Мутации и миграции

Самое важное свойство генов - их способность передаваться неизменными от поколения к поколению. Однако если бы генетический материал никогда не менялся, эволюция была бы невозможна. Исходя из этого, гены - носители генетической информации - должны обладать способностью к случайным изменениям. Такие изменения, действительно, происходят, и их называют мутациями. Этот термин был введен в 1901 г. Де Фризом для обозначения случайных и стабильных генетических отклонений, возникающих у растений. Мутации генов и хромосом - это ненаправленные, случайные изменения генетического материала, происходящие спонтанно или под влиянием различных физических, химических и биологических факторов.

Спонтанный мутагенез является единственным поставщиком новых вариантов генов в популяции и в силу этого важным источником наблюдающегося генетического разнообразия. Скорость, или частота матирования, измеряется долей гамет на поколение, в которых произошли мутационные изменения конкретного гена. Возникают мутации с очень низкой частотой. Примерная оценка скорости этого процесса составляет 1 на 10-5 на гамету за поколение.

Таким образом, мутационное давление оказывает крайне слабое влияние на изменение частот аллелей в популяциях. Тем не менее, важное эволюционное значение мутационного процесса состоит в создании разнообразия аллелей и появлении новых генов.

Различают следующие типы мутаций, часто обусловливающие формирование патологических состояний у человека, и особенно это касается двух первых типов:

1. Геномные мутации, приводящие к изменению числа хромосом, которые для человека ограничиваются случаями увеличения либо утраты отдельных хромосом (например, половые хромосомы и обусловленные ими синдромы Шерешевского- Тернера (моносомия по Х-хромосоме у женщин); Клайнфельтера (добавочная Х-хромосома у мужчин); а также аутосомы - синдром Дауна (трисомия по 21-й хромосоме); синдром Патау (трисомия - 13); синдром Эдвардса (трисомия - 18).

2. Хромосомные мутации, при которых нарушается структура хромосом, а их число в клетке остается неизменным. В эту группу входят синдромы с незначительными делецияями или дупликациями строго определенных участков хромосом. К их числу относят синдромы Лангера-Гидеона (8q23 q24), Прадера-Вилли и Ангельмана (15q11 - q12 в 15 хромосоме от отца или матери соответственно), Миллера-Дикера (17р-13), Ди Георге (22q-11), Беквита-Видемана (11р + 15), опухоль Вильмса, аниридия (11р - 13), ретинообластома (13q-14).

3. Генные мутации, которые могут быть обнаружены только путем тщательного генетического анализа родословных и не обязательно имеют отношение к видимым патологическим проявлениям, часто являясь вариантом нормального генетического полиморфизма. Тем не менее, эта мутационная изменчивость обусловливает формирование широчайшего круга болезней человека. Достаточно упомянуть обширный каталог болезней Маккьюсика, включающий свыше 4000 различных нозологических форм патологии, связанной с этим типом мутаций генома, и продолжающий постоянно расширяться.

Судьба единичной мутации была впервые аналитически продемонстрирована Р. Фишером в 1930 г. Он показал, что при постоянном размере популяции вероятность утраты мутантного гена уже в первом поколении равна 0,37, а предельная вероятность окончательной его потери с ростом числа поколений стремится к 1. Этот результат отмечается при нейтральности мутантного гена и отсутствии действия других факторов популяционной динамики. Таким образом, поскольку потеря вновь возникающих вариантов генов процесс необратимый, подавляющее большинство мутаций не имеет шансов закрепиться в популяции.

Предположим, что существует два аллеля одного локуса А1 и А2, И В результате мутации аллель А1 переходит к виду А2 С частотой и на одну гамету за одно поколение. На основании этих предположений можно заключить, что если в начальный момент времени частота А1 составляет Ро, то в следующем поколении с учетом мутаций она будет равна его исходной частоте за вычетом частоты матировавших аллелей:

Р1 = ро - иРо = Ро(1 - и).

Во втором поколении при неизменных темпе и виде мутирования частота аллеля

р2 = Р1 - ИР1 = Р1(1 - и).

Если частоту аллеля во втором поколении выразить через его исходное значение, то получим

р2 = Ро(1 - и)(1 - и) = Ро(1 - и)2

По прошествии длительного времени и смены большого числа поколений (~ частота аллеля А1 в популяции будет равна

р/ = Ро(1 - и).

