Лекция №18. Сцепление и рекомбинация. Мутации: роль в эволюции и индивидуальном развитии
Ранее было рассказано о передаче признаков, кодирующихся одним геном, и про передачу признаков, кодирующихся разными генами с разных хромосом. В первом случае было соотношение 3:1 в потомках (или, если скрещивать на рецессив – 1:1), а во втором – 9:3:3:1, из них два класса фенотипических родительских, а два новых. Если же гены находятся на одной хромосоме, но все-таки достаточно далеко друг от друга, то возникает явление рекомбинации, то есть новой комбинации генетических признаков, но не свободное – не 9:3:3:1. В деталях это означает следующее. Если два разных гена находятся в одной хромосоме рядом, то определяемые ими признаки наследуются так, как если бы они определялись одним геном; новые комбинации признаков в потомстве не появляются. Например, при скрещивании растения, гетерозиготного по обоим локусам (MmDd, высокое и листья нормальные) c рецессивной гомозиготой (mmdd, низкое и листья крапчатые), должны наблюдаться те же два фенотипических родительских класса в соотношении 1:1 (первое растение образует гаметы MD и md, а второе - только md, поэтому другие классы образоваться не могут). То есть, хотя гены и разные, наследуется все по Менделю.
Если два разных гена находятся в разных хромосомах, то определяемые ими признаки наследуются независимо, новые комбинации признаков в потомстве появляются. При не сцепленном наследовании признаков (высота растения и тип листа ) в анализирующем скрещивании растения, гетерозиготного по обоим локусам, должны наблюдаться четыре фенотипических класса в соотношении 1:1:1:1 -оба родительских класса (высокий с нормальными листьями и карлик с крапчатыми листьями) и два новых – рекомбинантных класса (высокий с крапчатыми листьями и карлик с нормальными листьями). Это происходит, потому что первое растение образует четыре типа гамет(Md, MD, mD, md), а второе – по-прежнему один тип гамет md. В данном случае – это независимое менделевское расщепление, потому что гены находятся в разных хромосомах.
Говоря о рекомбинации, мы имели в виду появление новых, отличных от родительских, комбинаций аллелей. Но они могут находиться не только на разных хромосомах, но и на одной хромосоме.
В профазе 1 мейоза папина и мамина хромосомы объединяются друг с другом (конъюгация), и может происходить их кроссинговер (по-русски кроссинговер - перекрест). То есть, когда они потом расходятся, оказывается, что они поменялись своими кусочками. Гомологичные хромосомы, у которых произошел обмен кусочками, называются рекомбинантными. Две из четырех гамет, образовавшихся в мейозе 2, – рекомбинантные (две другие – родительского типа).
Если перекреста не происходит, то все гаметы – родительского типа. В результате одиночного перекреста половина гамет - рекомбинантная, половина – нерекомбинантная, однако рекомбинация происходит лишь в части клеток, доля которых зависит от расстояния между локусами (чем дальше они друг от друга, тем больше доля кроссоверных гамет).
Рекомбинация происходит после последнего удвоения хромосом в мейозе. Такой вывод можно сделать из того, что наряду с рекомбинантными продуктами одного мейоза (свидетельствующими, что рекомбинация прошла) есть и нерекомбинантные продукты того же мейоза. А если бы рекомбинация проходила до репликации, то все хромосомы в данной мейозе были бы рекомбинантными
Гены, отвечающие за высоту куста и за тип листьев, находятся в одной хромосоме, но не совсем рядом. В клетке могут произойти два события. Кроссинговер может не произойти, тогда все гаметы будут родительского типа, но может и произойти в части клеток. Тогда половина гамет будет не кроссоверная, а половина – кроссоверная. Соотношение между такими гаметами- 1:1, а между клетками, где кроссинговер произошел и где не произошел, зависит от расстояния между локусами. Поэтому число рекомбинантов не превосходит 50%. Возможные потомки показаны на рисунке ниже.
Потомков высоких с нормальными листьями получилось 55, низких с крапчатыми листьями – 53, низких с нормальными листьями – 8, высоких с крапчатыми листьями – 7. Наблюдаемая частота рекомбинации численно равна проценту рекомбинантного потомства, образуемого в скрещивании. Общее число рекомбинантных потомков составило 15, общее число всех потомков – 123. Таким образом, частота рекомбинации равна 15/123 * 100%=12%.
В интервале 12% рекомбинация произошла. Это событие пропорционально расстоянию между участками. Если оно наблюдается с частотой 12%, то оно могло произойти с два раза с частотой 0.12*0.12*100%=1.44%. Потомство от двух перекрестов между парой маркеров выглядит как НЕ рекомбинантное. Двойная (и любая четная) рекомбинация снижает проявление каждой из одиночных рекомбинаций. Детектируются только нечетные перекресты между парой маркеров, четные не детектируются.
