28. Мутации и миграции.

Самое важное свойство генов - их способность передаваться неизменными от поколения к поколению. Однако если бы генетический материал никогда не менялся, эволюция была бы невозможна. Исходя из этого, гены - носители генетической информации - должны обладать способностью к случайным изменениям. Такие изменения, действительно, происходят, и их называют мутациями. Этот термин был введен в 1901 г. Де Фризом для обозначения случайных и стабильных генетических отклонений, возникающих у растений. Мутации генов и хромосом - это ненаправленные, случайные изменения генетического материала, происходящие спонтанно или под влиянием различных физических, химических и биологических факторов.

Спонтанный мутагенез является единственным поставщиком новых вариантов генов в популяции и в силу этого важным источником наблюдающегося генетического разнообразия. Скорость, или частота матирования, измеряется долей гамет на поколение, в которых произошли мутационные изменения конкретного гена. Возникают мутации с очень низкой частотой. Примерная оценка скорости этого процесса составляет 1 на 10-5 на гамету за поколение.

Таким образом, мутационное давление оказывает крайне слабое влияние на изменение частот аллелей в популяциях. Тем не менее, важное эволюционное значение мутационного процесса состоит в создании разнообразия аллелей и появлении новых генов.

Различают следующие типы мутаций, часто обусловливающие формирование патологических состояний у человека, и особенно это касается двух первых типов:

1. Геномные мутации, приводящие к изменению числа хромосом, которые для человека ограничиваются случаями увеличения либо утраты отдельных хромосом (например, половые хромосомы и обусловленные ими синдромы Шерешевского- Тернера (моносомия по Х-хромосоме у женщин); Клайнфельтера (добавочная Х-хромосома у мужчин); а также аутосомы - синдром Дауна (трисомия по 21-й хромосоме); синдром Патау (трисомия - 13); синдром Эдвардса (трисомия - 18).

2. Хромосомные мутации, при которых нарушается структура хромосом, а их число в клетке остается неизменным. В эту группу входят синдромы с незначительными делецияями или дупликациями строго определенных участков хромосом. К их числу относят синдромы Лангера-Гидеона (8q23  q24), Прадера-Вилли и Ангельмана (15q11 - q12 в 15 хромосоме от отца или матери соответственно), Миллера-Дикера (17р-13), Ди Георге (22q-11), Беквита-Видемана (11р + 15), опухоль Вильмса, аниридия (11р - 13), ретинообластома (13q-14).

3. Генные мутации, которые могут быть обнаружены только путем тщательного генетического анализа родословных и не обязательно имеют отношение к видимым патологическим проявлениям, часто являясь вариантом нормального генетического полиморфизма. Тем не менее, эта мутационная изменчивость обусловливает формирование широчайшего круга болезней человека. Достаточно упомянуть обширный каталог болезней Маккьюсика, включающий свыше 4000 различных нозологических форм патологии, связанной с этим типом мутаций генома, и продолжающий постоянно расширяться.

Судьба единичной мутации была впервые аналитически продемонстрирована Р. Фишером в 1930 г. Он показал, что при постоянном размере популяции вероятность утраты мутантного гена уже в первом поколении равна 0,37, а предельная вероятность окончательной его потери с ростом числа поколений стремится к 1. Этот результат отмечается при нейтральности мутантного гена и отсутствии действия других факторов популяционной динамики. Таким образом, поскольку потеря вновь возникающих вариантов генов процесс необратимый, подавляющее большинство мутаций не имеет шансов закрепиться в популяции.

Предположим, что существует два аллеля одного локуса А1 и А2, И В результате мутации аллель А1 переходит к виду А2 С частотой и на одну гамету за одно поколение. На основании этих предположений можно заключить, что если в начальный момент времени частота А1 составляет Ро, то в следующем поколении с учетом мутаций она будет равна его исходной частоте за вычетом частоты матировавших аллелей:

Р1 = ро - иРо = Ро(1 - и).

Во втором поколении при неизменных темпе и виде мутирования частота аллеля

р2 = Р1 - ИР1 = Р1(1 - и).

Если частоту аллеля во втором поколении выразить через его исходное значение, то получим

р2 = Ро(1 - и)(1 - и) = Ро(1 - и)2

По прошествии длительного времени и смены большого числа поколений (~ частота аллеля А1 в популяции будет равна

р/ = Ро(1 - и) .

Поскольку величина 1 - и меньше 1, ясно, что с течением времени значение частоты аллеля будет уменьшаться и при неограниченно длительном периоде протекания подобного мутационного изменения частота аллеля А, стремится к нулю.

С учетом низкого темпа мутирования на уровне 10-5 скорость изменения частоты аллеля оказывается крайне невысокой. Например, для эукариот, чтобы изменить частоту аллеля с 0,10 до 0,09, потребуется 10000 поколений. И вообще, чем меньше исходная частота аллеля, тем больше времени потребуется для ее изменения под действием мутаций на какую-либо величину. Кроме того, следует также учитывать и то обстоятельство, что мутации генов часто бывают, обратимы, т. е. мутантный аллель А2 может в результате другой мутации вернуться к своему исходному состоянию - к форме А,. Тогда, если принять, что частота обратных (возвратных) мутаций равна v, а частоты исходного А, и мутантного А2 аллелей равны соответственно ра и qo, можно записать:

р, = ра - ИРа + vqo·

Если обозначить изменение частоты аллеля за одно поколение как t:.p = р, - ра , то, подставляя значение р" выраженное через Ра, получаем

t:.p = (Ра - ИРа + vqo) - ра = vqo - ИРа.

Таким образом, изменение частоты аллеля при совместном действии прямых и возвратных мутаций происходит крайне медленно и зависит от сопоставительной частоты этих событий.

