Мал. 1. У бліжэйшых сваякоў чалавека - шымпанзэ і Баноба (на фота) - самкі часта спарваюцца з некалькімі самцамі запар. Гэта прыводзіць да канкурэнцыі паміж самцамі на ўзроўні спермы ( «спермовым войнам»), што, у сваю чаргу, спрыяе адбору на павелічэнне насеннікаў і інтэнсіфікацыю сперматогенеза. Магчыма, менавіта таму колькасьць мутацыяў ў народках у шымпанзэ расце з узростам самца ў паўтара разы хутчэй, чым у людзей. Фота з сайта kevishere.files.wordpress.com

Аналіз геномаў дзевяці шымпанзэ, якія прадстаўляюць тры пакаленні адной сям'і, паказаў, што сярэдні тэмп мутирования у бліжэйшых родзічаў чалавека прыкладна такі ж, як у нас: каля 1,2 × 10-8 на нуклеатыд за пакаленне, што адпавядае прыкладна 70 новым мутацыям у кожнага дзіцяня. Як і ў людзей, колькасць новых мутацый у нашчадкаў не залежыць ад узросту маці, але моцна залежыць ад узросту бацькі ў момант зачацця: кожны лішні год, пражыты бацькам, дадае яго нашчадкам у сярэднім па тры мутацыі (у чалавека - па дзве). Гэтае адрозненне, хутчэй за ўсё, звязана з больш інтэнсіўным вытворчасцю народкаў у шымпанзэ, у якіх самкі спарваюцца з многімі самцамі запар, што спараджае «спермовые вайны».

Хуткасць мутагенеза - адзін з ключавых паказчыкаў, якія вызначаюць дынаміку эвалюцыйных змен. Да нядаўніх часоў гэтую велічыню вылічалі па ўскосных прыкметах: напрыклад, супастаўлялі час з'яўлення груп, ацэненае па палеанталагічных дадзеных, з узроўнем адрозненняў паміж іх геному (гл. малекулярныя гадзіны ). У апошнія гады дзякуючы развіццю новых магутных метадаў секвенирования геномаў (гл. DNA sequencing: Next-generation methods ) З'явілася магчымасць вымяраць тэмп мутагенеза наўпрост, параўноўваючы генома бацькоў і іх нашчадкаў.

Гэтую тэхналогію ўжо паспелі прымяніць да чалавека. Так, у 2012 годзе ў часопісе Nature былі апублікаваныя вынікі полногеномного аналізу 78 ісландскіх сем'яў - «троек», якія складаюцца з бацькі, маці і дзіцяці (А. Kong et al., 2012. Rate of de novo mutations and the importance of father's age to disease risk ). Даследаванне паказала, што тэмп мутагенеза складае каля 1,2 × 10-8 на нуклеатыд за пакаленне. У пераліку на ўвесь геном гэта азначае, што кожнае дзіця атрымлівае ад бацькоў у сярэднім 74 новыя мутацыі.

Гэтыя лічбы аказаліся нечаканымі, паколькі ускосныя ацэнкі, заснаваныя на філагенетычных рэканструкцыях і палеанталагічных дадзеных, казалі пра ўдвая больш высокім тэмпе мутагенеза ў людзей. Прычына неадпаведнасці, відаць, заключаецца ў тым, што ў чалавекападобных малпаў пасля іх аддзялення ад іншых прыматаў адбылося істотнае зніжэнне хуткасці мутирования (у разліку на адзін год). Зніжэнне магло быць звязана з павелічэннем ўзросту пачатку размнажэння і з запаволеннем працэсу фарміравання палавых клетак. Калі новыя дадзеныя адпавядаюць рэчаіснасці (а сумнявацца ў гэтым становіцца ўсё цяжэй па меры з'яўлення новых публікацый), то многія датыроўкі ключавых момантаў антрапагенезу, магчыма, запатрабуюць перагляду ў бок удревнения. Напрыклад, разыходжанне ліній чалавека і шымпанзэ, тое, што адбылося, згодна з ранейшым ацэнак, 6 - 7 млн гадоў таму, можа быць адсунуць у мінулае да 10 - 13 млн гадоў таму. Праўда, тут ёсць шмат тонкасцяў, адна з якіх заключаецца ў тым, што час дывергенцыі геномаў, вызначанае па «малекулярнай гадзінам», у сілу шэрагу аб'ектыўных прычын можа знаходзіцца глыбей у мінулым, чым час рэальнага відаўтварэння (падзелу папуляцый). Больш падрабязна пра гэта гл. У артыкуле: A. Scally, R. Durbin, 2012. Revising the human mutation rate: implications for understanding human evolution (PDF, 812 Кб).

