Исландские генетики провели беспрецедентное по масштабу исследование мутагенеза у современных людей, проанализировав полные геномы 1548 «троек», включающих пару родителей и их потомка. Оказалось, что каждый новорожденный получает в среднем 70 новых мутаций, которых не было у родителей, из которых 80% приносит сперматозоид, и только 20% — яйцеклетка. Подтвердился быстрый рост числа новых мутаций с возрастом отца: каждый год жизни отца прибавляет его потомству в среднем 1,5 мутации. Возраст матери тоже влияет на число мутаций у потомства, но не так сильно: каждый год жизни матери обходится потомству в 0,37 дополнительных мутаций. Распределение «материнских» мутаций по геному оказалось неравномерным: в нескольких участках частота их возникновения резко повышена. По-видимому, это связано с тем, что в этих участках чаще всего рвутся хромосомы в стареющих ооцитах. Похожий паттерн распределения материнских мутаций характерен для шимпанзе и горилл, но не для орангутанов. По-видимому, мы унаследовали этот паттерн от ранних представителей больших африканских человекообразных обезьян.
Рис. 1. Зависимость различных нейрокогнитивных показателей у детей (в возрасте от 8 месяцев до 7 лет) от возраста отца (пунктирные линии) и матери (сплошные линии). По вертикальной оси — нейрокогнитивные показатели, по горизонтальной — возраст родителя в момент рождения ребенка. Графики основаны на данных по 33 437 американским семьям. Внесены поправки на возраст и пол ребенка, возраст второго родителя, расовую принадлежность, социоэкономический статус и другие параметры, которые могли бы исказить искомую зависимость. Видно, что большинство нейрокогнитивных показателей снижается с возрастом отца, но не матери. Bayley Mental и Bayley Motor — показатели умственного и физического развития детей, оцененные по шкале Бейли. Stanford Binet IQ — коээфициент интеллекта по шкале Стэнфорда–Бине. Graham Ernhart — тест на блочную сортировку Грэма–Эрнхарта. WISC full scale IQ — коэффициент интеллекта по шкале Векслера (WISC — Wechsler Intelligence Scale for Children). WRAT Reading — тест WRAT на понимание прочитанного.
Здоровье и эволюционное будущее человечества во многом зависят от вновь возникающих мутаций, которые в большом количестве присутствуют в геноме каждого новорожденного. Не удивительно, что закономерности мутагенеза у людей привлекают самое пристальное внимание ученых.
Ранее было показано, что число новых (отсутствующих у родителей) мутаций в геномах новорожденных быстро растет с возрастом отца. Первые оценки, основанные на небольших выборках, показали, что каждый год жизни отца прибавляет его потомству в среднем примерно две новые мутации (а у шимпанзе — целых три). Это объясняется тем, что клетки-предшественники сперматозоидов (сперматогонии; см. Spermatogonium) делятся в течение всей взрослой жизни. Перед каждым делением геном реплицируется, а при репликации всегда с какой-то вероятностью возникают ошибки — мутации.
Напротив, предшественники яйцеклеток (ооциты) формируются еще в период внутриутробного развития и затем хранятся, не претерпевая митотических делений. Поэтому с возрастом матери число новых мутаций у детей практически не растет. По крайней мере, так считалось до недавних пор, пока генетики имели возможность работать лишь с небольшим количеством полных геномов родителей и их детей.
Связь между возрастом отца и числом новых мутаций у детей, по-видимому, имеет прямое отношение к выявленной в 2009 году отрицательной корреляции между возрастом отца и нейрокогнитивными показателями детей. Дети немолодых отцов в среднем имеют более низкие нейрокогнитивные показатели (рис. 1). С возрастом матери эти показатели обычно не только не снижаются, но даже растут. Здесь, конечно, нужно учитывать, что графики, подобные показанным на рис. 1, хотя и строятся с поправками на разные «осложняющие факторы», такие как социоэкономический статус, всё же не могут учесть все подобные факторы. Рост нейрокогнитивных показателей детей с возрастом матери, заметный на рис. 1, связан не с тем, что у женщин с возрастом становится меньше мутаций в яйцеклетках (это не так), а с тем, что в современном цивилизованном обществе женщины, начинающие рожать рано, уступают женщинам, начинающим рожать поздно, по частотам аллелей, положительно влияющих на когнитивные показатели. У мужчин такая зависимость тоже есть, но выражена слабее.
