A csimpánzokban, mint az emberekben, az utódokban a mutációk száma függ az apa korától // Alexander Markov Scisne?

Ábra. 1. Egy személy közeli hozzátartozói - csimpánzok és bonobók ( a képen ) - a nők gyakran egymás után több férfival párosulnak. Ez a férfiak között a spermiumok szintjén való versenyhez vezet („sperma háborúk”), amely viszont hozzájárul a herék kiválasztásához és a spermatogenezis fokozásához. Talán ez az oka annak, hogy a csimpánzokban a sperma sejtekben a mutációk száma a férfiak korával másfélszer gyorsabban nő, mint az embereknél. Képek a kevishere.files.wordpress.com webhelyről

Az ugyanazon család három generációját képviselő kilenc csimpánz genomjának elemzése azt mutatta, hogy a legközelebbi emberi rokonok átlagos mutációs sebessége megközelítőleg azonos a miénkkel: körülbelül 1,2 × 10–8 per nukleotid / generáció, ami körülbelül 70 új mutációnak felel meg mindegyikben cub. Az emberekhez hasonlóan, az utódokban az új mutációk száma nem függ az anya életkorától, hanem erősen függ az apa korától a fogantatás idején: az apa által élt minden további év átlagosan három mutáció (emberben - kettő). Ez a különbség leginkább a csimpánzok spermájának intenzívebb termeléséből adódik, amelyben a nőstények egy sorban sok férfival párosulnak, ami "sperma háborúkhoz" vezet.

A mutagenezis sebessége az evolúciós változások dinamikáját meghatározó egyik legfontosabb indikátor. Egészen a közelmúltig ezt az értéket közvetett jelek alapján számították ki, például összehasonlították a csoportok megjelenési idejét, a paleontológiai adatok alapján becsült genomok közötti különbséggel (lásd Molekuláris óra ). Az utóbbi években a genomok szekvenálására alkalmas új, új módszerek kifejlesztésének köszönhetően (lásd:. \ T DNS szekvenálás: A következő generációs módszerek ) lehetővé vált a mutagenezis sebességének közvetlen mérése a szülők és leszármazottaik genomjainak összehasonlításával.

Ezt a technológiát már alkalmazzák az emberre. Így 2012-ben a Nature folyóirat 78 izlandi család - „apa, anya és gyermek” - teljes genomelemzésének eredményeit tette közzé (A. Kong et al., 2012. A betegség kockázatának mértéke ). A vizsgálat kimutatta, hogy a mutagenezis sebessége körülbelül 1,2 × 10–8 per nukleotid / generáció. A teljes genom szempontjából ez azt jelenti, hogy minden gyermek átlagosan 74 új mutációt kap a szülőktől.

Ezek a számok váratlanok voltak, mivel a filogenetikai rekonstrukciókon és a paleontológiai adatokon alapuló közvetett becslések a humán mutagenezis kétszer magasabb arányát jelezték. Nyilvánvalóan az ellentmondás oka az, hogy a nagy majmokban a többi főemlős elválasztása után jelentősen csökkent a mutáció sebessége (egy évre). A csökkenés összefüggésbe hozható a szaporodás korának növekedésével és a csírasejtek kialakulásának lassulásával. Ha az új adatok helyesek (és egyre nehezebb lesz kétségbe vonni ezt az új kiadványok elérhetővé válása esetén), akkor az antropogenezis kulcspontjainak sok adatát meg kell vizsgálni az öregedés felé. Például az emberi és csimpánzok közötti eltérések, amelyek a korábbi becslések szerint 6–7 millió évvel ezelőtt előfordultak, 10–13 millió évvel ezelőtt visszavezethetők a múltba. Igaz, sok finomság létezik, amelyek közül az egyik az, hogy a "molekuláris óra" által meghatározott, a objektív okok miatt meghatározott, a genom divergencia ideje a múltban mélyebb lehet, mint a valódi spekuláció ideje (a populációk elkülönítése). Erről bővebben lásd: A. Scally, R. Durbin, 2012. Az emberi fejlődés sebességének felülvizsgálata (PDF, 812 Kb).