Поскольку величина 1 - и меньше 1, ясно, что с течением времени значение частоты аллеля будет уменьшаться и при неограниченно длительном периоде протекания подобного мутационного изменения частота аллеля А, стремится к нулю.

С учетом низкого темпа мутирования на уровне 10-5 скорость изменения частоты аллеля оказывается крайне невысокой. Например, для эукариот, чтобы изменить частоту аллеля с 0,10 до 0,09, потребуется 10000 поколений. И вообще, чем меньше исходная частота аллеля, тем больше времени потребуется для ее изменения под действием мутаций на какую-либо величину. Кроме того, следует также учитывать и то обстоятельство, что мутации генов часто бывают, обратимы, т. е. мутантный аллель А2 может в результате другой мутации вернуться к своему исходному состоянию - к форме А,. Тогда, если принять, что частота обратных (возвратных) мутаций равна v, а частоты исходного А, и мутантного А2 аллелей равны соответственно ра и qo, можно записать:

р, = ра - ИРа + vqo·

Если обозначить изменение частоты аллеля за одно поколение как t:.p = р, - ра, то, подставляя значение р" выраженное через Ра, получаем

t:.p = (Ра - ИРа + vqo) - ра = vqo - ИРа.

Таким образом, изменение частоты аллеля при совместном действии прямых и возвратных мутаций происходит крайне медленно и зависит от сопоставительной частоты этих событий.

В том случае, когда изменение частоты аллеля под действием прямых и обратных мутаций равно нулю (t:.p), т. е. наступает равновесие между этими процессами, можно записать:

vq = ир, или ир = v(1 - р), из чего следует, что

р= v/(и+ v), или q= и/(и+ v).

Предположим, что частоты прямой и обратной мутаций равны соответственно И = 10-5 И V = 10--6, тогда равновесные частоты составят:

р = 10--6/(10-5 + 10--6) = 0,09,

q = 10-5/(10-5 + 10--6) = 0,91.

Необходимо иметь в виду, что истинные обратные мутации, возвращающие структуру гена к его исходному состоянию, составляют лишь малую часть от общего числа мутационных событий. Абсолютное большинство реверсий обусловлено мутациями других генов, оказывающих супрессорный эффект на измененный ген.

Следует отметить еще два обстоятельства. Во-первых, нередко частоты аллелей находятся в неравновесном состоянии, потому что на них, помимо мутаций, действуют и другие факторы популяционной динамики, например, естественный отбор, который может благоприятствовать одному аллелю в ущерб другого. Во-вторых, при наличии и прямых, и обратных мутаций изменение частот аллелей происходит еще более медленно, чем только при прямом мутировании.

Таким образом, можно с уверенностью говорить о том, что мутационный процесс крайне медленный и сам по себе изменяет генетическую структуру популяции с очень малой скоростью. Если бы мутации были единственным фактором популяционной динамики, то эволюция протекала бы очень медленно.

3.2. Миграции

Миграцией, или потоком генов, называется процесс, когда особи из одной популяции перемещаются в другую и скрещиваются с ее представителями, оставляя потомство. Поток генов сам по себе не приводит к изменению частот аллелей в целом у вида, но в локальной популяции, если частоты аллелей у мигрантов и старожилов различны, происходят их смешение и изменение генных частот.

Рассмотрим локальную популяцию, в которую с определенной частотой мигрируют особи из другой популяции. Предположим, что в популяции доля пришельцев (мигрантов) равна т. В следующем поколении потомство получает долю генов, равную (1 - т), от старожилов, а от пришельцев - т. Пусть в популяциях, из которых происходит миграция, средняя частота аллеля А1 составляет Р, а в принимающей мигрантов локальной популяции она равна Ро. Тогда в следующем поколении частоту аллеля А1 с учетом миграции можно выразить так:

Р1 = (1 - т)Ро + тР= ро - т(ро - Р).

Таким образом, новая частота аллеля А1 в первом поколении составит исходную ее частоту в популяции за вычетом произведения доли мигрантов на разность частот алллеля у старожилов и мигрантов.

Изменение частоты аллеля за одно поколение будет равно

I1р = Р1 - Ро·

Если в этом уравнении значение для Р1 выразить через Ро, как это было представлено выше, то получаем:

I1р = ро - т(Ро - Р) - ро = -т(Ро - Р).

