Мутации вредные полезные нейтральные и вредные
Полезные мутации: мутации, которые приводят к повышенной устойчивости организма (устойчивость тараканов к ядохимикатам). Вредные мутации: глухота, дальтонизм. Нейтральные мутации: мутации никак не отражаются на жизнеспособности организма (цвет глаз, группа крови).
Мутация (mutation): аллель , встречающийся в популяции с частотой, равной или меньше 1%.
Причиной изменчивости организмов является не только комбинационная изменчивость , но и мутации. Это такие изменения генома, которые состоят либо в появлении новых аллелей (их называют генными мутациями ), либо в перестройке хромосом, например, в переносе кусочка одной хромосомы на другую (тогда их называют хромосомными мутациями ), либо в изменениях генома ( геномные мутации ). Пример геномной мутации — изменение числа хромосом в клетке. Отдельные мутации возникают редко. Например, генные мутации возникают примерно в одном гене из сотен тысяч или даже миллиона. Однако поскольку генов может быть достаточно много, мутации вносят заметный вклад в изменчивость. О мутациях рассказывалось выше и в связи с ДНК, и в связи с работами Моргана . У Моргана признаком мутации являлось какое-то морфологическое отличие дрозофилы, которое наследуется. Оно показывало, что в генетическом материале мутанта есть отличие от генома мух дикого типа. Откуда оно берется, вопрос сначала не ставился. Мутации — это случайно возникшие стойкие изменения генотипа, затрагивающие целые хромосомы, их части или отдельные гены. Мутации могут быть крупными, хорошо заметными, например отсутствие пигмента (альбинизм), отсутствие оперения у кур ( рис. 11 ), коротконогость и др. Однако чаще всего мутационные изменения — это мелкие, едва заметные уклонения от нормы.
Кроме классификации мутаций по способу возникновения, их классифицируют и по другим признакам.
1). Прямые мутации — это мутации, вызывающие отклонение от дикого типа. Обратные мутации — это возвращение к дикому типу.
2). Если мутации возникают в половых клетках, их называют генеративными мутациями (от лат. генератио — рождение), а если в других клетках организма — соматическими мутациями (от греч. сома — тело). Соматические мутации могут передаваться потомству при вегетативном размножении.
3). По результатам мутации делят на полезные, нейтральные н вредные (в том числе стерильные, полулетальные и летальные). Полулетальные мутации — это вредные мутации, сильно снижающие жизнеспособность, но не гибельные, а летальные — приводящие к гибели организма на той или иной стадии развития. Стерильные мутации — это те, которые не влияют на жизнеспособность организма, но резко (часто до нуля) снижают его плодовитость. Нейтральные мутации — это мутации, которые не меняют жизнеспособность организма.
Обычно ДНК точно копируется при процессе репликации и сохраняется неизменной между двумя последовательными репликациями. Но изредка происходят ошибки и последовательность ДНК меняется — эти ошибки называются мутациями.Мутация это устойчивое наследуемое изменение ДНК, независимо от его функциональной значимости. Это определение подразумевает изменение в первичной нуклеотидной последовательности, а изменения иного рода, например метилирование , обычно относят к эпигенетическим событиям .
Мутации в соматических клетках , возможно, вызывают процессы старения , рак и другие, менее существенные изменения в организме.
Мутации в половых клетках родителей наследуются детьми.
Представление об устойчивости мутаций в целом остается верным, но открытие динамических мутаций , обусловленных увеличением числа тринуклеотидных повторов , показывает, что некоторые мутации изменяются при делении соматических или зародышевых клеток. Одни мутации летальны, и они не могут передаваться следующему поколению, а другие не столь опасны и сохраняются в потомстве.
С точки зрения эволюции мутации обеспечивают достаточное генетическое многообразие, чтобы позволить видам приспособиться к условиям окружающей среды путем естественного отбора.
Каждый генетический локус характеризуется определенным уровнем изменчивости, т. е. присутствием различных аллелей, или вариантов последовательностей ДНК, у разных индивидуумов. Применительно к гену, аллели разделяются на две группы — нормальные, или аллели дикого типа, при которых функция гена не нарушена, и мутантные, приводящие к нарушению работы гена. В любых популяциях и для любых генов аллели дикого типа являются преобладающими. Под мутацией понимают все изменения в последовательности ДНК, независимо от их локализации и влияния на жизнеспособность особи. Таким образом, понятие мутации является более широким по сравнению с понятием мутантного аллеля .
В научной литературе часто встречающиеся в популяциях варианты последовательностей генов, не приводящие к заметным нарушениям функций, обычно рассматриваются как нейтральные мутации или полиморфизмы , тогда как понятия «мутация» и «мутантный аллель» зачастую употребляются как синонимы.
