24.02.2015

Вредные мутации располагаются в редко рекомбинирующих участках хромосом

Канадские исследователи изучили распределение вредных мутаций по хромосомам человека и обнаружили, что с наибольшей вероятностью вредные мутации можно встретить в тех областях хромосом, которые редко рекомбинируют. Однако этот эффект был менее выраженным у популяций большего размера. Получается, что чем больше эффективный размер популяции (количество людей, участвующих в размножении), тем меньше задерживаются в геноме вредные мутации.

Половое размножение — это не единственный способ создавать новые комбинации генов. Бактерия, к примеру, может передать другой бактерии один или несколько собственных генов в составе небольшой молекулы ДНК — плазмиды. Также гены могут передаваться через вирусы, если при сборке вирусных частиц в их капсид по ошибке попадет ДНК клетки хозяина. Наконец, благодаря достижениям биоинженерии человек может добавлять к геномам самых разных организмов те гены, которые посчитает нужными. Однако у полового размножения есть одна важная особенность — это рекомбинация, то есть обмен участками гомологичных хромосом, в результате чего получаются не только новые комбинации генов, но и гены-гибриды, в которых часть будет происходить из одной хромосомы, а часть — из другой (рис. 1).

В соматических клетках организмов, размножающихся половым путем, все хромосомы представлены парами. Хромосомы пары не совсем одинаковы — они содержат одни и те же гены, но некоторые из них могут быть представлены разными вариантами — аллелями. Кроме того, хромосомы пары могут отличаться случайными мутациями, которые неизбежно возникают с определенной частотой. В процессе формирования половых клеток в каждую из них должна попасть лишь одна хромосома каждой пары, чтобы при слиянии с половой клеткой партнера эмбрион получил нормальный набор хромосом, а не удвоенный. Но прежде чем разойтись по разным половым клеткам, хромосомы пары обмениваются некоторыми участками — этот обмен происходит на стадии мейоза. У мужчин мейоз начинает идти после полового созревания и может продолжаться до самой смерти, при этом мейоз одной клетки — предшественника сперматозоида идет приблизительно 70 суток. У женщин мейоз половых клеток начинается во время внутриутробного развития, а завершается только после оплодотворения — то есть мейоз женской половой клетки может длиться до 50 лет. За это время формируются половые клетки, которые обладают уменьшенным в два раза количеством хромосом, а также хромосомы половых клеток становятся отличными от родительских.

Рекомбинация в процессе образования половых клеток создает базу для большей изменчивости и помогает быстрее отсеивать неудачные генетические варианты. Так, если особи досталась хромосома с вредной мутацией, ей будет сложнее жить, она оставит меньше потомства или не оставит его вовсе, в результате чего хромосома с вредной мутацией станет менее распространенной в популяции. Но представим, что на той же хромосоме с вредной мутацией есть и полезные мутации, которые, наоборот, дают особи преимущества и компенсируют вред от вредной мутации. Из-за этого вредная мутация не будет отбраковываться отбором или будет отбраковываться медленнее, чем должна. Однако благодаря рекомбинации части хромосомы не связаны друг с другом навечно, и рано или поздно у вредной мутации не окажется полезных соседей по хромосоме и она будет отсеяна отбором. Это одна из причин, по которой рекомбинация так важна.

Другая причина — рекомбинация дает возможность получить «хорошую хромосому» (хромосому без вредных мутаций) из двух «плохих». К примеру, если в обеих хромосомах пары есть вредные мутации в разных участках, то в результате рекомбинации одна из них может избавиться от своей мутации, а вторая получит обе. При этом, конечно, вторая хромосома станет совсем вредной, зато первая хромосома вернется к норме. А если возможности рекомбинировать нет, то хромосома никогда не избавится от мутации, которая в ней возникла.

Так, Y-хромосома мужчин, пару которой составляет слишком непохожая на нее Х-хромосома, не может рекомбинировать с Х-хромосомой, из-за чего в Y-хромосомах постоянно копятся мутации, которые уже сделали неработоспособными многие ее гены, и со временем ситуация может стать еще хуже. Для сравнения: в X-хромосоме 1400 генов, а в Y-хромосоме — меньше 100, а ведь эти хромосомы когда-то произошли от одного предшественника. Из-за того что Y-хромосоме некуда сбросить неблагоприятную мутацию, у нее нет возможности «повернуть назад», восстановив предыдущий вариант хромосомы за счет рекомбинации. Если по случайности погибнут особи с «хорошими» Y-хромосомами, «хорошие» хромосомы уже нельзя будет восстановить из фрагментов плохих. Такое необратимое ухудшение генов в отсутствие рекомбинации называется «храповиком Мёллера».