Из последнего уравнения следует, что чем больше доля пришельцев в популяции и чем значительней у них и старожилов различия в частотах аллеля, тем выше скорость изменения. Изменение частоты аллеля становится равным нулю, либо когда имеет место нулевое давление мигрантов, либо когда значения частоты аллеля у эмигрантов и старожилов равны. Следовательно, если миграция не прекращается, частота аллеля изменяется до тех пор, пока она не станет равной у мигрантов и в принимающей популяции.

Рассмотрим, как при миграции происходит изменение частоты аллеля во времени. Для первого поколения эта величина будет равна

Р1 - Р = ро - т(Ро - Р) - Р = ро - тРо + тР - Р = = (1 - т)Ро - (1 - т)Р= (1 - т)(Ро - Р).

Для второго поколения она составит P2-Р=(1-т)2(Ро-Р).

После поколений различия в частотах аллеля будут равны

рг Р= (1 - т)t(Po - Р).

Можно преобразовать уравнение, чтобы получить оценку частоты аллеля по прошествии многих (t) поколений миграции:

Pt= (1 - т)t(Po- Р) + Р.

Эта формула позволяет рассчитать частоту аллеля в локальной популяции при постоянной скорости миграции (т), а также если известны начальная и конечная частоты аллеля (Ро и Р). Кроме того, она позволяет оценить интенсивность миграции (потока генов) т, если мы располагаем (дополнительно к отмеченной выше) информацией о продолжительности процесса миграции.

Обозначенный алгоритм можно проиллюстрировать на примере негроидов Америки. В США потомство смешанных браков между белыми и неграми принято относить к негритянскому населению. Следовательно, смешанные браки можно рассматривать как поток генов от европеоидов к негроидам. У белого населения США частота аллеля, контролирующего наличие резус-фактора (R+), равна Р = 0,028. В африканских популяциях, от которых происходит негритянское население Америки, она составляет ор = 0,630. Предки современных негров были вывезены из Африки в США примерно ЗОО лет назад, что соответствует периоду около 10 поколений, т. е. t = 10. У современных негроидов Америки частота резус-положительной группы крови Р, = 0,446. Приведенные выше уравнения можно представить в виде

(1 - т)t = (Рг Р) / (Ро - Р).

Подставляя указанные ранее значения соответствующих величин, получаем

(1 - т) 10 = (0,446 - 0,028) / (0,630 - 0,028) = 0,694;

1 - т = "./0,694 = 0,964;

т= 0,036.

Таким образом, поток генов от белого населения США к негритянскому шел со средней интенсивностью З,6 % за одно поколение. В результате сейчас, через 10 поколений, доля генов африканских предков современных американских негров составляет 0,694, а около ЗО % генов американские негры унаследовали от белого населения, что свидетельствует о значительном потоке генов между белым и негритянским населением Америки.

29. Дрейф генов,

или генетический дрейф, - изменение частот аллелей в ряду поколений, вызываемое случайными причинами и прежде всего малой численностью популяции. Дрейф генов - процесс совершенно случайный и не направленный. В небольших по численности популяциях случайным образом постоянно возникают значительные колебания в частотах генов, одни из которых могут полностью утрачиваться, другие, напротив, фиксироваться и их частота становится равной 1.

Часто дрейф генов относят к классу явлений, обозначаемых как ошибка выборки. Общее правило состоит в том, что величина такой ошибки всегда находится в обратной зависимости от размера популяционной выборки. Для популяции это означает, что чем меньше число скрещивающихся особей, тем в большей степени оценки частот аллелей будут претерпевать случайные отклонения.

Отметим также, что правильное представление о численности популяции диплоидных особей дает не общая, а эффективная ее численность, т. е. та часть популяции, которая дает начало новому поколению(1/3). Именно в этом случае частоты аллелей представляют собой вероятности их появления в следующих поколениях, а возможные изменения накапливаются в ряду поколений и становятся все более выраженными. Важно иметь в виду, что число индивидуумов, способных оставить потомство, не является единственным фактором, определяющим стабильность популяции по отношению к случайным колебаниям частот генов. Вторым фактором являются различия в размерах семей. Если небольшое число случайных сочетаний аллелей оказывается ассоциированным с рождением более многочисленного потомства по сравнению с другими сочетаниями, то при этом генетическая гетерогенность потомства будет, по-видимому, меньше, чем она была бы в случае одинакового участия в процессах репродукции всех возможных сочетаний аллелей. Оба этих фактора объединяются в понятии «эффективная численность» популяции N.