В том случае, когда изменение частоты аллеля под действием прямых и обратных мутаций равно нулю (t:.p) , т. е. наступает равновесие между этими процессами, можно записать:

vq = ир, или ир = v(1 - р), из чего следует, что

р= v/(и+ v), или q= и/(и+ v).

Предположим, что частоты прямой и обратной мутаций равны соответственно И = 10-5 И V = 10--6, тогда равновесные частоты составят:

р = 10--6/(10-5 + 10--6) = 0,09,

q = 10-5/(10-5 + 10--6) = 0,91.

Необходимо иметь в виду, что истинные обратные мутации, возвращающие структуру гена к его исходному состоянию, составляют лишь малую часть от общего числа мутационных событий. Абсолютное большинство реверсий обусловлено мутациями других генов, оказывающих супрессорный эффект на измененный ген.

Следует отметить еще два обстоятельства. Во-первых, нередко частоты аллелей находятся в неравновесном состоянии, потому что на них, помимо мутаций, действуют и другие факторы популяционной динамики, например, естественный отбор, который может благоприятствовать одному аллелю в ущерб другого. Во-вторых, при наличии и прямых, и обратных мутаций изменение частот аллелей происходит еще более медленно, чем только при прямом мутировании.

Таким образом, можно с уверенностью говорить о том, что мутационный процесс крайне медленный и сам по себе изменяет генетическую структуру популяции с очень малой скоростью. Если бы мутации были единственным фактором популяционной динамики, то эволюция протекала бы очень медленно.

3.2. Миграции

Миграцией, или потоком генов, называется процесс, когда особи из одной популяции перемещаются в другую и скрещиваются с ее представителями, оставляя потомство. Поток генов сам по себе не приводит к изменению частот аллелей в целом у вида, но в локальной популяции, если частоты аллелей у мигрантов и старожилов различны, происходят их смешение и изменение генных частот.

Рассмотрим локальную популяцию, в которую с определенной частотой мигрируют особи из другой популяции. Предположим, что в популяции доля пришельцев (мигрантов) равна т. В следующем поколении потомство получает долю генов, равную (1 - т), от старожилов, а от пришельцев - т. Пусть в популяциях, из которых происходит миграция, средняя частота аллеля А1 составляет Р, а в принимающей мигрантов локальной популяции она равна Ро. Тогда в следующем поколении частоту аллеля А1 с учетом миграции можно выразить так:

Р1 = (1 - т)Ро + тР= ро - т(ро - Р).

Таким образом, новая частота аллеля А1 в первом поколении составит исходную ее частоту в популяции за вычетом произведения доли мигрантов на разность частот алллеля у старожилов и мигрантов.

Изменение частоты аллеля за одно поколение будет равно

I1р = Р1 - Ро·

Если в этом уравнении значение для Р1 выразить через Ро, как это было представлено выше, то получаем:

I1р = ро - т(Ро - Р) - ро = -т(Ро - Р).

Из последнего уравнения следует, что чем больше доля пришельцев в популяции и чем значительней у них и старожилов различия в частотах аллеля, тем выше скорость изменения. Изменение частоты аллеля становится равным нулю, либо когда имеет место нулевое давление мигрантов, либо когда значения частоты аллеля у эмигрантов и старожилов равны. Следовательно, если миграция не прекращается, частота аллеля изменяется до тех пор, пока она не станет равной у мигрантов и в принимающей популяции.

Рассмотрим, как при миграции происходит изменение частоты аллеля во времени. Для первого поколения эта величина будет равна

Р1 - Р = ро - т(Ро - Р) - Р = ро - тРо + тР - Р = = (1 - т)Ро - (1 - т)Р= (1 - т)(Ро - Р).

Для второго поколения она составит P2-Р=(1-т)2(Ро-Р).

После поколений различия в частотах аллеля будут равны

рг Р= (1 - т)t(Po - Р).

Можно преобразовать уравнение, чтобы получить оценку частоты аллеля по прошествии многих (t) поколений миграции:

Pt= (1 - т)t(Po- Р) + Р.

Эта формула позволяет рассчитать частоту аллеля в локальной популяции при постоянной скорости миграции (т), а также если известны начальная и конечная частоты аллеля (Ро и Р). Кроме того, она позволяет оценить интенсивность миграции (потока генов) т, если мы располагаем (дополнительно к отмеченной выше) информацией о продолжительности процесса миграции.

Обозначенный алгоритм можно проиллюстрировать на примере негроидов Америки. В США потомство смешанных браков между белыми и неграми принято относить к негритянскому населению. Следовательно, смешанные браки можно рассматривать как поток генов от европеоидов к негроидам. У белого населения США частота аллеля, контролирующего наличие резус-фактора (R+), равна Р = 0,028. В африканских популяциях, от которых происходит негритянское население Америки, она составляет ор = 0,630. Предки современных негров были вывезены из Африки в США примерно ЗОО лет назад, что соответствует периоду около 10 поколений, т. е. t = 10. У современных негроидов Америки частота резус-положительной группы крови Р, = 0,446. Приведенные выше уравнения можно представить в виде

(1 - т)t = (Рг Р) / (Ро - Р).

Подставляя указанные ранее значения соответствующих величин, получаем

(1 - т) 10 = (0,446 - 0,028) / (0,630 - 0,028) = 0,694;

1 - т = "./0,694 = 0,964;

т= 0,036.

Таким образом, поток генов от белого населения США к негритянскому шел со средней интенсивностью З,6 % за одно поколение. В результате сейчас, через 10 поколений, доля генов африканских предков современных американских негров составляет 0,694, а около ЗО % генов американские негры унаследовали от белого населения, что свидетельствует о значительном потоке генов между белым и негритянским населением Америки.