Однако в последнее время стали появляться данные, показывающие, что число новых мутаций у новорожденных все-таки растет с возрастом матери, хотя и не так быстро, как с возрастом отца. Это важное уточнение, как и ряд других, стало возможным благодаря удешевлению полногеномного секвенирования, что позволило многократно увеличить объем исследуемых выборок.
В новой статье, опубликованной в журнале Nature, исландские генетики сообщают о результатах изучения рекордного числа «троек», включающих полные геномы обоих родителей и их потомка. Авторы проанализировали 1548 таких троек, причем все геномы были отсеквенированы довольно качественно (с покрытием 35; см. Coverage). Прямое сравнение полных геномов потомка и обоих его родителей — трудоемкий, зато самый надежный способ определить число новых мутаций. В 225 случаях из 1548 в распоряжении исследователей, помимо геномов двух родителей и потомка, имелся также геном представителя следующего (третьего) поколения, то есть потомка потомка. Такие данные позволяют более надежно устанавливать происхождение (отцовское или материнское) новых мутаций представителя второго поколения, потому что эти мутации наследуются внуком или внучкой в составе фрагмента хромосомы, совпадающего с одной из хромосом либо деда, либо бабки.
Авторы обнаружили в общей сложности 108 778 новых мутаций (из них 101 377 — однонуклеотидные полиморфизмы, остальное — инделы (инсерции и делеции вызываемые активностью МГЭ и вирусов). Таким образом, получилось в среднем по 108 778/1548 = 70,3 новых мутации на человека (рис. 2), что совпадает с прежними оценками.
Рис. 2. Число людей с разным количеством новых мутаций. По горизонтальной оси — число новых мутаций, по вертикальной — число людей с таким количеством новых мутаций.
У 91 «потомка» имелись монозиготные близнецы, чьи геномы тоже были отсеквенированы, чтобы оценить качество проделанной работы (в идеале все новые мутации, найденные у одного близнеца, должны быть обнаружены и у второго). Проверка показала, что в ходе секвенирования было пропущено или ошибочно идентифицировано не более 3% от общего числа реально присутствующих мутаций.
Отцовское или материнское происхождение удалось с максимальной точностью установить для 15 746 мутаций, зарегистрированных в тех тройках, где были данные по «потомкам потомков». Оказалось, что 80,4% новых мутаций имеют отцовское происхождение, то есть люди получают их с геномом сперматозоида. Число «отцовских» мутаций быстро растет с возрастом отца (синяя линия на рис. 3). Каждый год жизни отца прибавляет в среднем по 1,47 новых мутаций его потомкам. Это меньше, чем прежние оценки (около двух). Число мутаций материнского происхождения тоже увеличивается с возрастом матери, но вчетверо медленнее (красная линия на рис. 3) — на 0,37 за год жизни матери.
Рис. 3. Связь числа новых мутаций (DNMs, de novo mutations, по вертикальной оси), полученных от отца (синие) и матери (красные), с возрастом родителя (по горизонтальной оси).
Расчеты, основанные на большем числе новых мутаций (42 961), происхождение которых было установлено с меньшей достоверностью, дали почти такие же результаты (рост на 1,51 в год для отцовских и на 0,37 для материнских мутаций).
Ранее уже было замечено, что отцовские и материнские мутации различаются по своему характеру и распределению по геному. Новое исследование это подтвердило. Так, мутации C > T (замены цитозина тимином) в 1,3 раза чаще встречаются среди материнских мутаций, чем среди отцовских. Мутации T > G и C > A примерно во столько же раз чаще встречаются среди отцовских, чем среди материнских. Некоторые различия обнаружились также в скоростях изменения частоты разных типов мутаций с возрастом родителя (рис. 4).
Рис. 4. Изменение относительной частоты некоторых типов мутаций с возрастом родителя. Обозначения как на рис. 3.
Один из самых неожиданных результатов состоит в том, что распределение материнских мутаций по геному оказалось крайне неравномерным (для отцовских мутаций это характерно в меньшей степени). В некоторых участках генома частота встречаемости материнских мутаций резко повышена. Особенно выделяется участок восьмой хромосомы длиной в 20 млн пар оснований, на котором материнские мутации возникают в 4,5 раза чаще, чем в среднем по геному. Особенно сильно (в 12,8 раз) повышена на этом участке частота материнских мутаций типа C > G. В некоторых других участках генома частота таких мутаций тоже заметно повышена. И количество мутаций C > G, и количество кластеров («сгущений») таких мутаций быстро растет с возрастом матери.