Наблюдаемая доля рекомбинантов отражает итог совокупности независимых рекомбинационных событий меду парой маркеров – одиночных, двойных, тройных и т.д. рекомбинаций. Расчетное генетическое расстояние между парой маркеров примерно равно наблюдаемой частоте рекомбинации плюс квадрат этой частоты – остальные члены этого ряда будут малы. Если наблюдаемая доля рекомбинантов (наблюдаемая частота рекомбинации) равна 12%, то расчетное генетическое расстояние примерно равно 0,12 + 0,12х0,12 = 0,134 = 13,4%. Практически чтобы величина поправки была пренебрежимо мала (меньше 5% от величины генетического расстояния) значения наблюдаемых частот рекомбинации должны находится в пределах 5%.
Группы сцепления и хромосомная теория наследственности
На фотографии изображен Томас Гент Морган, который первым обнаружил сцепленное наследование признаков (вначале сцепление с полом, а затем и признаков друг с другом) и генетическую рекомбинацию между ними. Это явилось генетической основой хромосомной теории наследственности, за что ему была присуждена Нобелевская премия.
Гены, расположенные в одной паре гомологичных хромосом наследующиеся единой группой. Морган назвал ее группой сцепления. Совместное наследование генов, ограничивающее свободное их комбинирование, называют сцеплением генов.
Гены в гомологичных хромосомах расположены в одном и том же порядке у всех людей. Но аллели (альтернативные состояния этих генов) могут в различаться в гомологичных хромосомах. Рассмотрим хромосомы вашей мамы. Обозначим аллели генов той хромосомы, которые она получила от вашей бабушки буквами Б , а те аллели той же хромосомы которые получила от дедушки буквами Д . Если рекомбинация не произошла, то у вас, как и у вашей мамы, будет присутствовать хромосома с набором аллелей БББББББ (ну если дедушкина хромосома к вам попала, то набор будет ДДДДДД ) Генетическая рекомбинация – это обмен блоками аллелей между гомологичными хромосомами. Если рекомбинация произойдет при образовании той яйцеклетки, из которой вам повезло родиться, то блок аллелей бабушки будет продолжен блоком аллелей дедушки. Например, если рекомбинация произойдет между генами №4 и №5, то набор аллелей этой хромосомы будет выглядеть у вас так: ББББДДДД .
Чем больше расстояние между генами, тем выше вероятность рекомбинации между ними. Впервые это предположил и доказал Морган. Т.Морган предположил, что частота кроссинговера показывает относительное расстояние между генами: чем чаще осуществляется кроссинговер, тем далее отстоят гены друг от друга в хромосоме, чем реже кроссинговер, тем они ближе друг к другу.
Морган провел количественное исследование рекомбинации на дрозофилах. Он исследовал сцепленные гены, определяющие цвет тела, цвет глаз и форму крыльев. Все эти гены находятся в Х-хромосоме, то есть у самок две Х-хромосомы, а у самцов – одна.
Самки, гетерозиготные по всем трем генам, были скрещены с самцами, несущими рецессивные аллели этих генов. Так как самки были гетерозиготны, они обладали признаками дикого типа. Самцы, у которых второй Х-хромосомы нет, имели рецессивные признаки – желтый цвет тела (рецессивный аллель у, yellow), белые глаза (рецессивный аллель w, white) и расщепленные крылья (рецессивный аллель bi, bifid),
Если бы все было «по Менделю», то маркеры должны были бы комбинироваться независимо друг от друга. Но Морган к этому времени уже определил, что маркеры эти наследуются практически одним блоком – это явление и было названо генетическим сцеплением. При наследовании единым блоком самки в потомстве должны были получаться двух классов, смотря какую мамину хромосому получит дочь: либо гетерозиготные по всем трем генам, - yY, wW, biBi (если получили от матери доминантные гены), либо гомозиготные по всем трем рецессивным генам - yy, ww, bibi (если получили от матери хромосому с рецессивными генами). Однако иногда гены из одной группы сцепления все же наследуются раздельно, то есть появляются также и самки с другими генотипами. Например, с набором Yy, bibi, то есть получившие от матери сочетание аллеля Y и аллеля b i. Частота изменения комбинации маркеров у (желтый цвет тела) и bi (расщепленные крылья) составила 4,7%. То есть на 1000 мух таких было 47. Доля рекомбинантов между маркерами у (желтое тело) и w (белые глаза) была равна 1,2%, а между маркерами w (белые глаза) и bi (расщепленные крылья) - 3,5%.
Несложно заметить, что 3,5%+1,2%=4,7%. Если считать, что процент рекомбинации отражает расстояние между генами, то это означает, что гены могут быть расположены только линейно и никак иначе.
На тот момент еще не было ничего известно ни про ДНК, ни про химию наследственности – были просто формальные генетические признаки. Но Морган и без этого смог показать, что гены расположены линейно относительно друг друга, что бы ни было носителем генов. Вывод о том, что частота кроссинговера является функцией расстояния между генами и их линейного расположения в хромосомах и принес Моргану Нобелевскую премию.
