La cimpanzeii, ca și la oameni, numărul de mutații la descendenți depinde de vârsta tatălui // Alexander Markov Scisne?

Fig. 1. La rudele apropiate ale unei persoane - cimpanzeii și bonobosii ( pe fotografie ) - femelele se împerechează adesea cu câțiva bărbați la rând. Aceasta conduce la o concurență între bărbați la nivelul spermatozoizilor ("războaiele spermatozoizilor"), care, la rândul lor, contribuie la selectarea spermatogenezei pentru creșterea testiculelor și intensificarea spermatogenezei. Poate că acesta este motivul pentru care numărul mutațiilor din celulele spermatozoizilor în cimpanzei crește odată cu vârsta bărbatului de o jumătate de ori mai rapid decât la om. Fotografii de la kevishere.files.wordpress.com

O analiză a genomului a nouă cimpanzei, reprezentând trei generații din aceeași familie, a arătat că rata medie de mutație a celor mai apropiați rude umane este aproximativ aceeași cu cea a noastră: aproximativ 1,2 x 10-8 pe nucleotidă pe generație, ceea ce corespunde la aproximativ 70 de mutații noi în fiecare cub. La fel ca oamenii, numarul de noi mutatii la urmai nu depinde de varsta mamei, dar depinde foarte mult de varsta tatalui la momentul conceptiei: fiecare an in care traieste tatal adauga descendentilor sai in medie trei mutatii (la om - doua). Această diferență se datorează cel mai probabil producției mai intense de spermatozoizi în cimpanzeii, în care femelele se îmbină cu mai mulți bărbați la rând, ceea ce dă naștere la "războaiele spermatozoizilor".

Rata de mutageneză este unul dintre indicatorii-cheie care determină dinamica schimbărilor evolutive. Până de curând, această valoare a fost calculată prin semne indirecte: de exemplu, au comparat timpul de apariție al grupurilor, estimat din datele paleontologice, cu nivelul diferențelor dintre genomii lor (vezi Molecular Clock ). În ultimii ani, datorită dezvoltării de noi metode puternice pentru secvențierea genomului (a se vedea Secvențierea ADN-ului: Metode de generație următoare ) a fost posibilă măsurarea ratei de mutagenizare direct prin compararea genomului părinților și descendenților acestora.

Această tehnologie a fost deja aplicată omului. Astfel, în anul 2012, revista Nature a publicat rezultatele unei analize genomice complete a 78 de familii islandeze - "triple", alcătuite dintr-un tată, o mamă și un copil (A. Kong et al., 2012. Rata riscului de îmbolnăvire ). Studiul a arătat că rata de mutageneză este de aproximativ 1,2 × 10-8 pe nucleotidă pe generație. În ceea ce privește întregul genom, acest lucru înseamnă că fiecare copil primește în medie 74 de mutații noi de la părinți.

Aceste cifre s-au dovedit a fi neașteptate, deoarece estimările indirecte, bazate pe reconstrucții filogenetice și date paleontologice, au sugerat o rată de mutație de două ori mai mare. Motivul discrepanței aparent este că în maimuțele mari după separarea lor de alte primate sa înregistrat o scădere semnificativă a ratei de mutație (la un an). Scăderea ar putea fi asociată cu o creștere a vârstei de debut a reproducerii și cu o încetinire a formării celulelor germinative. Dacă noile date sunt corecte (și devine din ce în ce mai dificil să se îndoiască de acest lucru pe măsură ce noile publicații devin disponibile), atunci multe date ale punctelor-cheie ale antropogenezei pot necesita revizuirea spre îmbătrânire. De exemplu, discrepanța dintre liniile oamenilor și cimpanzeilor, care au avut loc, conform estimărilor anterioare, cu 6-7 milioane de ani în urmă, poate fi mutată în trecut în urmă cu 10-13 milioane de ani. Adevărat, există multe subtilități, dintre care unul este că timpul de divergență a genomului, determinat de "ceasul molecular", datorat unui număr de motive obiective, poate fi mai profund în trecut decât timpul real al speciei (separarea populațiilor). Pentru mai multe informații, consultați articolul: A. Scally, R. Durbin, 2012. Revizuirea ratei evoluției umane (PDF, 812 Kb).