Она определяется важными генетико-демографическими показателями:

1)Тотальная численность 2) доля лиц репродуктивного периода 3)соотношение полов в популяции 4)колебание численности во времени 5)изменчивость индивидуальной плодовитость

Действие генетического дрейфа приводит к увеличению доли гомозигот в популяции (уменьшается генетическое разнообразие). Чем меньше эффективно-репродуктивный размр популяции, тем быстрее будет происходить потеря генетического разнообразия в ряду поколений.

в связи с дрейфом генов следует отметить два известных популяционно-генетических феномена - «эффект основателя}) и «эффект горлышка бутылки}).

Первый из них является предельным случаем дрейфа генов, когда происходит возникновение новой популяции от ограниченного числа особей. Естественно, что частоты алллелей в этом случае могут сильно отличаться от частот алллелей в материнской популяции.

Второй феномен возможен вследствие резких колебааний численности популяции, и прежде всего ее критического снижения. Это может произойти в силу самых разнообразных причин (война, эпидемия и т. д.). Последующее восстановление численности происходит на основе случайного генотипического состава малого числа особей, и поэтому могут наблюдаться существенные отклонения в частотах аллелей от исходной популяции.

30. Естественный отбор(типы) –

дифференциальное воспроизведение различных генетических вариантов. Это единственный фактор, способный направлено изменить частоту генов в популяции. Оказывает свое влияние через фенотипическое проявление генотипов.

Количественная мера интенсивности отбора – относительная приспособленность (дифференциальная выживаемость – вероятность выживания до репродуктивного периода и диф плодовитость – способность передавать свои гены последующим поколениям между носителями различных генотипов). Наиболее приспособленный генотип w=1, С ней однозначно связана величина коэффициента отбора s, которая определяется как дополнение приспособленности до единицы: s = 1 - w и по сути означает скорость уменьшения представленности в популяции того или иного генотипа. Если W> 1, число индивидов с определенным генотипом возрастает, если w < 1 - уменьшается и остается неизменным при w = 1.

Варианты отбора:

Направленный w1>w2>w3. Селективным преимуществом обладают носители определенного в только гомозиготном состоянии или гомо- и гетеро-. Происходит фиксация благоприятного аллеля. Происходит уменьшение генетического разнообразия.

Балансирующий w1<w2>w3 – стабилизирующий, сверхдоминирование. Селективным преимуществом обладают гетерозиготы. Устанавливаются равновесные частоты аллелей.

Дизгруптивный w1>w2<w3. наименьшей приспособленностью обладают гетерозиготы, фиксироваться будет тот аллель, который изначально в популяции регистрировался с более высокой частотой- идет уменьшение генетического разнообразия.

Наследственные болезни в большинстве случаев снижают репродуктивные возможности их носителей. Больные имеют меньше шанс чем в норме дожить до репродуктивного периода и оставить потомство:

Геномные и хромосомные мутации: резко снижается приспособленность – элиминация из популяции. Аутосомно-рецисивные –естественный отбор обычно направлен против гомозигот по генам этих заболеваний, приводя и их к полной или частичной элиминации.

31. Естественный отбор (компоненты)

В отличие от представленных ранее факторов динамики частот генов в популяции (мутации, миграции, дрейф генов), являющихся случайными и ненаправленными процессами, естественный отбор имеет вполне определенное направление. Его действие приводит к повышению приспособленности организмов, и в этом смысле отбор, несомненно, является наиболее значимым и важным фактором динамики генных частот.

К идее естественного отбора как основного фактора эволюции в середине XIX в. независимо пришли английские ученые Чарльз Дарвин (1858 г., доклад на заседании Линееевского общества и его книга 1859 г. «Происхождение видов}») И Альфред Рассел Уоллес. В теорию естественного отбора высок вклад таких ученых, как Р. Фишер, С. Райт, Дж. ХолдеЙн.

Естественный отбор не действует на генотипы непосредственно, а оказывает свое влияние через их фенотипические проявления. Если некий индивидуум обладает тем или иным признаком, который обеспечивает ему большую жизнеспособность или плодовитость по сравнению с другими членами данной популяции, то можно ожидать, что

такой индивидуум оставит более многочисленное потомство,_ т. е. он оказывается более приспособлен к комплексу девствующих внешнесредовых факторов. И если различия в проявлении признака имеют генетическую природу, то гены, определяющие его формирование, будут преимущественней представлены в следующем и в последующих поколениях. Таким образом, естественный отбор играет ведущую роль направляющего фактора эволюции.