Мутации могут захватывать участки ДНК разной длинны. Это может быть единственный нуклеотид, тогда мы будем говорить о точковой мутации, или же протяженный участок молекулы. Кроме того, учитывая характер изменений, мы можем говорить о заменах нуклеотидов , делециях и вставках (инсерциях) и о инверсиях. Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом . В зависимости от факторов, вызывающих мутации, их разделяют на спонтанные и индуцированные . Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды. Спонтанные мутации в эукариотических клетках возникают с частотой 10-9-10-12 на нуклеотид за клеточную генерацию.
Индуцированными называют мутации, возникающие в результате мутагенных воздействий в экспериментальных условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды. Среди важнейших мутагенных факторов, прежде всего, необходимо отметить химические мутагены — органические и неорганические вещества, вызывающие мутации, а также ионизирующее излучение. Между спонтанными и индуцированными мутациями нет существенных различий, Большинство спонтанных мутаций возникает в результате мутагенного воздействия, которое не регистрируется экспериментатором.
Необходимо подчеркнуть, что полезность или вредность мутаций зависит от условий обитания: в одних условиях среды данная мутация вредна, в других — полезна. Например, мутация, вызывающая альбинизм, будет полезной для обитателей Арктики, обеспечивая белую защитную окраску, но вредной, демаскирующей для животных, обитающих в других условиях. Изменчивость дает материал для действия естественного отбора и лежит в основе эволюционного процесса.
Мутации поставляют материал для работы селекционеров. Получение и отбор полезных (для человека) мутаций лежат в основе создания новых сортов растений, животных и микроорганизмов.
Источник
Мутации различаются по своим фенотипическим эффектам. Большинство мутаций, по-видимому, вовсе никак не сказываются на фенотипе. Их называет нейтральными мутациями. Большой класс нейтральных мутаций обусловлен заменами нуклеотидов, которые не меняют смысла кодонов. Такие замены называют синонимическими. Например, аминокислота аланин кодируются триплетами ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА и ГЦГ. Если в результате мутации ГЦУ превращается в ГЦЦ, то белок, синтезированный по измененной программе, остается тем же самым. Если мутация изменяет смысл кодона (несинонимическая мутация) и одна аминокислота заменяется другой, это может привести к изменению свойств белка.
Большинство несинонимических мутаций оказывается вредными. Они нарушают скоординированное в ходе предшествующей эволюции взаимодействие генетических программ в развивающимся организме, и приводят либо к его гибели, либо к тем или иным отклонениям в развитии. Только очень малая доля вновь возникающих мутаций может оказаться полезной.
Следует помнить, однако, насколько условна эта классификация. Полезность, вредность, или нейтральность мутации зависит от условий, в которых живет организм. Мутация нейтральная или даже вредная для данного организма и данных условиях, может оказаться полезной для другого организма и в других условиях, и наоборот. Жуки и комары не могли знать заранее, что люди изобретут ДДТ и другие инсектициды и подготовить мутации защиты. Тем не менее, эти мутации возникали — они обнаруживаются даже в тех популяциях насекомых, которые с инсектицидами не встречались. В то время, когда насекомые не сталкивались с инсектицидами, эти мутации были нейтральными. Но как только люди стали применять инсектициды — эти мутации стали не просто полезными, они стали ключевыми для выживания. Те особи, которым по наследству досталась такая мутация, вовсе не нужная их родителям, жившим в доинсектицидную эру, приобрели колоссальное преимущество перед теми, кто такой мутации не имел.
Естественный отбор «оценивает» вредность и полезность мутаций по их эффектам на выживание и размножение мутантных организмов в конкретных экологических условиях. При этом вредность мутации, как правило, обнаруживается немедленно, а ее полезность часто определяется задним числом: мы называем полезными те мутации, которые позволяют популяциям адаптироваться к изменяющимся условиям среды.
Чем сильнее фенотипический эффект мутации, тем вреднее такая мутация, тем выше вероятность того, что такая мутация будет отбракована отбором. Как правильно отметил Ч.Дарвин, природа не делает скачков. Ни одна сложная структура не может возникнуть в результате мутации с сильным фенотипическим эффектом. Новые признаки не возникают мгновенно, они формируется медленно и постепенно путем естественного отбора случайных мутаций со слабыми фенотипическими эффектами, которые чуть-чуть изменяют старые признаки.