Un alt rezultat important obținut în cadrul unei analize complete a genomului familiilor umane constă în faptul că tatăl și mama au o contribuție inegală la totalul "sarcinilor de mutație" pe care le-a primit copilul de la părinți. Din numărul total de noi mutații primite de copil, el primește aproximativ 15 de la mama sa, iar restul de la tatăl său. În același timp, numărul de noi mutații la un copil aproape că nu depinde de vârsta mamei, dar crește foarte repede odată cu vârsta tatălui. Fiecare an suplimentar al vieții tatălui adaugă copilului două mutații noi.

Acest lucru se explică prin faptul că la femei, de la concepție până la formarea unui ou matur, au loc doar 24 de diviziuni celulare și 23 de acte de replicare a cromozomilor (cromozomii nu se dublează înaintea celei de-a doua diviziuni meiozei). Replicarea cromozomilor liniei germane de sex feminin se termină chiar și în timpul dezvoltării fetale, iar în timpul vieții femeii cromozomii celulelor germinale nu mai se repetă. În consecință, numărul de mutații din ele aproape că nu crește, deoarece majoritatea mutațiilor din celulele de linie germinativă sunt erori de replicare.

La bărbați, situația este diferită. Celulele progenitoare ale spermatozoizilor sunt împărțite pe tot parcursul vieții adulte, fiind supuse unei diviziuni la fiecare 16 zile (23 diviziuni pe an) de la atingerea pubertății. Se crede că sperma unui bărbat în vârstă de 15 ani a trecut prin aproximativ 35 de diviziuni celulare, o vârstă de 20 de ani - 150 de ani, de 30 de ani - 380 de ani, de 40 de ani - 610 de ani, de vârstă de 50 de ani - 840. Fiecare act de replicare este un risc de mutații suplimentare, om, cu atat mai multe mutatii in sperma lui (JF Crow, 2000. Originile mutației spontane umane ). A. Kondrashov a vorbit în detaliu despre aceste fapte și studii într-un interviu publicat pe Elemente (Alexey Kondrashov, Nadezhda Markina. Viața fără selecție: bună sau periculoasă? ).

Și aici am reușit în cele din urmă să comparăm parametrii procesului mutațional al Homo sapiens și rudele noastre cele mai apropiate - cimpanzeii. Genetica din Marea Britanie și Olanda a secvențiat și a comparat genomul complet al nouă cimpanzeii din trei generații din aceeași familie (figura 2).

În ciuda eșantionului mic (astfel de studii rămân extrem de costisitoare și consumatoare de timp), datele obținute ne-au permis să estimăm aproximativ caracteristicile cantitative cheie ale mutagenezei la cimpanzeii.

Autorii au calculat mutații noi în șase indivizi, și anume acelea pentru care s-au cunoscut genomii parentale: D, E, F, G, H, I. În total au găsit 204 de noi mutații în autozomi și trei în cromozomul X. Dintre mutațiile găsite, o proporție semnificativă (24%) este formată din substituții C pentru tranzițiile T (C> T) în dinucleotidele CG (vezi Site-ul CpG ). La om, astfel de înlocuitori reprezintă 17% din mutațiile nou apărute.

Mutațiile care apar în mod repetat nu sunt destul de uniform distribuite pe genom: acestea tind să se clusterizeze. Cu alte cuvinte, dacă o mutație a apărut într-un loc în cursul replicării, probabilitatea ca altul să apară undeva în același act de replicare undeva în cartier crește. Au fost găsite modele similare la oameni, cauzele cărora nu au fost încă clarificate. În același timp, probabilitatea unei noi mutații nu depinde de "conținutul semantic" al acestui segment ADN, fie că este vorba de o secvență unică sau repetată, de o gena sau de un decalaj intergenic.

Pentru majoritatea mutațiilor identificate, autorii au putut determina (prin setul de polimorfisme din vecinătatea mutației) dacă a fost obținut de la tată sau de la mamă. Sa dovedit că la cimpanzeu, ca și la om, părinții, în comparație cu mamele, transferă genomul copiilor lor, care sunt mult mai puternici decât mutațiile. Au fost de 5,5 ori mai multe mutații paterne decât mutațiile materne (de 3,9 ori la om).