Параллельно с генетическими исследованиями Моргана шли цитологические исследования. Исследовался митоз, мейоз, и было известно, что в мейозе (профаза I) пары одинаковых (гомологичных) хромосом объединяются, а затем образуют крестообразные фигуры (хиазмы). Предположили, из чисто цитологических данных, что наблюдаемый под микроскопом перекрест хромосом связан с обменом сегментами между ними. Впоследствии это было подтверждено. Хромосомы маркировали – нашли мух у которых на хромосоме были дополнительные фрагменты (транслокация), видимые под микроскопом. Было видно, что в результате перекреста измененные морфологически хромосомы родителей оказываются у потомства в новых комбинациях.
На рисунке показано, как выглядят хиазмы – крестообразные структуры, образуемые гомологичными хромосомами в мейозе и различимые под микроскопом.
Хромосомы состоят из двух параллельных «линеечек», которые называются хроматидами, каждой из которых соответствует одна молекула ДНК. Под микроскопом было видно, что одна из пар хроматид пересекается, то есть между хромосомами происходит перекрест.
Был проведен следующий эксперимент. Х-хромосома дрозофилы была промаркирована дополнительным кусочком хромосомы, и было подтверждено соответствие генетических и цитологических данных, описывающих рекомбинацию.
Частота видимых под микроскопом перекрестов в данной хромосоме в расчете на 1 клетку в фазе мейоза, где перекрест можно наблюдать, стремится к двукратной частоте генетической рекомбинации между всеми маркерами этой хромосомы, по мере роста числа маркеров. Причина этого ограничения заключается в том, что в перекресте участвует, как правило, лишь одна из двух пар хроматид. Стало понятно, что можно связать количество перекрестов наблюдаемых цитологически (хиазмы) с частотой генетической рекомбинации, что особенно четко было показано на кукурузе в 50-х годах.
Длина генетической карты, выявляемая по анализу результатов генетической рекомбинации, вычисляется как сумма расстояний между наиболее близкими маркерами, Единицей генетической карты является 1% рекомбинации и эта величина была названа в честь Моргана 1 сантиМорган (1 сМ).
Данные о связи цитологии с генетикой оказались очень важными в последующих генетических исследований, в частности на человеке. Они позволяют вычислить длину генетической карты по цитологическим данным, не прибегая к получению мутантов, чистых генетических линий и даже вообще без направленных скрещиваний – все это невозможно на человеке. У человека расчетная длина генетической карты по цитологическим данным составляет около 3000 сМ. или 3000% (три тысячи процентов рекомбинации).
Почему длина генетической карты человека равна 3000% (и почему нет ничего страшного в том, что эта величина превышает 100%).
Генетическая карта – это последовательность маркеров в хромосоме и расстояния между ними, следующие из частот генетических рекомбинаций. Одна единица карты соответствует 1% рекомбинации или одному сантиморгану (1 сМ).
Проведем следующую аналогию, чтобы было легче понять, почему длина карты человека равна больше, чем 100%. Один и тот же термин иногда используется в разных смыслах:100 градусов – температура кипения воды. 90 градусов – прямой угол. 40 градусов – крепость водки. И обычно эти смыслы никто не путает
То же и с термином процент (pro cent = на сто) который используется в разных смыслах при описании рекомбинации.
1) Генетическое расстояние между двумя маркерами (1сантиморган, сМ=1% рекомбинации). Например, наблюдаемый процент рекомбинации в потомстве (12% рекомбинантов, как описывалось выше), где общее число потомков равно 100%. Доля рекомбинантов по одной паре маркеров не может превышать 50% от общего числа потомков (несцепленное наследование);
2) Общая длина генетической карты организма (N cантиморган = N %) Рассчитывается как сумма минимальных экспериментально определенных генетических расстояний между парами маркеров, и для каждого вида своя.
Количество последовательно расположенных пар маркеров, каждый из которых равен, например, 12%, может быть и не ограниченным. Восемь таких отрезков составят в сумме 96%, а восемьдесят отрезков – 960%. Хотя доля рекомбинантов между любыми двумя из этих 81 маркеров, конечно, не может превышать 50% от общего числа потомков.
Отметим, в заключение, что длина генетической карты человека определялась по цитологическим данным, которые были доступны уже достаточно давно. В отличие от мухи, установить длину генетической карты человека на основе экспериментов по скрещиванию невозможно.
Поиск или диагностика мутации, вызывающей заболевание, наследуемое по Менделю, часто проводится по сонаследованию признака «болезнь» и маркера-свидетеля, расположенного рядом с мутантным геном. Маркер-свидетель – это такой маркер, который легко обнаружить при анализе. Источник ошибки диагностики - утрата связи при рекомбинации между мутацией, вызывающей заболевание и маркером-свидетелем. Точность диагностики тем выше, чем меньше это расстояние.
