Генетика популяций - Хедрик Ф.
ISBN 5-94836-007-5
Скачать (прямая ссылка):
При сравнимой скорости мутирования в разных таксонах часто обнаруживаются большие различия в частоте мутаций на поколение половых клеток (Drake et al., 1998). К примеру, скорость мутирования в поколении у человека оказалась на два порядка выше, чем у нематоды C.elegans (таблица 8.8). Для адекватного сравнения Дрейк с сотрудниками стандартизировали эту величину в отношении эффективного размера генома и числа делений половых клеток (Drake et al., 1998). У C.elegans, например, функционирующие гены составляют около 0,225 от всего генома, а в линии зародышевых клеток проходит около 9,1 делений на поколение половых клеток (половое поколение). Оказалось, что частота мутаций у четырех видов (таблица 8.8) в расчете на эффективный геном и число клеточных делений очень сходна, варьируя от 0,004 до 0,014 (крайняя правая колонка в таблице 8.8).
ТАБЛИЦА 8.8. Частота мутаций на стандартизированный геном [эффективная длина генома (G) / общая длина генома (G) ] и количество делений половых клеток на поколение (репликации/поколение), (по Drake et al., 1998)
Виды Ge/G Реп./Пок. Частота мутаций
Половое поколение Репликация клеток
G G G Ge
с
C.elegans 0,225 9,1 0,16 0,036 0,018 0,004
D.melanogaster 0,094 25 1,5 0,14 0,058 0,005
Мышь 0,030 62 30 0,9 0,49 0,014
Человек 0,025 400 64 1,6 0,16 0,004
395
Так называемые гены-мутаторы могут повышать общую частоту мутаций во многих локусах. Часто такие гены либо кодируют ферменты, участвующие в репликации или репарации ДНК, либо служат сайтами связывания этих ферментов с молекулой ДНК. Очевидно, что ошибки в работе этих ферментов приводят к мутациям (см. пример 8.7, показывающий, что у мух, гомозиготных по нуль-аллелю, кодирующему фермент для репарации ДНК, частота мутаций в микросателлит-ных локусах резко повышается).
Высокая частота мутаций, как правило, вредных, понижает приспособленность особей в популяции. Когда изменяются условия среды или истощается генетическая изменчивость популяции, то усиление изменчивости за счет новых мутаций может оказаться полезным (см. пример 8.7 о повышении изменчивости у штамма E.coli, несущего аллель гена-мутатора, при попадании бактерий в новую среду обитания). Если накопления новых мутаций не происходит, приспособленность популяции может уменьшаться вследствие низкой адаптивной изменчивости в новых условиях обитания. Теоретическое исследование факторов, влияющих на скорость мутирования, показывает динамику изменения частоты мутаций до оптимальных значений (Kimura, 1967; Leigh, 1970; Drake et al., 1998). Однако изменение частоты мутаций и соответствующее изменение приспособленности должно быть достаточно медленным, так что оптимальные значения достигаются лишь со временем. Вероятно, оптимальная скорость мутирования - это возможный минимум частоты мутаций, достигнутый без особых затрат энергии за счет усовершенствования репарации ДНК, например.
Пример 8.7. Белок MutS кишечной палочки E.coli узнает ошибочно спаренные нуклеотиды и участвует в репарации таких ошибок. Мутации в генах mutS и muiL повышают частоту точковых мутаций и нестабильность простых повторов в молекуле ДНК (Strand et al., 1993). Такая система репарации эволюционно консервативна и обнаружена у многих эукариот, начиная от грибов и кончая человеком. Мутации родственных белков дрожжей также приводят к нестабильности простых повторов. Подобные мутации, обусловливающие нестабильность повторяющейся ДНК в геноме человека, могут быть связаны с развитием некоторых видов рака.
Флорес и Энгельс (Flores, Engels, 1999) клонировали гены spellchecker 1 (spell) D. melanogaster, гомологичные гену mutS E.coli и создали линии мух с делецией в данном участке ДНК. Затем они сравнили между собой ряд линий, гомозиготных по делециям участка spell в восьми микросателлитных локусах и контрольные линии, гетерозиготные по данной делеции. Число мутаций, наблюдаемое через 10-12 поколений
таких мух, а также приближенная скорость мутирования по локусу spell у гомозигот по нуль-аллелям (делециям) и контрольных гетерозигот показаны в таблице 8.9. В контроле было обнаружено только три мутации, в то время как в линиях, гомозиготных по нуль-аллелю spell, выявлено 189 мутаций. Скорость мутирования у гомозигот на два порядка выше, чем в контроле. Около 90% мутантных аллелей отличались от родительских аллелей только на один повтор. Уровень мутаций в контроле оказался выше, чем наблюдали другие исследователи (Schrug et al., 1998; Schlotterer et al., 1998), (см. таблицу 8.7), что указывает на участие в репарации ДНК двух копий гена spell.
Повышение частоты мутаций не обязательно приводит к росту приспособленности. Это было показано на примере штаммов бактерий
E.coli, растущих в культуре (Сох, Gibson, 1974). Эти штаммы размножались с одинаковой скоростью и отличались друг от друга только по наличию гена-мутатора. На рисунке 8.10 показано изменение соотношения численности бактерий с геном-мутатором и бактерий дикого типа во времени. Как видно из рисунка 8.10Ь, иногда численность бактерий дикого типа быстро растет. Однако в опытах 10 и 11 преимущество в численности было на стороне штамма с геном-мутатором. Этот штамм состоит из «липких» мутантных бактерий, которые прилипают к стеклянным стенкам культуральных флаконов и размножаются более активно, чем бактерии дикого типа. Положительное влияние гена-мутатора на адаптивную изменчивость бесполых организмов зависит от накопления полезных мутаций и от других факторов (de Visser et al., 1999).
