Частота мутаций у животных раскрывает факторы ускорения эволюции

В детской игре "испорченный телефон" фраза, сказанная шёпотом на ухо, может меняться по мере продвижения по ряду игроков. Когда гены передаются от родителей к потомству, они тоже могут постепенно изменяться из-за небольших ошибок при копировании, что иногда приводит к появлению новых полезных признаков. Изучение темпа наследственных мутаций имеет решающее значение для понимания того, как эволюционируют виды.

На данный момент в результате анализа 68 различных видов позвоночных, от ящериц и пингвинов до людей и китов, было проведено первое крупномасштабное сравнение скорости мутирования видов - первый шаг к пониманию того, как быстро они могут эволюционировать. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature, позволили сделать удивительные выводы о том, как может меняться темп мутаций и что задаёт этот темп.

Эта статья примерно "удваивает имеющиеся у нас оценки скорости мутаций", - говорит Майкл Линч, эволюционный биолог из Университета штата Аризона, не принимавший участия в исследовании. Теперь исследователи имеют "лучшее представление о темпе изменений у позвоночных".

С такими обширными данными биологи могут начать отвечать на вопросы о том, какие признаки больше всего влияют на скорость мутаций и темпы эволюции. "Есть факторы, которые влияют на скорость эволюции, но мы не знаем их всех", - сообщает Патриция Фостер, заслуженный профессор биологии Университета Индианы, которая не принимала участия в исследовании. "Это только начало в их исследовании".

Измерения скорости мутаций могут оказаться крайне полезными для калибровки молекулярных часов на основе генов, которые биологи используют для определения времени расхождения видов. Эти измерения могут стать полезными при проверке нескольких теорий о том, как работает эволюция. Они также подтверждают, что факторы, которые помогают установить скорость эволюции, сами подвержены эволюции. "Мутация зародышевых клеток, как и любой другой признак, подвергается естественному отбору", - говорит Люси Бержерон, ведущий автор нового исследования.

Хотя передовые технологии секвенирования ДНК, благодаря которым стало возможным проведение исследования, существуют уже много лет, было ясно, что масштабное сравнение частоты мутаций у разных видов потребует столько работы, что "никто не решался браться за это", - говорит Бержерон, которая занималась этим проектом в рамках своей докторантской работы в Университете Копенгагена. Получив поддержку от своего консультанта, Гуоджи Чжана из Копенгагенского университета и Медицинской школы Чжэцзянского университета в Китае, Бержерон принялась за работу.

Бержерон и её команда сначала собрали образцы крови и тканей представителей одного семейства (матери, отца и одного из их потомков) у видов, обитающих в зоопарках, на фермах, в исследовательских институтах и музеях по всему миру. Затем они сравнили ДНК родителей и потомства в каждой тройке, чтобы выявить генетические различия между поколениями.

Если они находили мутацию в ДНК примерно у 50% потомка, то делали вывод, что это, скорее всего, зародышевая мутация, которая наследуется либо через яйцеклетку матери, либо через сперматозоиды отца. Естественный отбор может действовать непосредственно на такую мутацию. Считалось, что менее частые мутации происходили спонтанно в тканях, не относящихся к зародышевой линии; они менее значимы для эволюции, поскольку не передаются по наследству.

Часто несовпадения в семейных трио свидетельствовали, о том, что отцы, указанные сотрудниками зоопарков, не имеют отношения к детёнышам. Представители зоопарков часто пожимали плечами и говорили, что в клетке могло быть два самца. "Ну да, второй - победитель", - шутила Бержерон.

В конце концов, исследователи получили 151 пригодную для использования тройку, представляющую такие разнообразные в физическом, метаболическом и поведенческом отношении виды, как массивные косатки, крошечные сиамские бойцовые рыбки, техасские полосатые гекконы и люди. Затем они сравнили частоту мутаций у этих видов с тем, что известно о поведении и характеристиках, называемых их жизненной историей. Они также рассмотрели статистический показатель для каждого вида, называемый эффективным размером популяции, который примерно соответствует тому, сколько особей необходимо для представления генетического разнообразия.

Самым удивительным открытием, которое стало результатом полученных данных, был широкий диапазон частоты зародышевых мутаций. Когда исследователи измеряли, как часто мутации происходят на поколение, то получилось, что виды различались всего в сорок раз. По словам Бержерон, такие различие кажется довольно незначительным по сравнению с различиями в размерах тела, продолжительности жизни и других признаках. Но когда они рассмотрели частоту мутаций в год, а не в поколение, диапазон увеличился примерно до 120 раз, что оказалось больше, чем предполагали предыдущие исследования.

Авторы исследования обнаружили, что чем выше средний эффективный размер популяции вида, тем ниже скорость мутации. Это послужило хорошим доказательством "гипотезы о снижении частоты мутаций до нижнего предела, установленного силой случайного генетического дрейфа", которую Линч разработал чуть более десяти лет назад. "Естественный отбор неустанно "пытается" снизить частоту мутаций, потому что большинство мутаций являются пагубными, - объясняет Линч. Но у видов с меньшим эффективным размером популяции естественный отбор ослабевает, потому что генетический дрейф - влияние чистой случайности на распространение мутации - становится сильнее. Это позволяет повысить уровень мутаций".

Полученные результаты также подтверждают другую идею в научной литературе - гипотезу эволюции, движимой самцами, которая предполагает, что самцы могут вносить больше мутаций в эволюцию некоторых видов, чем самки. Бержерон и её коллеги обнаружили, что частота зародышевых мутаций у самцов, как правило, выше, чем у самок - по крайней мере, у млекопитающих и птиц, но не у рептилий и рыб.

Авторы отметили возможную причину этих различий: поскольку самцы всех видов постоянно копируют свою ДНК для производства сперматозоидов, это приводит к большей вероятности возникновения мутаций. Самки рыб и рептилий тоже откладывают яйца на протяжении всей своей жизни, поэтому они подвергаются аналогичному риску генетических ошибок. Но самки млекопитающих и птиц рождаются, по сути, со всеми яйцеклетками, которые они когда-либо произведут, поэтому их зародышевые линии более защищены.

Поскольку Бержерон включила в исследование себя, своего брата и их родителей, она может наблюдать эту закономерность в своей собственной семье. "Я несу больше мутаций, чем мой брат, потому что мой отец был старше, когда у него родилась я", - сообщает она.

Такие факторы, как время созревания и количество потомков, также сыграли свою роль для некоторых позвоночных, но, вопреки ожиданиям, исследователи не обнаружили никакого эффекта, связанного с размером тела. Существует давняя гипотеза, что у существ с большим размером тела должно быть больше мутаций, потому что у них больше клеток и, следовательно, больше возможностей для ошибок в механизме копирования ДНК.

"Было удивительно увидеть, что время генерации оказалось гораздо важнее размера тела", - говорит Келли Харрис, доцент кафедры геномных наук Вашингтонского университета.

Харрис высоко оценила результаты исследования как захватывающее начало для ответа на некоторые из важных вопросов о том, какие факторы являются наиболее важными для определения скорости мутаций и, следовательно, эволюции. Кроме того, исследование раскрывает информацию о том, насколько велико биоразнообразие в природе.