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在黑猩猩中,与人类一样,后代的突变数量取决于父亲的年龄// Alexander Markov Scisne?

图。 1.在一个人的近亲 - 黑猩猩和倭黑猩猩( 照片上 ) - 女性经常连续与几个雄性交配。 这导致精子水平的男性之间的竞争(“精子战争”),这反过来有助于选择精子发生以增加睾丸和精子发生的强化。 也许这就是为什么黑猩猩中精子细胞的突变数量随着雄性年龄的增加而增加的速度比人类快一倍半。 照片来自kevishere.files.wordpress.com

对代表同一家族三代黑猩猩的9只黑猩猩的基因组进行分析,结果表明,最接近的人类亲属的平均突变率与我们的大约相同:每代核苷酸大约1.2×10-8,相当于每个大约70个新突变。幼崽。 与人类一样,后代的新突变数量并不取决于母亲的年龄,但在很大程度上取决于受孕时父亲的年龄:父亲每生活一年,平均增加三个突变(人类两个)。 这种差异很可能是由于黑猩猩中精子的产生更加密集,其中雌性与许多雄性连续交配,从而导致“精子战争”。

诱变率是决定进化变化动态的关键指标之一。 直到最近,这个值是通过间接符号计算的:例如,他们将从古生物学数据估计的群体出现时间与其基因组之间的差异水平进行了比较(见 分子钟 )。 近年来,由于开发了强大的基因组测序新方法(见 DNA测序:下一代方法 通过比较父母及其后代的基因组,可以直接测量诱变率。

这项技术已经应用于人类。 因此,在2012年, 自然杂志发表了78个冰岛家庭的全基因组分析结果 - “三元组”,由父亲,母亲和孩子组成(A. Kong et al。,2012。 疾病风险率 )。 该研究表明,每代核苷酸的诱变率约为1.2×10-8 /核苷酸。 就整个基因组而言,这意味着每个孩子平均从父母那里获得74个新的突变。

这些数据是出乎意料的,因为基于系统发育重建和古生物学数据的间接估计表明人类诱变率提高了两倍。 显然,这种差异的原因在于,在与其他灵长类动物分离后的巨猿中,突变率(每一年)显着降低。 这种减少可能与生殖发生年龄的增加和生殖细胞形成的减缓有关。 如果新数据是正确的(随着新出版物的出现变得越来越难以怀疑),那么人类发生关键点的许多测年可能需要对衰老进行修正。 例如,根据先前的估计,人类和黑猩猩之间的差异,根据之前的估计,在6-7百万年前,可以回到过去,到10-13百万年前。 确实,存在许多微妙之处,其中之一是由于许多客观原因由“分子钟”确定的基因组分歧的时间在过去可能比真实物种形成时(分离群体)更深。 有关这方面的更多信息,请参阅文章:A。Scally,R。Durbin,2012。 修改人类进化速度 (PDF,812 Kb)。

在对人类家庭进行全基因组分析的过程中获得的另一个重要结果是父亲和母亲对孩子从父母那里收到的总“突然负担”做出了不平等的贡献。 在孩子接受的新突变总数中,他从母亲那里获得了大约15个,其余的都来自他父亲。 与此同时,一个孩子的新突变数量几乎不依赖于母亲的年龄,但随着父亲的年龄增长很快。 父亲生命的每一年都会给孩子增加两个新的突变。

这可以通过以下事实来解释:在女性中,从受孕到成熟卵子的形成,仅发生24次细胞分裂和23次染色体复制行为(染色体在第二次减数分裂之前不会加倍)。 即使在胎儿发育期间,雌性种系染色体的复制也会终止,并且在女性的生命期间,其生殖细胞的染色体不再复制。 因此,它们中的突变数量几乎不增长,因为种系细胞中的大多数突变是复制错误。

在男性中,情况有所不同。 精子的祖细胞在成年期间分开,自青春期开始每16天进行一次分裂(每年23次)。 据信,一名15岁男子的精子经历了大约35个细胞分裂,一个20岁 - 150岁,一个30岁 - 380岁,一个40岁 - 610岁,一个50岁 - 840岁。每个复制行为都有额外突变的风险,因此年龄较大男人,他精子中的突变越多(JF Crow,2000。 人类自发突变的起源 )。 A. Kondrashov在元素发表的采访中详细讲述了这些事实和研究(Alexey Kondrashov,Nadezhda Markina。 没有选择的生活:好还是危险? )。