Вопрос. Сколько генетических маркеров нужно иметь в геноме человека, чтобы обеспечить >95% точность диагностики для любого гена, если длина генома человека – 3000%.
Точность не менее 95% означает, что не более генетическое расстояние между мутацией вызывающей заболевание и маркером составляет не более 5% рекомбинации. Следовательно до ближнего к маркеру левого и до ближнего правого маркера должно быть не более 5%, то есть расстояние между маркерами не более 5%х2=10% рекомбинации. В 10%-х интервалов в карте длиной 3000% будет 3000/10=300. То есть 300 равноудаленных маркеров будет достаточно, чтобы картировать или выявить мутацию с точностью >95%, даже ничего не зная о том, где находится исследуемый ген. Ясно, что когда это только начали делать, примерно 10 лет назад, маркеры ложились случайно, поэтому генетическую карту пришлось составить из нескольких тысяч маркеров, чтобы большинство интервалов между маркерами не превышало 10%. Сегодня в практической работе по общегеномному скринингу у человека используют панель из 384 равноудаленных маркеров.
Молекулярный механизм гомологичной рекомбинации, предложен Холидеем.
Рассмотрим две гомологичные хромосомы: папину и мамину. В них, как предполагается, происходит однонитевой идентичный в обеих хромосомах разрыв, после которого эти части, перекрещиваясь, образуют так называемую структуру Холидея (который данную схему рекомбинации первым предложил). Далее происходит перенос точки надреза вдоль хромосомы, в результате чего части гомологичных хромосом меняются местами. В результате получаются хромосомы, составленные из кусков папиных и маминых хромосом. Механизм гомологичной рекомбинации - однонитевой разрыв в каждой из двунитевых молекул ДНК, вытеснение и замещение нити, миграция разрыва и разрешение единичной структуры Холидея.
Геномные, хромосомные и генные мутации
Теперь поговорим о мутациях: геномных, хромосомных и генных.
Пример геномной мутации – удвоение всего числа хромосом в геноме (автополиплоидия), она может возникать из-за нерасхождения хромосом в митозе или мейозе.
Какое это имеет отношение к нам? У прямых предков человека как вида полиплоидия (чаще всего удвоение) случалась неоднократно, но последний раз – более 100 миллионов лет назад. У животных и растений она встречается часто, особенно у культурных растений. При отборе человек просто не замечал, что отбирал полиплоиды. Например, культурный картофель – тетраплоид, банан – триплоид, он пригоден к употреблению, так как не образует семян, в отличие от диплоида, который состоит из жестких семян и почти не имеет мякоти.
При скрещивании дикорастущих видов было ресинтезировано несколько видов культурных растений, например, слива (Prunus domestica). Константная и гибридная форма, полностью сходная с домашней сливой получена при скрещивании терна P.spinosa (2n=32) с алычой P.divaricata (2n=16). Это растение имело, как и P.domestica, 2n=48 хромосом. Вероятно, дикая слива в ходе эволюции получилась именно таким путем.
А триплоиды просто так не получишь, у них даже семян не образуется, но они удобны в практических целях человека, например для получения большей урожайности и плодов без семян (у арбузов, бананов и т.д.) У арбуза гаплоидный набор n = 11 хромосом. Скрещивание тетраплоидного (4n = 44) и диплоидного (2n = 22) арбуза дало триплоид (3n = 33) – бессемянный, крупноплодный, устойчивый к заболеваниям, в отличие от родительских форм.
Межвидовое скрещивание можно наблюдать у близкородственных животных: осла с лошадью – мул, или у коня с ослицей – лошак, они более выносливы, хоть и бесплодны. Вероятность появления потомства у мулов и лошаков (а это зависит от того, отойдут ли при делении все хромосомы правильно к одному полюсу) равна одной второй в степени n, где n – гаплоидное число хромосом. С такой частотой будут образовываться яйцеклетки и сперматозоиды, соответствующие по хромосомному составу родителям – ослу или лошади. Видно, что вероятность эта очень мала.
Теперь поговорим о хромосомных мутациях. Хромосомные мутации - изменение числа отдельных хромосом в геноме (анеуплоидия) или целостности хромосом (перестройки). Это одна из причин болезней человека. Моносомия (1n) или трисомия (3n) хромосомы в оплодотворенной яйцеклетке будут смертельны для плода (кроме половых и мелких хромосом), а в соматических клетках часто приводит к раку.
Каждая из 23 хромосом может быть покрашена в свой цвет (FISH гибридизация, справа). Каждая хромосома прокрашивается в штрих код (G-окрашивание, слева, полоса до 0,1% от длины генома). Это позволяет увидеть изменение числа и структуры хромосом, в том числе при опухолевых заболеваниях. Опухолевые заболевания почти всегда связаны с перестройками генома. Хромосомы человека пронумерованы в порядке убывания размера от 1 до 22.