Мутации случайны и не направлены. Принципиальным положением мутационной теории является утверждение, что мутации случайны и не направлены. Под этим подразумевается, что мутации изначально не адаптивны. Применение инсектицидов не ведет к направленному возникновению мутаций устойчивости к ним у насекомых. Инсектициды могут приводить к общему повышению частоты мутаций, в том числе и мутаций в генах устойчивости к ним, в том числе и таких мутаций, которые эту устойчивость повышают. Но на одну такую «адаптивную» мутацию в «нужном» гене возникают десятки тысяч любых других — нейтральных и вредных — мутаций в генах, которые не имеют никакого отношения к устойчивости к инсектицидам.
Организм не может знать, какие мутации будут полезны в следующем поколении. Нет и не может быть механизма, который бы обеспечивал направленное появление полезных для организма мутаций. Это утверждение следует из всего того, что мы знаем о принципах кодирования, реализации и передачи генетической информации. Мы уже говорили о том, что ДНК — это не чертеж, а рецепт создания организма. Говорят, что генотип определяет фенотип. Не следует понимать эту фразу буквально. Генотип определяет не сам фенотип, а последовательности биохимических и морфогенетических реакций, которые, взаимодействуя друг с другом, определяют развитие фенотипических признаков.
Изменения генотипа влекут за собой изменения фенотипа, но не наоборот. Как бы не менялся фенотип организма в ответ на воздействия внешней среды — его изменения не могут привести к изменению генов, которые этот организм передаст следующему поколению.
Источник
В эволюционных экспериментах на бактериях и дрожжах было показано, что по мере роста приспособленности к данным условиям среды способность организмов к дальнейшей адаптации, как правило, снижается. Это проявляется в том, что вновь возникающие полезные мутации приносят в среднем тем меньше пользы, чем выше текущее значение приспособленности. Новые эксперименты на дрожжах, проведенные американскими биологами, показали, что аналогичное правило существует и для вредных мутаций: одни и те же мутации в среднем оказываются вреднее для генотипов с более высокой приспособленностью. Зависимость эффекта мутации от текущей приспособленности может даже пересекать нулевую отметку: существуют мутации, полезные для штаммов дрожжей с низкой приспособленностью, но при этом вредные для штаммов с высокой приспособленностью. Таким образом, по мере роста приспособленности снижается не только способность организмов к дальнейшим улучшениям, но и их устойчивость к вредным мутациям.
«Все счастливые семьи похожи друг на друга, каждая несчастливая семья несчастлива по-своему». Некоторые ученые видят в этой фразе из романа Толстого отражение важного общего принципа, состоящего в том, что существует гораздо больше способов испортить сложную функциональную систему, чем улучшить ее (см. Принцип Анны Карениной). В биологии это проявляется, в частности, в том, что среди случайных мутаций обычно гораздо больше вредных (снижающих приспособленность), чем полезных. При этом вероятность того, что случайная мутация окажется полезной, должна, по идее, зависеть от текущей приспособленности (или от благоприятности условий, что, по сути, то же самое). Если всё и так идеально, у случайной мутации практически нет шансов повысить приспособленность, но если приспособленность организма низкая (условия неблагоприятны), то эти шансы должны повышаться.
Справедливость этих абстрактных рассуждений была наглядно подтверждена в нескольких эволюционных экспериментах на микроорганизмах, в том числе в знаменитом долгосрочном эксперименте Ричарда Ленски (см.: Новые результаты долгосрочного эволюционного эксперимента: приспособленность подопытных бактерий продолжает расти, «Элементы», 23.12.2013). Выяснилось, что по мере роста приспособленности организмов к данным условиям среды средняя полезность вновь возникающих полезных мутаций имеет обыкновение снижаться. Это явление назвали «эпистазом убывающей доходности» по аналогии с экономическим законом убывающей доходности. Эпистаз — это влияние одних генов на фенотипические проявления других. В данном случае имеется в виду, что уже закрепившиеся в геноме полезные мутации делают последующие полезные мутации в среднем менее полезными.
Аналогичные результаты были получены и на некоторых эукариотах (S. Schoustra et al., 2016. Diminishing-returns epistasis among random beneficial mutations in a multicellular fungus). Об одном таком исследовании, проведенном американскими биологами на пекарских дрожжах Saccharomyces cerevisiae (рис. 1), рассказано в новости Предсказуемый рост приспособленности достигается непредсказуемыми путями («Элементы», 30.06.2014). Оказалось, что у дрожжей, как и у бактерий, средняя полезность вновь возникающих мутаций, а значит и приспособляемость (adaptability) организмов, снижается по мере роста приспособленности. При этом для дрожжей в большей степени характерен так называемый глобальный эпистаз (в противовес специфическому эпистазу, который, возможно, более свойственен бактериям). Это значит, что у дрожжей полезность мутации зависит прежде всего от общей приспособленности организма и лишь во вторую очередь — от того, какие именно мутации, закрепившиеся ранее, обеспечивают эту приспособленность (E. R. Jerison et al., 2017. Genetic variation in adaptability and pleiotropy in budding yeast).