在这里,我们终于有机会比较智人突变过程和我们最亲近的亲属 - 黑猩猩的参数。 来自英国和荷兰的遗传学测序并比较了来自同一家族三代的九只黑猩猩的完整基因组(图2)。

尽管样本量很小(此类研究仍然极其昂贵且耗时),但所获得的数据使我们能够估计出黑猩猩诱变的关键数量特征。

作者计算了6个个体的新突变,即父母基因组已知的个体:D,E,F,G,H,I。总共,他们在常染色体中发现了204个新突变,在X染色体中发现了3个突变。 在发现的突变中,显着比例(24%)由CG二核苷酸中的T(C> T-转换)的C取代组成(参见 CpG网站 )。 在人类中,这种替代占新出现的突变的17%。

新发生的突变在整个基因组中分布不均匀:它们倾向于聚类。 换句话说,如果在复制过程中某个位点出现突变,那么另一个发生在相邻复制行为中某处的可能性会增加。 人们也发现了类似的模式,其原因尚未澄清。 同时,新突变的概率不依赖于该DNA片段的“语义内容”,无论它是独特的还是重复的序列,基因或基因间隙。

对于大多数鉴定的突变,作者能够(通过突变附近的多态性集合)确定它是从父亲还是从母亲获得的。 事实证明,在黑猩猩中,就像在人类中一样,父亲与母亲相比,将基因组转移到他们的孩子身上,这些孩子比突变更强大。 父系突变的数量是母系突变的5.5倍(人类的3.9倍)。

与人类一样,黑猩猩中新突变的数量并不取决于母亲的年龄(任何年龄的母亲平均传播小牛6.7个新突变),但同时它随着父亲的年龄而迅速增长。 即使在如此小的样品中,这种依赖性也具有统计学意义。 在人类中,从青春期开始,父亲生命中每增加一年,平均为后代增加1.95个新突变,而在黑猩猩中,它增加了3.02个。 差异很可能是由于婚姻关系的结构。 在黑猩猩群落中,雌性通常不会对一个雄性有忠诚,这有助于“精子战争”和选择更强烈的精子发生(见图1)。

如果这个假设是正确的,人们应该期待大猩猩的后宫系统,女性保真度,缺乏精子战争和小睾丸,精子细胞中突变数量与男性年龄的增加率应该低于黑猩猩和人类。

为了评估黑猩猩的平均诱变率,作者必须考虑到被圈养的黑猩猩和野生亲属之间的重要差异。 在圈养中,黑猩猩通常开始繁殖的时间早于自然界。 这似乎与自然黑猩猩社区中的等级和竞争关系有关,青少年很少被允许参与育种。 无论如何,在研究过的黑猩猩家庭中,平均“父亲年龄”(即年轻人受孕时男性的平均年龄)为18.9岁,平均“母性年龄”为15.0岁。 对于野生黑猩猩种群,估计这些数字要高得多:男性为24.3,女性为26.3。 在现代人中,父亲的平均年龄甚至更高:约31.5岁。 换句话说,在野生黑猩猩中,年轻人受孕时的男性平均比研究人群中的年龄大,这意味着他们的后代应该有更多的突变。 考虑到这一点以及其他一些修正,作者计算出野生黑猩猩中新的常染色体突变的平均数量应为69左右,诱变率应为每代核苷酸1.2×10-8(如人类)。

如果这些估计是正确的(回想它们是基于非常小的样本并且将来可以显着改进)并且如果诱变率自黑猩猩和人类的祖先分歧以来没有经历显着波动,那么使用分子钟的方法,你可以再次尝试人类和黑猩猩的最后一个共同祖先的一生。 作者这样做并得到了结果:1300万年前。 其他作者最近得出了类似的估计(K. Langergraber等,2012。 编钟和大猩猩 )。

但这项研究最有趣的结果仍然表明社会结构和婚姻关系对分子进化速度的影响可能性。 影响可以是双重的:首先,后代的突变数量取决于雄性开始参与育种的年龄,而这反过来又不仅取决于生理学,还取决于社会结构和文化传统。 其次,混杂群落的“精子战争”特征有助于精子发生的强化选择,这可导致精子突变数量随着年龄的增长而加速增加。

资料来源: Oliver Venn,Isaac Turner,Iain Mathieson,Natasja de Groot,Ronald Bontrop和Gil McVean。 强烈的男性偏见驱使黑猩猩的种系突变 // 科学 2014. V. 344. P. 1272-1275。

Alexander Markov
“元素”

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