Изменение числа хромосом, как и всякая мутация, связано с физиологическим состоянием организма. С возрастом организм начинает функционировать хуже, это приводит, в частности, к повышению частоты рождения детей с синдромом Дауна. Подавляющая часть случаев синдрома Дауна вызвана нерасхождением пары хромосом 21 в мейозе у матери. Частота рождения детей с синдромом Дауна увеличивается с возрастом матери от 1/2000 в 20 лет до 1/12 в 50 лет. Но есть и семейные случаи – транслокация гена из хр21 на другую хромосому.
На слайде видно, что 21-я хромосома представлена трижды. Две копии вместо одной чаще присутствуют в еще неоплодотворенной яйцеклетке, а не в сперматозоиде. Это было выявлено по анализу микросателлитов, о чем будет рассказано на следующих лекциях. Сейчас до трех месяцев беременности можно провести хромосомный анализ, для этого берут клетки околоплодной жидкости и смотрят, есть ли трисомия по 21-ой хромосоме. Во многих европейских странах после 35 лет анализ беременной женщины на выявление у плода синдрома Дауна обязателен, в связи с повышением частоты рождаемости больных детей при увеличении возраста матери.
Теперь поговорим о хромосомных перестройках. Основные типы хромосомных перестроек:
дупликация – удвоение сегмента
делеция – утрата сегмента,
инверсия – переворот сегмента,
транслокация – перенос сегмента на другую хромосому
Все они являются причинами многих болезней.
Перестройки хромосом в гаметах часто приводят к болезням человека - нарушениям морфологии, физиологии и поведения, особенно часто встречается дупликация и делеция, как правило, все такие болезни сопровождаются заторможенным умственным развитием, то есть чаще всего какие бы ни были хромосомные перестройки, они затрагивают развитие наших умственных способностей, ну а кроме этого болезни сопровождаются чаще всего недоразвитием каких-либо органов (например, маленькая голова).
В эволюции геномные и хромосомные мутации чаще фиксируются у растений, реже у животных. Геномные мутации у животных обычно различают таксоны более высоких порядков например отряды (сельдевые и лососевые), а у растений это могут быть и виды (пшеница и другие культурные растения). Анеуплоидия и перестройки хромосом в гаметах обычно приводят к болезням у животных человека - нарушениям морфологии, физиологии, поведения, и резко снижают возможность оставить потомство. Тем не менее сотни тысяч таких случаев зафиксированы на сегодня эволюцией – это почти любая пара родственных видов, различающиеся по структуре кариотипа (набора хромосом). Ясно, что такие изменения когда-то произошли у индивида и затем закрепились в поколениях.
Например, хромосома №2 человека образована при транслокации, произошедшей у наших предков после ответвления от ствола всех приматов: у орангутанга, гориллы и даже шимпанзе (5 млн. лет расхождения). У всех этих наших родственников по две независимых хромосомы, которые лишь у человека оказались соединенными. Часто, хотя и не всегда, перестройки приводят к понижению жизнеспособности, но в нашем случае получилось не так, мы получили две разных хромосомы шимпанзе, которые соответствуют хромосоме №2 человека. Это видно при поперечном окрашивании хромосом, которые выявляют идентичные в геноме фрагменты хромосом. Все люди на Земле имеют общего предка, у которого произошла эта транслокация (меньше 5 млн. лет назад)
Число хромосом у млекопитающих может различаться в десятки раз, хотя размер генома отличается менее чем на 20%. У человека число пар хромосом 23, а у лошади – 66, у обитающего в Азии оленя-мунтжака – 6 хромосом. Исключение составляет южно-американский грызун, называемый красной вискашевой крысой (латинское название Tympanoctomys barrerae, английское – red viscacha rat), хотя крысе оно весьма отдаленный родственник). У этого животного геном не диплоидный, а тетраплоидный, содержит в два раза больше ДНК, чем у остальных млекопитающих, и 102 хромосомы.
Если до общего предка млекопитающих около 200 миллионов лет и около 60 транслокаций (перестроек разных хромосом), то 1 транслокация сохраняется и дает начало новому виду не реже чем раз в 3 млн лет. А так как недетектируемых внутрихромосомных перестроек больше на 1-2 порядка, то это означает, что носители таких перестроек выживают гораздо чаще, нежели раз в 3 млн. лет. Последний раз такая перестройка в линии человека произошла не более 5 млн. лет назад.
Геномные и хромосомные мутации могут появляться и в соматических клетках человека и животных. В этом случае они не передаются потомству, но часто связаны с развитием рака. Реципрокная транслокация фрагментов между хромосомами 8 и 14 в лимфоцитах человека приводит к лимфоме Бёркита: к гену иммуноглобинов присоединяется ген онкогена с-MYC, меняя его регуляцию.
Таким образом, перестройки, происходящие в соматических клетках, влияют только на нас, а на следующее поколение не влияют. Те перестройки, которые происходят в клетках зародышевого пути, могут пройти через эволюционное «сито» и остаться в поколениях, Это может привести к репродуктивной изоляции индивидов с перестройками от других индивидов внутри данного вида.