Действие естественного отбора можно определить, как дифференциальное воспроизведение различных генетических вариантов. Это означает, что носители определенных наследственных вариантов имеют больше шансов выжить и передать их потомству по сравнению с другими. В качестве количественной меры интенсивности давления естественного отбора используется относительная приспособленность, являющаяся мерой эффективности размножения особей конкретного генотипа. Приспособленность генотипа можно определить, как отношение числа оставляемого им потомства к числу потомков наилучшего генотипа (при фиксированном состоянии генома и в стабильной среде).

Приспособленность обозначают буквой w. С ней однозначно связана величина коэффициента отбора s, которая определяется как дополнение приспособленности до единицы: s = 1 - w и по сути означает скорость уменьшения представленности в популяции того или иного генотипа. Если W> 1, число индивидов с определенным генотипом возрастает, если w < 1 - уменьшается и остается неизменным при w = 1.

Расчет приспособленности проводится в два приема.

Сначала дифференцирован но вычисляется число потомков на особь для каждого генотипа, затем оно делится на среднее число потомков наилучшего из них. Получив, таким образом, оценки приспособленностей (относительной эффективности размножения) анализируемых генотипов, исследователи могут предсказать скорость изменения их частот во времени.

Особенности существования организма на разных этапах жизненного цикла оказывают влияние на его выживаемость, скорость развития, репродуктивный успех, плодовитость и т. п. Эти величины определяют направление действия естественного отбора. Их называют компонентами, или составляющими, приспособленности, и в конечном счете, именно они определяют различия в приспособленности между представителями различных генотипических классов.

Действие естественного отбора легче понять, если в локусе только два аллеля, определяющих наличие трех различных генотипов - двух гомозиготных по каждому из них и одного гетерозиготного. В этом случае возможны следующие варианты отбора:

1) против рецессивного аллеля;

2) против доминантного аллеля;

3) против какого-либо аллеля в отсутствие доминирования.

Эти случаи естественного отбора при водят к элиминации аллеля, против которого направленно его действие.

4) в пользу гетерозигот, который ведет к устойчивому полиморфизму, и в популяции присутствуют оба алллеля, а их частоты определяются коэффициентами отбора против гомозигот;

5) против гетерозигот, когда существует точка полиморфного равновесия частот аллелей, однако оно неустойчиво и отбор ведет к полной фиксации одного из них, в зависимости от начальных частот.

Во всех этих рассмотренных случаях действия естественного отбора приспособленности генотипов принимаются постоянными.

6) частото-зависимый отбор, когда приспособленности являются функциями частот аллелей; этот вид отбора приводит к устойчивому полиморфному равновесию.

Окончательным результатом действия естественного отбора может быть либо полная элиминация аллеля, либо возникновение некоего устойчивого полиморфизма, когда в популяции одновременно присутствуют два или более аллелей локуса.

К устойчивому генетическому полиморфизму может приводить частото-зависимый отбор, который, по-видимому, широко распространен. Этот тип отбора возникает, когда вероятность образования супружеской пары связана с частотой конкретного генотипа. При этом нередко при выборе брачных партнеров предпочтение отдается носителям редких генотипов. Это явление известно как предпочтение брачных партнеров редкого типа. Таким образом, приспособленность редких генотипов повышается, что является одним из механизмов поддержания генетического полиморфизма популяции. Частото-зависимый отбор становится особенно значимым при повышении миграционной активности в популяции, и в результате его действия может увеличиваться вероятность сохранения генов, привнесенных иммигрантами.

В заключение следует отметить, что основные положения популяционной генетики справедливы в случае случайного образования супружеских пар. Когда это не так и особи с определенными генотипами скрещиваются реже или чаще, а не в соответствии со случайным характером этого события, то говорят об ассортативности браков.

Возможна повышенная инбредность популяции, что приводит к повышению вероятности проявления вредных рецессивных мутаций. В связи с оценкой коэффициента инбридинга следует упомянуть об эффекте инбредной депрессии, или ухудшении основных характеристик жизнедеятельности организма в результате длительно практикующейся ассортативности браков. Можно говорить и о гетерозисе - противоположном по направленности процессу, при водящему к возрастанию приспособленности потомства.