Az emberi családok teljes genom-elemzése során elért másik fontos eredmény az, hogy az apa és az anya egyenlőtlenül járul hozzá a gyermek által a szülőktől kapott teljes „mutációs terhekhez”. A gyermek által beérkezett új mutációk teljes számából körülbelül 15-öt kap az anyjától, a többi pedig az apjától. Ugyanakkor az új mutációk száma a gyermekben szinte nem függ az anya életkorától, de nagyon gyorsan nő az apa korával. Az apa életének minden további éve körülbelül két új mutációt ad a gyermeknek.

Ez azzal magyarázható, hogy a nőkben az érett tojás kialakulásától a kialakulásig csak 24 sejtmegosztást és 23 kromoszóma replikációs cselekményt hajtanak végre (a kromoszómák nem duplázódnak a második meiózis felosztás előtt). A női csíravonal kromoszómáinak replikációja a magzati fejlődés során is véget ér, és egy nő életében a csírasejtjeinek kromoszómái már nem replikálódnak. Ennek megfelelően a mutációk száma szinte nem nő, mivel a csíravonal sejtekben mutációk többsége replikációs hibák.

A férfiak esetében a helyzet más. A spermiumok progenitor sejtjei a felnőttek élete során oszlanak meg, 16 naponta egy részre osztva (évente 23 osztás) a pubertás óta. Úgy vélik, hogy egy 15 éves férfi sperma körülbelül 35 sejtegységen, egy 20 éves - 150, egy 30 éves - 380, 40 éves - 610, 50 éves - 840-en ment keresztül. Minden replikációs cselekmény további mutációk kockázatát jelentheti, ezért az idősebb ember, annál több mutáció a spermájában (JF Crow, 2000. Az emberi spontán mutáció eredete ). Kondrashov A. beszélt ezekről a tényekről és tanulmányokról az Elements-en közzétett interjúban (Alexey Kondrashov, Nadezhda Markina. Élet választás nélkül: jó vagy veszély? ).

És itt végül lehetőségünk volt összehasonlítani a Homo sapiens és a legközelebbi rokonok - csimpánzok - mutációs folyamatának paramétereit. Az Egyesült Királyságból és Hollandiából származó genetika szekvenálta és hasonlította össze az azonos család három generációjából kilenc csimpánz teljes genomját (2. ábra).

A kis minta ellenére (ilyen vizsgálatok még mindig rendkívül költségesek és időigényesek), a kapott adatok lehetővé tették számunkra, hogy becsüljük meg a csimpánzokban a mutagenezis kulcsfontosságú mennyiségi jellemzőit.

A szerzők új mutációkat számoltak ki hat személyben, nevezetesen azokban, amelyeknél a szülői genomok ismertek: D, E, F, G, H, I. Összesen 204 új mutációt találtak az autoszómákban és három az X-kromoszómában. A talált mutációk közül a CG-dinukleotidokban a T (C> T-átmenetek) C-szubsztitúciói jelentős részét (24%) tartalmazzák (lásd CpG oldal ). Emberekben az ilyen helyettesítések az újonnan keletkező mutációk 17% -át teszik ki.

Az újonnan előforduló mutációk nem teljesen egyenletesen oszlanak el a genomban: hajlamosak klaszterizálni. Más szavakkal, ha a replikáció során egy lokuszban mutáció keletkezik, akkor az a valószínűség, hogy valahol ugyanabban a replikációs akcióban előfordul egy másik, a szomszédságban növekszik. Hasonló mintákat találtak az emberekben, amelyek okai még tisztázatlanok. Ugyanakkor az új mutáció valószínűsége nem függ ezen DNS-szegmens „szemantikai tartalmától”, függetlenül attól, hogy egyedülálló vagy ismétlődő szekvencia, gén vagy intergenikus rés.

A legtöbb azonosított mutáció esetében a szerzők képesek voltak meghatározni (a mutáció környékén lévő polimorfizmusok halmazával), hogy az apától vagy az anyától szerezték-e meg. Kiderült, hogy csimpánzokban, mint az emberekben, az apák az anyákhoz viszonyítva átadják a gyermekeiknek a genomokat, amelyek sokkal erősebbek, mint a mutációk. Az anyai mutációknál 5,5-szeres volt az apai mutációk (emberben 3,9-szeres).