Хотя в клетках зародышевого пути геном остается постоянным, изменение структуры генов и генома может быть нормальной частью жизненного цикла. У некоторых эукариот число хромосом в соматических клетках отличается от числа хромосом в клетках зародышевого пути. У некоторых простейших в определенной фазе развития геном распадается по на несколько тысяч хромосом, предположительно соответствующих отдельным генам. Размер генома вегетативных клеток и клеток зародышевого пути также может различаться. Например, у некоторых круглых червей в соматических клетках (но не в клетках зародышевого пути!) подавляющая часть генома утрачивается (явление называется диминуцией хроматина). У человека перестройки генов иммуноглобулинов в лимфатических клетках - условие образования разных антител. Только при таком условии в организме может образовываться то разнообразие антител, которое может обеспечить необходимую защиту. То есть перестройки генома могут быть управляемыми и необходимыми.
Несколько слов про генные мутации. Генные мутации являются скачкообразными изменениями отдельных локусов хромосом – генов. Мутантные гены сохраняют свойство репродукции при делении ядра клетки, вследствие чего мутационные изменения наследуются. Мутации могут быть прямыми (нуклеотид Т в данной позиции заменен на нуклеотид С) и обратными (мутантный нуклеотид С в данной позиции заменен на нуклеотид Т, характерный для дикого типа). Частота мутирования в обоих направления характерна для каждого локуса. Для разных типов мутаций она варьирует от 10-6-10-8 на нуклеотид на генерацию до 3*10-1. Спонтанный мутационный процесс обусловливается свойством самого гена, системой генотипа, физиологическим состоянием организма и колебанием факторов внешней среды. Каждый локус – ген может мутировать в несколько состояний, образуя серию множественных аллелей. Для примера скажем, что существует ген супрессора опухолей, где обнаружены сотни мутаций, при каждой из которой опухоль может развиться в разных местах.
"Горячие пятна" мутаций внутри гена распределены неравномерно. Они характерны не только для спонтанного мутирования, но и при воздействии определенными химическими агентами.
Например, разберем мутации в гене CFTR, которые вызывают муковисцидоз – заболевание, связанное с дефектом проводимости ионных каналов, проявляется в виде заболеваний легких и др. В этом гене описано уже больше тысячи разных мутаций. На графике представлена частота разных мутаций в разных частях гена, видно, что распределение частоты неравномерно в разных его участках – экзонах. Частота встречаемости в популяции разных мутаций одного гена различается в тысячи раз.
Если смотреть реальное распределение мутаций среди людей, оказывается, что каждая из них присутствует со своей частотой в группе, живущей на данной территории. Например для России мутация ΔF508 встречается у 80% больных. А остальные мутации составляют менее 20%, некоторые же не встретятся в России вообще.
На этом слайде показано, как растет частота мутаций с увеличением дозы облучения. Частота мутаций линейно растет с увеличением дозы радиоактивного облучения. «Безопасной» дозы облучения нет (нет порога). Повреждения происходят при любых дозах, так что понятие порога чисто юридическое.
На рисунке выше показано, что при воздействии мутагенами нет нижнего порога дозы. В данном случае показана ситуация с рецессивными мутациями, аналогичная ситуация и с доминантными. Поскольку все время есть какое-то фоновое мутагенное воздействие, то можно подумать, что число мутаций в поколениях должно все время расти
Действительно, после мутагенного воздействия (Хиросима, Чернобыль, Бхопал, Орандж эйджент) частота мутаций растет. Растет также и процент опухолевых заболеваний, так как повреждается геном соматических клеток. Однако после снятия мутагенного воздействия доля мутантов не увеличивается, а только снижается в поколениях из-за гибели и пониженной жизнеспособности мутантов. Если ребенок родился, значит наиболее существенные для развития гены у него нормальные, ведь в противном случае он бы умер на эмбриональной стадии. Основной летальный эффект мутаций реализуется еще на клеточном уровне, а не на организменном уровне. Клетка запрограммирована не пропускать мутации в следующее поколение. Есть специальный молекулярный механизм отслеживания повреждения в ДНК, еще до того как поврежденный участок понадобится для реализации функции. Если окажется, что ДНК повреждена и не может быть исправлена (репарирована), то в такой клетке станет работать запрограммированная система самоубийства. Вероятно, основная часть мутаций приводит к дефектам функционирования и гибели уже на стадии первых делений оплодотворенной яйцеклетки, меньшая часть проявляется позже и приводит к спонтанному аборту, еще реже – к рождению ребенка с аномалиями.
Хотя эта частота была повышенной после ядерного взрыва, уже через два поколения (сейчас) у жителей с Хиросимы частота наследственных аномалий и опухолевых заболеваний такая же и даже ниже, чем в других городах Японии, так как население этого города оказалось под пристальным вниманием врачей, проводилось больше профилактики и т.д. Что же касается опухолевых заболеваний, то во втором поколении частота заболеваний уже не будет больше, так как это эффект повреждения соматических клеток, не передающееся по наследству, не учитывая некоторые конкретные болезни.
