennomsnitt 6,7 nye mutasjoner), men samtidig vokser den raskt med farenes alder. Denne avhengigheten, selv i en så liten prøve, var statistisk signifikant. Hos mennesker legger hvert ekstra år av fars liv, som starter ved pubertet, i gjennomsnitt 1,95 nye mutasjoner til etterkommere, og i sjimpanser legger det til 3,02. Forskjellen er mest sannsynlig på grunn av strukturen i ekteskapsforholdet. I sjimpanseamfunn har kvinner ikke vanligvis lojalitet med en mann, noe som bidrar til "sædkrig" og valg for mer intensiv spermatogenese (se figur 1).

Hvis denne antagelsen er riktig, bør man forvente at gorillene med sitt haremsystem, kvinnelig troskap, mangel på sædkrig og små testikler, bør økningsraten i antall mutasjoner i sædceller med alderen på hannen være lavere enn i sjimpanser og hos mennesker.

For å vurdere gjennomsnittshastigheten for mutagenese i sjimpanser måtte forfatterne ta hensyn til den viktige forskjellen mellom den studerte gruppen sjimpanser som bor i fangenskap og villrelaterte. I fangenskap begynner sjimpanser vanligvis å avle i en tidligere alder enn i naturen. Dette ser ut til å være relatert til hierarkiske, konkurransedyktige forhold i naturlige sjimpanseamfunn hvor tenåringer sjelden får lov til å delta i avl. Uansett, i den studerte sjimpansefamilien, er den gjennomsnittlige "faderskabsalderen" (det vil si gjennomsnittsalderen for menn i øyeblikket av unnfangelsens oppfattelse) 18,9 år, og den gjennomsnittlige "alder av morskap" er 15,0 år. For ville sjimpansepopulasjoner er det anslått at disse tallene er mye høyere: 24,3 for menn og 26,3 for kvinner. I moderne mennesker er fadderens gjennomsnittlige alder enda høyere: ca 31,5 år. Med andre ord, i villkimpanser, er menn i det øyeblikket unnfangelsen av ungdommer i gjennomsnitt eldre enn i den studerte befolkningen, noe som betyr at deres avkom skal ha flere mutasjoner. Med tanke på dette og en rekke andre korreksjoner, beregnede forfatterne at gjennomsnittlig antall nye autosomale mutasjoner i ville sjimpanser skulle være ca. 69, og mutagenesen bør være 1,2 × 10-8 pr. Nukleotid per generasjon (som hos mennesker).

Hvis disse estimatene er korrekte (husk at de er basert på en svært liten prøve og kan bli betydelig forbedret i fremtiden), og hvis mutagenesen ikke har hatt signifikante svingninger siden tidspunktet for divergens mellom forfedre av sjimpanser og mennesker, så bruk molekylerklokkemetoden, kan du prøve igjen levetiden til den siste vanlige forfaren til mann og sjimpanse. Forfatterne gjorde dette og fikk resultatet: 13 millioner år siden. Andre forfattere har nylig kommet til lignende estimater (K. Langergraber et al., 2012. Chimes og gorillaer ).

Men fortsatt er det mest spennende resultatet av forskningen en indikasjon på muligheten for samfunnets struktur og ekteskapsforhold på molekylær evolusjonens hastighet. Innflytelsen kan være todelt: For det første avhenger antallet av mutasjoner i avkommet av den alderen der menn begynner å delta i avl, og som i sin tur bestemmes ikke bare av fysiologi, men også av sosial struktur og kulturelle tradisjoner. For det andre bidrar de "sædkrig" som er karakteristiske for promiskuøse samfunn til valg av spermatogenese for intensivering, noe som kan føre til en akselerert økning i antall mutasjoner i spermatozoa med alderen på hannen.

Kilde: Oliver Venn, Isaac Turner, Iain Mathieson, Natasja de Groot, Ronald Bontrop og Gil McVean. Sterk mannlig forspenning driver kimen i mutter i sjimpanser // Vitenskap . 2014. V. 344. P. 1272-1275.

Alexander Markov
"Elements"