Если о влиянии приспособленности на полезность полезных мутаций уже кое-что известно, то в вопросе о том, как приспособленность влияет на вредность вредных мутаций, ясности меньше. Если отталкиваться от того же «принципа Анны Карениной», то можно предположить, что чем совершеннее организм, тем с большей вероятностью случайное изменение генома причинит ему сильный вред. Если же организм не столь совершенен, то эффект той же самой мутации, возможно, будет менее драматичным. Конечно, в биологии такие общие соображения немногого стоят без экспериментальных подтверждений. Тем более, что некоторые данные указывают скорее на обратную тенденцию (см.: Вредные мутации в геноме усиливают влияние друг друга, «Элементы», 24.05.2017).
В новом исследовании, результаты которого опубликованы в журнале Science, американские ученые, ранее показавшие снижение полезности полезных мутаций с ростом приспособленности у дрожжей (Предсказуемый рост приспособленности достигается непредсказуемыми путями, «Элементы», 30.06.2014), попытались внести ясность в вопрос о влиянии приспособленности на вредность вредных мутаций.
В своих экспериментах авторы использовали гаплоидные штаммы дрожжей S. cerevisiae, полученные путем бесполого размножения из генетически разнообразного потомства от скрещивания двух сильно различающихся линий. Генетическое разнообразие подопытных штаммов обеспечивается тем, что у каждого потомка аллели, характерные для двух родительских линий, присутствуют в разных комбинациях. Эти штаммы были детально изучены ранее (J. S. Bloom et al., 2013. Finding the sources of missing heritability in a yeast cross). В тех условиях, в которых авторы выращивали дрожжи, приспособленность подопытных штаммов (оцениваемая по скорости роста) варьирует в широких пределах: самые приспособленные растут на 22,5% быстрее наименее приспособленных.
В геномы подопытных дрожжей при помощи транспозонного мутагенеза (Transposon mutagenesis) были внесены различные мутации. Для этого использовались специально разработанные для таких исследований плазмиды, обеспечивающие встраивание чужеродного фрагмента ДНК с уникальным нуклеотидным «штрих-кодом» (см.: Ранние этапы адаптации предсказуемы, поздние — случайны, «Элементы», 03.03.2015) в определенное место генома S. cerevisiae (A. Kumar et al., 2004. Large-Scale Mutagenesis of the Yeast Genome Using a Tn7-Derived Multipurpose Transposon). Ген, в который (или рядом с которым) встраивается чужеродный фрагмент, обычно выходит из строя или его функция сильно нарушается. Мутации вносились поодиночке. В итоге удалось получить множество штаммов с одной и той же привнесенной мутацией, но с разным генетическим «фоном», а также множество штаммов с одним и тем же исходным генотипом, но с разными привнесенными мутациями.
Эксперимент был проведен в двух вариантах. В первом случае использовали небольшое число исходных генотипов (18), но зато очень много разных мутаций (1147). Во втором случае взяли меньше мутаций (91), но зато испытали их действие на большем количестве генотипов (163).
Авторы оценили влияние каждой мутации на приспособленность (скорость роста) каждого генотипа. Результаты в обоих экспериментах получились похожие, но второй вариант (с большим числом исходных генотипов) позволил провести более строгий математический анализ искомой зависимости эффекта мутации от исходной приспособленности генотипа. Результаты второго эксперимента показаны на рис. 2.
Как видно из рисунка, мутации, нарушающие работу тех или иных генов, в среднем оказываются тем вреднее, чем выше была исходная приспособленность генотипа. Таким образом, результаты согласуются с «принципом Анны Карениной»: чем приспособленнее генотип, тем он уязвимее, тем легче его испортить. Ну а генотипам с низкой приспособленностью («несчастливым семьям») уже более-менее всё равно: можно еще что-нибудь в них нарушить — намного хуже им от этого не станет.
Более детальный анализ показал, что среди изученных мутаций встречаются разные варианты зависимости эффекта мутации от генетического контекста. У большинства мутаций эта зависимость похожа на среднестатистическую (показанную на рис. 2), то есть хорошо приспособленным генотипам эти мутации вредят сильно, а плохо приспособленным — слабо. Но встречаются и другие варианты. Например, существуют вредные мутации, вредность которых не зависит от исходной приспособленности генотипа, а также полезные мутации, чья полезность снижается по мере роста исходной приспособленности (это как раз и есть вышеупомянутый «эпистаз убывающей доходности»). Есть даже такие мутации, которые слабо приспособленным генотипам полезны, а хорошо приспособленным — вредны. Так ведет себя, например, вставка, повреждающая ген RPL16A, кодирующий один из рибосомных белков.