В Чернобыле, после точки максимума, частота аномалий при рождении снизилась в 8 раз за первые 10 лет после радиоактивного выброса. Если произошла доминантная летальная мутация, то она будет устранена уже в следующем поколении. Если же мутация рецессивная, то частота мутации будет все время падать в поколениях (тем быстрее чем более выражен ее вредный эффект) и это будет монотонно убывающей функцией.
Генетика популяций
До этого мы говорили о том, что происходит с индивидом, но с точки зрения эволюции больший интерес представляют изменения внутри популяций. В каждом поколении частота каждого аллеля данного гена и частота каждого генотипа по этому гену сохраняется постоянной. Правда при условии, если отбора нет, если среда не меняется, если подбора пар нет (свободно скрещивающася или панмиктическая популяция), если нет миграции (притока генов извне) и еще много всяких «если». В этом случае и частоты фенотипов постоянны.
Например, мы по внешности распознаем людей с данной территории как один народ, хоть люди и разные. Это происходит потому, что частоты аллелей в данной популяции постоянны в поколениях, а, следовательно, постоянны и частоты генотипов. Ну а среда вокруг все та же – поэтому и частоты фенотипов не меняются. Вот эту совокупность фенотипов мы и воспринимаем либо как общую (один народ), либо как другую (другой народ).
Если мы будем рассматривать коренных жителей достаточно удаленных регионов (несколько тысяч километров) то принять решение, что народы, или даже расы, разные, труда не составит. А вот если посмотреть на такие же группы, разделенные расстоянием в сотни километров, не говоря уж о десятках километров, то возникнут большие затруднения, где же границу провести. Потому что границы-то объективной, генетической, нет. Есть только непрерывный ряд частот огромного количества аллелей, причем со своим направлениями и градиентами изменения в географическом пространстве.
Приведем для наглядности такой пример, иллюстрирующий постоянство частот аллелей в поколениях одной популяции. Для человека известен доминантный ген Т (Taster – дегустатор). Носитель его обладает свойством определять на вкус слабый раствор фенилтиокарбамида как горький. Обладатель рецессивной аллели этого гена в гомозиготном состоянии (tt) тот же раствор определяет как безвкусный. Присутствие такого гена можно тестировать как на уровне генотипа, так и на фенотипическом уровне: «чувствует-не чувствует» горечь. Определено, что частота «дегустаторов» в данном поколении 0,36, а «не дегустаторов» - 0,64. «Не дегустаторы» несут два аллеля tt, следовательно, частота аллеля в популяции равна корню квадратному из этой величины (0,64), то есть частота аллеля t в популяции равна 0,8. В сумме частота двух аллелей равна 1, cледовательно, частота аллеля Т равна 1 – 0,8 = 0,2. Зная частоты аллелей в гаметах (сперматозоидах и яйцеклетках) можно рассчитать частоты генотипов и фенотипов которые получаться в следующем поколении.
0,2 T
0,8 t
0,2 T
0,04 TT
0,16Tt
0,8 t
0,16Tt
0,64tt
Нетрудно видеть, что частоты генотипов и фенотипов по гену Т остались неизменными в следующем поколении.
Что можно ожидать в этом поколении по частотам аллелей в гаметах? Гаметы с аллелем T будут возникать от гомозиготы TT 0,04*2 + от двух гетерозигот Tt "дегустаторов" 0,16*2 = сумма 0.4. Гаметы с аллелем t будут возникать от недегустаторов tt 0,64*2 + от двух гетерозигот Tt 0,16*2 = 1.6. Соотношение частот аллелей в гаметах 0,4:1,6= 0,2:0.8, то есть такое же как и в предыдущем поколении.
Отсюда следует, что в указанной популяции в поколениях поддерживается одинаковое соотношение частот аллелей (0,2T:0,8t), и фенотипов (64% "недегустаторов" и 36% "дегустаторов").
Неизменность генетического состава свободно скрещивающейся (панмиктической) неограниченной по численности популяции, существующей в отсутствии отбора, называется правилом (законом) Харди-Вайнберга.
Поскольку свободное скрещивание означает случайное объединение гамет, несущих аллель T или t , то при частоте p аллеля T и частоте q аллеля t (заметим, что при наличии только двух аллелей, подобно рассмотренному выше случаю, p+q=1) распределение генотипов TT, Tt и tt неизменно и соответствует уравнению
p 2 TT + 2pq Tt + q 2 tt=1
Если в популяции соблюдается указанное соотношение между частотами аллелей и генотипов, то она называется равновесной по данному гену. Для каких-то генов это равновесие между частотами аллелей и генотипов может не соблюдаться. Отклонение от равновесного распределения частот генотипов может наблюдаться по статистическим причинам в выборках малого размера, в популяциях с отсутствием панмиксии и по другим причинам. Одной из причин неравновесия частот аллелей и генотипов считается отбор. Степень отклонения от равновесия указывает на интенсивность отбора.