Яшчэ адзін важны вынік, атрыманы ў ходзе полногеномного аналізу чалавечых сем'яў, складаецца ў тым, што бацька і маці ўносяць неаднолькавы ўклад у сумарны «мутацыйных груз», які атрымліваецца дзіцем ад бацькоў. З агульнай колькасці новых мутацый, атрыманых дзіцем, ад маці яму дастаецца прыкладна 15, а ад бацькі - усе астатнія. Пры гэтым колькасць новых мутацый ў дзіцяці амаль не залежыць ад узросту маці, але вельмі хутка расце з узростам бацькі. Кожны лішні год жыцця бацькі дадае дзіцяці прыкладна дзве новыя мутацыі.

Тлумачыцца гэта тым, што ў жанчын ад зачацця да фарміравання спелай яйкаклеткі праходзіць усяго 24 клеткавых дзялення і 23 акта рэплікацыі храмасом (перад другім дзяленнем мейоза храмасомы ня падвойваюцца). Рэплікацыя храмасом жаночай зародкавай лініі заканчваецца яшчэ падчас унутрычэраўнага развіцця, а на працягу жыцця жанчыны храмасомы яе палавых клетак больш не реплицируются. Адпаведна, і колькасьць мутацыяў ў іх амаль не расце, бо большая частка мутацый у клетках зародкавай лініі - гэта памылкі рэплікацыі.

У мужчын сітуацыя іншая. Клеткі - папярэднікі народкаў дзеляцца на працягу ўсёй дарослай жыцця, перажываючы па адным дзяленню кожныя 16 дзён (23 дзялення ў год) пачынаючы з дасягнення палавой сталасці. Лічыцца, што народкі 15-гадовага мужчыны прайшлі прыкладна 35 клетачных дзяленняў, 20-гадовага - 150, 30-гадовага - 380, 40-гадовага - 610, 50-гадовага - 840. Кожны акт рэплікацыі - гэта рызыка дадатковых мутацый, таму чым старэй мужчына, тым больш мутацый у яго народках (JF Crow, 2000.. The origins, patterns and implications of human spontaneous mutation ). Пра гэтыя факты і даследаваннях падрабязна распавёў А. С. Кандрашоў у інтэрв'ю, апублікаваным на «элементаў» (Аляксей Кандрашоў, Надзея Маркіна. Жыццё без адбору: добрае ці небяспека? ).

І вось мы нарэшце атрымалі магчымасць параўнаць параметры мутацыйнай працэсу Homo sapiens і нашых бліжэйшых родзічаў - шымпанзэ. Генетыкі з Вялікабрытаніі і Нідэрландаў отсеквенировали і параўналі поўныя генома дзевяці шымпанзэ з трох пакаленняў адной сям'і (мал. 2).

Нягледзячы на ​​маленькую выбарку (усё ж такія даследаванні і сёння застаюцца вельмі дарагімі і працаёмкімі), атрыманыя дадзеныя дазволілі прыблізна ацаніць ключавыя колькасныя характарыстыкі мутагенеза у шымпанзэ.

Аўтары падлічылі новыя мутацыі ў шасці асобін, а менавіта тых, для якіх былі вядомыя бацькоўскія генома: D, E, F, G, H, I. У агульнай складанасці ў іх знайшлі 204 новыя мутацыі ў аутосомах і тры - у X-храмасоме. Сярод знойдзеных мутацый значную долю (24%) складаюць замены C на T (C> T-транзиции) у динуклеотидах CG (гл. CpG site ). У чалавека такія замены складаюць 17% зноў ўзнікаюць мутацый.

Зноў ўзнікаюць мутацыі размяркоўваюцца па геному не зусім раўнамерна: яны праяўляюць тэндэнцыю да кластарызацыі. Іншымі словамі, калі ў ходзе рэплікацыі ў нейкім локуса паўстала мутацыя, верагоднасць таго, што падчас таго ж самага акта рэплікацыі дзесьці па суседстве ўзнікне яшчэ адна, павышаецца. У людзей выяўленыя падобныя заканамернасці, прычыны якіх яшчэ трэба высветліць. Пры гэтым верагоднасць ўзнікнення новай мутацыі не залежыць ад «сэнсавага зместу» гэтага ўчастка ДНК, няхай гэта будзе унікальная або паўтаральная паслядоўнасць, ген або межгенный прамежак.

Для большасці выяўленых мутацый аўтарам атрымалася вызначыць (па наборы палімарфізмам ў ваколіцах мутацыі), атрымана Ці яна ад бацькі або ад маці. Аказалася, што з'яўляецца ў шымпанзэ, як і ў людзей, бацькі ў параўнанні з маці перадаюць сваім дзецям генома, значна мацней прыпсаваныя мутацыямі. «Бацькаўскія» мутацый выявілася ў 5,5 разоў больш, чым «матчыных» (у чалавека - у 3,9 разоў).