Если эти особенности возникновения материнских мутаций появились не вчера, а существуют в течение длительного времени, то в этих участках генома у людей должна быть повышена частота соответствующих однонуклеотидных полиморфизмов (то есть вариабельных нуклеотидных позиций, где у одних людей стоит нуклеотид C, а у других — G). Авторы проверили это предположение по имеющимся геномным данным (не только исландским), и оно полностью подтвердилось. Это значит, что повышенная частота мутаций C > G в этих участках генома свойственна нашему виду уже давно. Но насколько давно? Чтобы это выяснить, исследователи обратились к геномам различных обезьян. Оказалось, что шимпанзе и гориллы схожи с человеком по распределению полиморфизмов C > G, а орангутаны и другие обезьяны — нет. По-видимому, это значит, что выявленная особенность — повышенная частота мутаций C > G в нескольких строго определенных участках генома — появилась у наших предков после их отделения от предков орангутанов, но до отделения от предков горилл. Иными словами, она появилась у ранних представителей африканских больших человекообразных обезьян — african great apes.
Некоторые косвенные признаки (такие как частое расположение соседних материнских мутаций C > G на одной и той же цепи ДНК, а также совпадение регионов с повышенной частотой таких мутаций с регионами частой генной конверсии, не связанной с кроссинговером), указывают на то, что повышенная вероятность материнских мутаций C > G характерна для тех участков, где в стареющих ооцитах часто происходят разрывы двойной спирали ДНК. Эти участки по каким-то причинам рвутся чаще других, а мутации C > G появляются в ходе починки (репарации) двойных разрывов. Напомним, что клетки-предшественники сперматозоидов постоянно делятся, и большинство мутаций в них — это ошибки репликации ДНК. Напротив, клетки-предшественники яйцеклеток (ооциты) не делятся, а на годы и десятилетия «застывают» в профазе I мейоза. Поэтому большинство мутаций в них — это результаты повреждений ДНК, не связанных с репликацией. Возможно, дело тут в особенностях конфигурации хромосом в профазе I мейоза, в прочности разных участков хромосом, в «структурном стрессе», которому подвергаются хромосомы ооцитов в области хиазм, а также в снижении количества когезина в стареющих ооцитах.
Таким образом, исследование существенно уточнило наши представления о закономерностях мутагенеза у людей. При этом оно еще больше запутало и без того сложный вопрос о датировках давних эволюционных событий при помощи молекулярных часов. Из полученных результатов следует, что скорость накопления генетических различий между разошедшимися видами (которая для идеальной работы «молекулярных часов» должна быть постоянной) зависит, помимо прочего, еще и от того, в каком возрасте отцы и матери заводят детей. Авторы рассчитали, что увеличение среднего возраста отцовства на 10 лет привело бы к ускорению мутагенеза (в мутациях за год) на 4,7%. А если на такую же величину повысится средний возраст материнства, то мутагенез, наоборот, замедлится на 9,6%, потому что небольшое увеличение числа мутаций в старых ооцитах будет с лихвой перекрыто замедлением смены поколений. Таким образом, в уравнение молекулярных часов добавились новые неизвестные.
На Рис.2 наглядно показано нормальное распределение числа людей с новыми мутациями на одного человека и в глаза бросается тот факт, что разница по числу мутаций на человека между разными людьми может быть более чем на порядок. Из этого вытекает вопрос о том почему если системы репарации могут быть так совершенны, то почему они не поддерживаются отбором? Ведь как известно старение стволовых клеток происходит из-за накопления мутаций, а их механизмы в половых и соматических клетках одинаковы. Ответ на этот вопрос заключается в том, что мутации дают продукт для естественного отбора, а организмы выработавшие совершенные механизмы репарации рано или поздно из-за уменьшения приспособленности вымрут. Таким образом генетическая причина старения кроется в необходимости самой эволюционной изменчивости, но возникающие мутации для человека вредны и приводят к старению и новообразованиям, но дают эволюционное преимущество потомству. Таким образом механизмы репарации, доведённые до совершенства, вредят естественному отбору такой получается парадокс, что для эволюции неизбежно старение и смерть. Но возможно человеку уже не так важна эволюция?
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ БОЛЬШОЙ НАУКИ