На прошлой лекции было рассказано о летальной рецессивной мутации у мышей. Если скрещиваются две желтых мыши, гетерозиготных по гену окраски (несут доминантный в определении цвета аллель Yellow, обознчаемый буквой Y, и рецессивный аллель белой окраски y), то появляются мыши желтые и белые. Они находятся в соотношении 2:1, а класса YY нет. Оказывается, что эмбрионы c генотипом YY есть, но они гибнут до рождения (в отношении летального эффекта аллель Y рецессивен). При этом, естественно, равновесие Харди-Вайнберга среди родившихся мышей не будет соблюдаться.
Отмечу, что для генов, которые просто оказались рядом с геном Y в хромосоме, равновесие Харди-Вайнберга тоже не будет соблюдаться. При исследовании этих генов может показаться, что сами они находятся под действием отбора, хотя они просто оказались сцеплены с тем геном, по которому жестко происходит отбор. Это явление приходится достаточно часто разбирать в генетике – какое изменение в хромосоме является причинным для наблюдаемого признака, а какое просто сцеплено с наблюдаемым признаком.
Для подавляющего большинства исследованных у человека аллелей соблюдается равновесие Харди-Вайнберга – соотношение между частотами аллелей и частотами генотипов. То есть большинство генов адаптивно нейтральны в данных условиях.
Когда мы говорим о частоте встречаемости конкретного аллеля, надо учитывать, что эта величина, которая характерна для данного места и времени. Говорить о частоте гена для человечества вообще бессмысленно. Частоты могут быть своими для каждой территории и каждой популяции, и могут различаться в десятки раз. Об этом будет рассказано в лекции 21. Частота аллеля на данной территории может меняться в результате резких изменений численности популяции, отбора или миграций. Последняя причина – наиболее частая.
Естественный и искусственный отбор
В Спарте, как известно, детей с отклонениями бросали в пропасть, чтобы население в следующих поколениях стало лучше. Но эти меры по элиминации индивидов с фенотипическими отклонениями от нормы не только аморальны, но и генетически бессмысленны. Относительная частота гетерозигот в поколениях сокращается значительно медленнее, чем частота рецессивных гомозигот. Полное устранение из популяции рецессивных гомозигот в каждом поколении не приводит к их окончательному исчезновению даже в сотом поколении, так как гетерозиготные особи являются постоянными поставщиками рецессивных гомозигот.
Иогансен в 1903 году исследовал, как будут наследоваться вариации, которые наблюдаются, в генетически однородной группе индивидов. Он взял самое маленькое и самое большое растение из самоопыляющихся бобов, получал от таких «крайних» потомство в шести поколениях, и посмотрел, что будет в шестом поколении. Оказалось, что потомство от самых мелких не отличается от потомства самых крупных ни по средней величине признака, ни по ее дисперсии.
Самоопыляющиеся растения по природе своей генетически однородны – это набор чистых линий. Изменчивость по размеру, которая проявлялась в чистых линиях, не является наследственной. Она называется модификационной изменчивостью, зависящей только от условий среды. В генетически однородной группе изменения, которые мы можем наблюдать, в том числе благоприобретенные, унаследоваться не могут. То есть отбор при отсутствии генетического разнообразия даже при наличии разнообразия внешнего, неэффективен.
Пример ненаследственной модификационной изменчивости у человека - это, например, акселерация, которая проявилась после войны в разных странах. Например, средний рост японцев стал больше на 20 см, хотя понятно, что частоты аллелей генов, и генотипов в этой популяции мало изменились за два поколения, прошедших после войны.
Если популяция генетически гетерогенна (потомство второго поколения, F2), то отбор по фенотипу расчленяет ее на неперекрывающиеся группы с различающимися генотипами уже за два поколения (потомство четвертого поколения F4). На рисунке это проиллюстрировано для длины венчика у табака. В одной группе велся отбор растений с длинным венчиком, в другой - с коротким. То сеть отбор при генетическом разнообразии в популяции возможен.
Отбор естественный и искусственный действует только на генетически гетерогенные группы индивидов. Эволюция - это отражение сдвига частот аллелей в популяции. Индивид, как уже упоминалось, не эволюционирует
Когда проводится отбор, очень важно отличить размах вариаций признака, который связан с внешней средой, от размаха вариаций , причиной которого является генетическое разнообразие. Селекция (отбор на племя) более эффективна при оценке величины признака по генотипу (т.е. по потомству или у братьев-сестер), чем по оценке признака по фенотипу (т.е. у самого индивида).
В таблице видно, что решение по оценке генотипа (оставить на племя курицу №12 потомство которой более яйценоское) правильное, хотя сразу неочевидное. Решение по оценке фенотипа (оставить на племя №46 как более яйценоскую в данном поколении) - неправильное, хотя кажется очевидным.
|