Az emberekhez hasonlóan a csimpánzokban az új mutációk száma nem függ az anya életkorától (az anya minden korban átlagban 6,7 új mutációt közvetít), de ugyanakkor gyorsan nő az apa korával. Ez a függőség még egy ilyen kis mintában is statisztikailag szignifikáns volt. Embereknél az apa életének minden további éve, a pubertás kezdetétől, átlagosan 1,95 új mutációt ad a leszármazottaknak, és a csimpánzokban 3,02. A különbség valószínűleg a házassági kapcsolat felépítésének köszönhető. A csimpánz közösségekben a nőknek általában nincs hűségük egy férfival szemben, amely hozzájárul a "sperma háborúkhoz" és az intenzívebb spermatogenezis kiválasztásához (lásd az 1. ábrát).

Ha ez a feltételezés helyes, akkor azt kell várni, hogy a gorilláknak a háremrendszerükkel, a női hűségükkel, a sperma háborúik és a kis herék hiányával növelniük kell a spermasejtekben a férfiak korában mutációk számát, mint a csimpánzokban és az emberekben.

A csimpánzok mutagenezisének átlagos mértékének megállapításához a szerzőknek figyelembe kellett venniük a fogságban élő csimpánzok és a vadon élő rokonok közötti jelentős különbséget. Fogságban a csimpánzok általában korai életkorban kezdik a fajta tenyésztését, mint a természetben. Úgy tűnik, hogy ez a természetes csimpánz közösségek hierarchikus, versenyképes viszonyaihoz kapcsolódik, ahol a tizenévesek ritkán vehetnek részt a tenyésztésben. Mindenesetre a vizsgált csimpánzcsaládban az átlagos "apasági kor" (azaz a férfiak átlagéletkora a fiatalok felfogásának pillanatában) 18,9 év, az átlagos "anyasági kor" 15,0 év. A vad csimpánzok esetében a becslések szerint ezek a számok sokkal magasabbak: 24,3 férfiaknál és 26,3 a nőknél. A modern emberekben az apaság átlagos életkora még magasabb: körülbelül 31,5 év. Más szóval, a vad csimpánzoknál a férfiak a fiatalok felfogásának pillanatában átlagosan idősebbek, mint a vizsgált populációban, ami azt jelenti, hogy utódaiknak több mutációjuk van. Ezt és számos más korrekciót figyelembe véve a szerzők kiszámították, hogy a vad csimpánzokban az új autoszomális mutációk átlagos száma körülbelül 69, és a mutagenezis sebessége 1,2 x 10–8 per nukleotid / generáció (mint az emberek esetében).

Ha ezek a becslések helyesek (emlékezzünk arra, hogy nagyon kis mintán alapulnak, és a jövőben jelentősen finomíthatók), és ha a mutagenesis sebessége nem változott jelentősen a csimpánzok és az emberek őseinek eltérése óta, akkor a molekuláris órák módszerével újra megpróbálhatja értékelni az ember és a csimpánz utolsó közös ősének élete. A szerzők ezt tették és az eredményt 13 millió évvel ezelőtt kapták. Más szerzők a közelmúltban hasonló becslésekre jutottak (K. Langergraber et al., 2012. Chimes és gorillák ).

A kutatás legkiemelkedőbb eredménye azonban a társadalom szerkezetének és a házassági kapcsolatoknak a molekuláris evolúció sebességére gyakorolt ​​hatásának lehetősége. A hatás kettős lehet: először is, az utódokban a mutációk száma attól függ, hogy a férfiak milyen korban vesznek részt a tenyésztésben, és amelyet nemcsak fiziológia, hanem társadalmi struktúra és kulturális hagyományok is meghatároznak. Másodszor, a „spermium háborúk”, amelyek jellemzőek a pusztító közösségekre, hozzájárulnak a spermatogenezis kiválasztásához az intenzifikációhoz, ami a spermiumok számának gyorsulásához vezethet a hím korában.

Forrás: Oliver Venn, Isaac Turner, Iain Mathieson, Natasja de Groot, Ronald Bontrop és Gil McVean. Az erős férfi előrehaladás a csíravonal-mutációt csimpánzokban hajtja végre // Tudomány . 2014. V. 344. P. 1272–1275.

Alexander Markov
"Elements"