La fel ca la om, numărul de noi mutații la cimpanzeii nu depinde de vârsta mamei (mama, la orice vârstă, transmite un vițel în medie cu 6,7 noi mutații), dar în același timp crește rapid odată cu vârsta tatălui. Această dependență, chiar și într-o astfel de probă mică, a fost statistic semnificativă. La om, fiecare an suplimentar al vieții tatălui, începând cu pubertatea, adaugă o medie de 1,95 noi mutații la descendenți, iar la cimpanzeii se adaugă 3,02. Diferența se datorează probabil structurii relației de căsătorie. În comunitățile de cimpanzeu, femelele nu au de obicei loialitate față de un bărbat, ceea ce contribuie la "războaiele spermatozoizilor" și selecția pentru spermatogeneză mai intensă (vezi figura 1).

Dacă această ipoteză este corectă, ar trebui să se aștepte ca gorilele cu sistemul harem, fidelitatea feminină, lipsa războaielor spermatozoizilor și testicule mici să crească numărul mutațiilor din celulele spermatozoizilor cu vârsta bărbatului decât în ​​cimpanzeii și în oameni.

Pentru a evalua rata medie de mutageneză la cimpanzeii, autorii au trebuit să ia în considerare diferența importantă dintre grupul studiat de cimpanzeii care trăiesc în captivitate și rudele sălbatice. În captivitate, cimpanzeii încep de obicei să se reproducă la o vârstă mai înaintată decât în ​​natură. Acest lucru pare să fie legat de relații ierarhice și competitive în comunitățile naturale de cimpanzeu, unde adolescenții sunt rar admise să participe la reproducere. Oricum, în familia cimpanzei studiate, media "vârstei de paternitate" (adică vârsta medie a bărbaților la momentul conceperii tinerilor) este de 18,9 ani, iar media "vârstei maternității" este de 15,0 ani. Pentru populațiile de cimpanzei sălbatici, se estimează că aceste numere sunt mult mai mari: 24,3 pentru bărbați și 26,3 pentru femei. În cazul persoanelor moderne, vârsta medie de paternitate este chiar mai mare: aproximativ 31,5 ani. Cu alte cuvinte, la cimpanzeii sălbatici, bărbații în momentul concepției de tineri sunt, în medie, mai în vârstă decât în ​​populația studiată, ceea ce înseamnă că puștii lor ar trebui să aibă mai multe mutații. Având în vedere acest lucru și o serie de alte corecții, autorii au calculat că numărul mediu de noi mutații autosomale la cimpanzeii sălbatici ar trebui să fie de aproximativ 69, iar rata de mutageneză ar trebui să fie de 1,2 × 10-8 pe nucleotidă pe generație (ca la om).

Dacă aceste estimări sunt corecte (amintiți-vă că acestea se bazează pe un eșantion foarte mic și pot fi rafinate semnificativ în viitor) și dacă rata mutagenezei nu a suferit fluctuații semnificative de la momentul divergenței strămoșilor cimpanzeilor și a oamenilor, apoi folosind metoda ceasurilor moleculare, puteți încerca încă o dată să evaluați durata de viață a ultimului strămoș comun al omului și al cimpanzeului. Autorii au făcut acest lucru și au obținut rezultatul: acum 13 milioane de ani. Alți autori au ajuns recent la estimări similare (K. Langergraber et al., 2012. Clopotele și gorilele ).

Dar rezultatul cel mai interesant al cercetării este o indicație a posibilității influenței structurii societății și a relațiilor de căsătorie asupra vitezei evoluției moleculare. Influența poate fi dublă: în primul rând, numărul de mutații ale puilor depinde de vârsta la care bărbații încep să participe la reproducere și care, la rândul lor, este determinată nu numai de fiziologie, ci și de structura socială și tradițiile culturale. În al doilea rând, "războaiele spermatozoizilor" caracteristice comunităților promiscuite contribuie la selectarea spermatogenezei pentru intensificare, ceea ce poate duce la o creștere accelerată a numărului de mutații din spermatozoizi cu vârsta bărbaților.

Sursa: Oliver Venn, Isaac Turner, Iain Mathieson, Natasja de Groot, Ronald Bontrop și Gil McVean. O părtinire puternică a bărbaților conduce mutația germline în cimpanzeii // Science . 2014. V. 344. P. 1272-1275.

Alexander Markov
„Elemente“