shvarz | Мутации vs размер генома (№2)

Месяца три назад

eugene_koonin подкинул мне ссылку вот на эту статью. Я ее распечатал и сложил в стопочку и вот, наконец, руки дошли почитать. Не скажу, что я все в ней до конца понял, но теория предлагается интересная.

Начать надо с приведенного в прошлый раз графика:

На нем отложена зависимость между частотой мутации (на один нуклеотид) и размером генома. Видно, что чем больше геном микроба, тем ниже для него частота мутаций. Поэтому в итоге, если перемножить эти две величины, оказывается, что количество мутаций на геном на поколение примерно одинаково для всех микроорганизмов. Факт достаточно удивительный и общепринятого объяснения ему до сих пор нет. Наиболее часто встречается следующее объяснение: существует некая оптимальная частота мутаций на геном. Если частота мутаций оказывается существенно выше, чем этот идеал, то мутаций оказывается слишком много и они разрушают хорошо-приспособленный генотип. Если их частота оказывается существенно ниже, то в популяции образуется недостаточно разнообразия для адаптации к новым условиям.

Линч начинает с того, что продолжает этот график в район более длинных геномов. Там, оказывается, он начинает загибаться вверх! (но обратите внимание на отличия в шкале - эффект существенно слабее) То есть частота мутаций на геном, постоянная в микроорганизмах, увеличивается для многоклеточных организмов.

Почему это происходит?

Для того, чтобы объяснить теорию Линча о том, почему это так, нужно сначала рассказать о влиянии генетического дрейфа на естественный отбор. Генетический дрейф - случайные изменения в частоте генотипов, связанные с тем, что размер реальной популяции всегда конечен, а значит отбор гамет для следующего поколения (который происходит под действием отбора) подвержен стохастическим колебаниям. Благодаря дрейфу нейтральные мутации могут менять свою частоту в популяции, хотя и не влияют на приспособленность особи. Более того, благодаря дрейфу положительная мутация может исчезнуть из популяции, а отрицательная - закрепиться. Дрейф в популяции тем сильнее, чем меньше ее размер. Сила дрейфа проявляется в том, насколько сильные отклонения он может вызвать от идеальной ситуации, в которой действует лишь отбор. Представьте себе что для некоторой популяции существует идеальный генотип. Под действием отбора все особи постепенно должны приобрести этот генотип, а любые мутанты должны сразу отсеиваться. Однако действие дрейфа приводит к тому, что иногда неидеальная мутация фиксируется в популяции. Чем сильнее дрейф, тем дальше обычно оказывается популяция от идеала.

Линч в своей статье предполагает, что частота мутаций на геном в многклеточных растет не потому, что в этом есть некоторое преимущество для организмов, а потому что их популяции слишком малы для того, чтобы естественный отбор мог эту частоту мутаций оптимизировать. Генетический дрейф де-оптимизирует аккуратность репликации и не позволяет естественному отбору ее оптимизировать. В подтверждение он приводит следующий график:

По оси X тут отложен эффективный размер популяции (это довольно эзотерический параметр из популяционной генетики, но по большому счету и в данном контексте он является мерой размера популяции). По оси Y - частота мутаций. Чем больше размер популяции, тем меньше в ней генетического дрейфа и поэтому, согласно Линчу, тем ниже частота мутаций.

Линч утверждает, что зависимость на этом графике - причинно-следственная, а на графике выше (где частота мутаций коррелирует с размером генома) - нет. Почему же тогда меняется размер генома? От чего он зависит? Тут действуют два фактора. Во-первых, увеличение размера генома связано с увеличением частоты мутаций. Мутации, увеличивающие размер генома (дупликации), с гораздо меньшей вероятностью вредят организму, чем мутации, при которых часть генома теряется (делеции). Поэтому с увеличением частоты мутаций геном начинает непроизвольно расти. То есть причинно-следственная цепочка тут следующая: малый размер популяции > увеличение генетического дрейфа > нарушение аккуратности репликации генома (увеличение частоты мутаций) > увеличение размера генома. Во-вторых, размер генома тоже является характеристикой, подверженной естественному отбору, который стремится уменьшить этот размер (дабы не нести лишний груз). Поэтому увеличенный генетический дрейф может и напрямую ослаблять действие отбора по этому признаку. Тут причинно-следственная цепочка такая: малый размер популяции > увеличение генетического дрейфа > увеличение размера генома.

Если Линч прав, то это объясняет причину "раздутости" наших геномов, в которых полным-полно мусора.