Як і ў людзей, лік новых мутацый у шымпанзэ не залежыць ад узросту маці (маці ў любым узросце перадае дзіцяню ў сярэднім 6,7 новых мутацый), але пры гэтым хутка расце з узростам бацькі. Гэтая залежнасць нават у такой маленькай выбарцы апынулася статыстычна дакладнай. У людзей кожны лішні год жыцця бацькі, пачынаючы з моманту палавога паспявання, дадае нашчадкам у сярэднім па 1,95 новых мутацый, а ў шымпанзэ - па 3,02. Адрозненне, хутчэй за ўсё, звязана са структурай шлюбных адносін. У супольнасцях шымпанзэ самкі не маюць звычаю захоўваць вернасць аднаму самцу, што спрыяе «спермовым войнам» і адбору на больш інтэнсіўны сперматагенез (гл. Мал. 1).

Калі гэта здагадка дакладна, варта чакаць, што ў гарыл з іх гаремных сістэмай, жаночай вернасцю, адсутнасцю спермовых войнаў і маленькімі насеннікамі тэмп павелічэння колькасці мутацый у народках з узростам самца павінен быць ніжэй, чым у шымпанзэ і ў людзей.

Каб ацаніць сярэдні тэмп мутагенеза у шымпанзэ, аўтарам прыйшлося ўлічыць важнае адрозненне даследаванай групы шымпанзэ, якая жыве ў няволі, ад дзікіх суродзічаў. У няволі шымпанзэ звычайна пачынаюць размнажацца ў больш раннім узросце, чым у прыродзе. Па-відаць, гэта звязана з іерархічнымі, канкурэнтнымі адносінамі ў натуральных супольнасцях шымпанзэ, дзе падлеткі рэдка дапускаюцца да ўдзелу ў размнажэнні. Так ці інакш, у даследаваным сямействе шымпанзэ сярэдні «ўзрост бацькоўства» (гэта значыць сярэдні ўзрост самцоў ў момант зачацця дзіцянятаў) складае 18,9 гадоў, а сярэдні «ўзрост мацярынства» 15,0 гадоў. Для дзікіх папуляцый шымпанзэ, па наяўных ацэнак, гэтыя лічбы значна вышэй: 24,3 для самцоў і 26,3 для самак. У сучасных людзей сярэдні ўзрост бацькоўства яшчэ вышэй: каля 31,5 гадоў. Іншымі словамі, у дзікіх шымпанзэ самцы ў момант зачацця дзіцянятаў ў сярэднім старэй, чым у даследаванай папуляцыі, а значыць, мутацый у іх нашчадкаў павінна быць больш. З улікам гэтага і шэрагу іншых паправак аўтары разлічылі, што сярэдні лік новых аўтасомных мутацый ў дзікіх шымпанзэ павінна быць каля 69, а тэмп мутагенеза - 1,2 × 10-8 на нуклеатыд за пакаленне (як і ў людзей).

Калі гэтыя ацэнкі верныя (нагадаем, што яны заснаваныя на вельмі маленькай выбарцы і могуць быць істотна ўдакладнены ў будучыні) і, калі тэмп мутагенеза не зазнаваў істотным ваганняў з часоў разыходжанні продкаў шымпанзэ і людзей, то пры дапамозе метаду малекулярных гадзін можна ў чарговы раз паспрабаваць ацаніць час жыцця апошняга агульнага продка чалавека і шымпанзэ. Аўтары прарабілі гэта і атрымалі вынік: 13 мільёнаў гадоў таму. Да падобным ацэнак нядаўна прыйшлі і іншыя аўтары (K. Langergraber et al., 2012. Generation times in wild chimpanzees and gorillas suggest earlier divergence times in great ape and human evolution ).

Але ўсё ж самы інтрыгуе вынік даследавання - гэта ўказанне на магчымасць ўплыву структуры соцыума і шлюбных адносін на хуткасць малекулярнай эвалюцыі. Ўплыў можа быць дваякім: па-першае, колькасьць мутацыяў ў нашчадкаў залежыць ад узросту, у якім самцы пачынаюць удзельнічаць у размнажэнні, і які, у сваю чаргу, вызначаецца не толькі фізіялогіяй, але і грамадскім прыладай і культурнымі традыцыямі. Па-другое, «спермовые вайны», характэрныя для промискуитетных супольнасцяў, спрыяюць адбору на інтэнсіфікацыю сперматогенеза, што можа прывесці да паскоранага росту колькасці мутацый у народках з узростам самца.

Крыніца: Oliver Venn, Isaac Turner, Iain Mathieson, Natasja de Groot, Ronald Bontrop, and Gil McVean. Strong male bias drives germline mutation in chimpanzees // Science. 2014. V. 344. P. 1272-1275.

Аляксандр Маркаў
«Элементы»