Эффекты большинства исследованных мутаций сильнее зависят от «глобального эпистаза» (то есть просто от исходной приспособленности генотипа), чем от «специфического эпистаза» (то есть от наличия в геноме каких-то конкретных аллелей). Но всё же специфический эпистаз тоже имеет место. Для многих мутаций удалось найти конкретные гены, аллельное состояние которых заметно влияет на эффект мутации (наряду с общей приспособленностью и независимо от нее). Кроме того, ученые заметили, что функции многих генов, вредность мутаций в которых особенно быстро растет с ростом общей приспособленности (а также генов, аллельное состояние которых заметно влияет на эффекты изученных мутаций), связаны с рибосомами и трансляцией (синтезом белка). По-видимому, это значит, что для оптимальной приспособленности (то есть для быстрого размножения) дрожжей в условиях эксперимента важна тонкая настройка системы белкового синтеза. Если все гены, влияющие на работу этой системы, «настроены» оптимальным образом, а их рабочие характеристики точно подогнаны друг к другу, то дрожжи размножаются максимально быстро. Но если хоть один из элементов системы забарахлил, то размножение сразу застопоривается. После этого становится уже не так важно, насколько точно подогнаны друг к другу остальные элементы.
В заключительной части статьи авторы рассуждают о возможных эволюционных следствиях найденной закономерности. Получается, что приспособляемость (эволюционный потенциал) популяции закономерно снижается по мере приближения к оптимуму (пику на «ландшафте приспособленности», см. Fitness landscape; смысл этого понятия разбирается в новости Расширение белковой вселенной продолжается, «Элементы», 24.05.2010). Происходит это не только за счет уменьшения пользы от полезных мутаций, но и за счет снижения толерантности к вредным мутациям. Чем выше по склону «ландшафта приспособленности», тем меньше остаётся путей наверх, и к тому же эти подъемы становятся всё более пологими (что соответствует «эпистазу убывающей доходности»). Спуски, наоборот, становятся всё круче — это соответствует выявленной в обсуждаемой работе зависимости (крутизна спуска здесь — это вредность мутации, а достигнутая высота — текущая приспособленность).
Авторы обращают внимание на то, что помимо обычного естественного отбора, работающего на индивидуальном уровне и всегда стремящегося повысить приспособленность, существует еще такое «неканоническое» явление, как отбор второго порядка на приспособляемость или эволюционную перспективность (J. L. Payne, A. Wagner, 2019. The causes of evolvability and their evolution). Его реальность была продемонстрирована в нескольких работах, в том числе в эксперименте Ленски (об этом рассказано в новости В долгосрочном эволюционном эксперименте выявлен отбор на «эволюционную перспективность», «Элементы», 25.03.2011).
Если приспособляемость (которая складывается из максимизации пользы полезных мутаций и минимизации вреда вредных) может эволюционировать под действием «отбора второго порядка», то этот процесс, по-видимому, должен вступать в противоречие с «отбором первого порядка». Отбор на приспособленность пытается загнать эволюционирующую популяцию на ближайший пик, невзирая на дальнейшие перспективы. Отбор на приспособляемость, если он реален, должен предпочитать на ландшафте приспособленности такие места, откуда доступны более крутые и высокие подъемы, а спуски менее круты. Встречаются ли в реальной эволюции какие-то компромиссы между текущей приспособленностью и эволюционной перспективностью, и вносят ли такие компромиссы заметный вклад в наблюдаемое «несовершенство» организмов и адаптаций, покажут дальнейшие исследования.
Источник: Milo S. Johnson, Alena Martsul, Sergey Kryazhimskiy, Michael M. Desai. Higher-fitness yeast genotypes are less robust to deleterious mutations // Science. 2019. V. 366. P. 490–493. DOI: 10.1126/science.aay4199.
См. также:
1) Предсказуемый рост приспособленности достигается непредсказуемыми путями, «Элементы», 30.06.2014.
2) В долгосрочном эволюционном эксперименте выявлен отбор на «эволюционную перспективность», «Элементы», 25.03.2011.
3) Новые результаты долгосрочного эволюционного эксперимента: приспособленность подопытных бактерий продолжает расти, «Элементы», 23.12.2013.
4) Ранние этапы адаптации предсказуемы, поздние — случайны, «Элементы», 03.03.2015.
Александр Марков
Источник