Относительно недавно выяснилось, что рекомбинация происходит в разных частях хромосом с разной частотой (S. Myers et al., 2005. A fine-scale map of recombination rates and hotspots across the human genome). Установлено это было благодаря анализу распределений однонуклеотидных полиморфизмов — единичных замен нуклеотидов ДНК, характерных для разных людей. Если нанести множество полиморфизмов на карту генома, можно обнаружить, что где-то они «тасуются» чаще, а где-то — реже. Кроме того, частоту рекомбинации для разных участков ДНК можно измерить напрямую — сравнив геномы большого количества родителей и их детей. Если в хромосоме ребенка идет сначала часть одной хромосомы родителя, а потом часть его другой хромосомы — значит, между этими участками произошла рекомбинация. Множество таких событий отмечают на карте генома и видят, в каких участках хромосом рекомбинация происходит чаще, а в каких — реже.

Средняя частота рекомбинации между единичными полиморфизмами — где-то один случай на 2300 мейозов. Для «горячих точек», в которых рекомбинация происходит чаще всего, частота достигает одного случая на 80 мейозов. Существование «горячих» и «холодных» областей рекомбинации объясняется разными причинами. Во-первых, рекомбинация не идет на концах хромосом и в области центромер (перетяжек, которыми связываются две цепочки ДНК хромосомы после ее удвоения). ДНК в этих областях плотно свернута, поэтому белки, которые помогают хромосомам рекомбинировать, не имеют достаточного простора для действий. Эти белки предпочитают наиболее свободные участки ДНК, где встречается меньше белков-конкурентов и где к ДНК легче всего подойти. Кроме того, белки — помощники рекомбинации не равнодушны к последовательностям ДНК, и некоторые последовательности нуклеотидов для них более привлекательны, чем другие. Всё это создает неравномерную картину распределения участков рекомбинации по хромосомам: где-то обмены происходят достоверно чаще, а где-то — реже.

Учитывая, что участки хромосом рекомбинируют с разной частотой, ученые из Госпиталя Сен-Жюстин при Монреальском университете (канадский Квебек) предположили, что вредные мутации должны концентрироваться там, где рекомбинация происходит реже и где отбор их долгое время «не достает». Для этого ученые отсеквенировали РНК 1400 человек и расположили все найденные мутации на картах хромосом. Для каждой мутации они узнали, меняет ли она аминокислоту в белке (потому что не все замены нуклеотидов приводят к замене аминокислоты в соответствующем белке), может ли мутация повлиять на функционирование белка и значится ли она в базе данных мутаций, влияющих на здоровье. Оказалось, что мутации, которые приводят к замене аминокислот, чаще располагаются в регионах, которые редко рекомбинировали. Те из них, которые причиняют вред здоровью, также чаще располагаются в реже рекомбинирующих регионах, причем чем реже происходила рекомбинация в участке хромосомы, тем с большей вероятностью там можно было встретить вредную мутацию (рис. 2).

Однако с увеличением эффективного размера популяции, к которой принадлежали люди, эффект накопления вредных мутаций в медленно рекомбинирующих областях хромосом становился менее выраженным. Эффективный размер популяции — это параметр, который отражает число размножающихся особей; он вычисляется из данных о генетической вариабельности и представляет размер пула генов, которым располагает популяция. Эффективный размер популяции выше для африканцев, чем для европейцев и американцев, потому что, как мы сейчас знаем, все население Земли произошло из Африки и в процессе расселения по другим территориям неоднократно претерпевало на себе эффект «бутылочного горлышка». Поэтому, по сравнению с Африкой, население прочих частей Земли произошло от меньшего числа людей и его генофонд более бедный. Благодаря половому размножению, в котором участвовало больше людей, в африканской популяции рекомбинировал более разнообразный набор хромосом. В Африке намного реже встречались партнеры с одними и теми же неблагоприятными мутациями, и такие мутации отсеивались быстрее, в том числе и из реже рекомбинирующих областей хромосом.

Так что, с одной стороны, результаты исследований дают повод для оптимизма, поскольку население Земли растет и в размножении принимает участие всё большее число людей. Можно было бы ожидать, что, благодаря половому размножению, со временем вредные мутации будут лучше отбраковываться из генома. С другой стороны, население развитых стран стареет и рождаемость в них падает, так что трудно с уверенностью сказать, станем ли мы в будущем здоровее. Как бы то ни было, результаты исследования полезны для ученых, которые ищут мутации в ДНК, приводящие к болезням: теперь стало понятно, что такие мутации с большей вероятностью располагаются в редко рекомбинирующих участках хромосом, так что их поиск должен ускориться.

Источник: J. G. Hussin et al. Recombination affects accumulation of damaging and disease-associated mutations in human populations // Nature Genetics. Published online 16 February 2015. Doi:10.1038/ng.3216.

Юлия Кондратенко

Источники:

1. elementy.ru