Исследование № 38
У шимпанзе, как и у людей, число мутаций у потомства зависит от возраста отца
Сравнение темпов мутагенеза человека и шимпанзе необходимо для надежной калибровки “молекулярных часов”, используемых для датировки ключевых эволюционных событий (таких, например, как разделение предков человека и шимпанзе). Проведенный в 2014 году анализ геномов девяти шимпанзе, представляющих три поколения одной семьи, показал, что средний темп мутирования у ближайших родичей человека примерно такой же, как у нас: около 70 новых мутаций на каждого детеныша. Как и у людей, количество новых мутаций у потомства сильно зависит от возраста отца в момент зачатия: каждый дополнительный год, прожитый отцом, прибавляет его потомкам в среднем по три мутации. У человека, как мы помним, эта величина существенно меньше (1,47; см. Исследование № 37). Различие, скорее всего, связано с более интенсивным производством сперматозоидов у шимпанзе: самки у них спариваются со многими самцами подряд, что означает интенсивные спермовые войны. Получается, что при калибровке молекулярных часов нужно учитывать не только средний возраст отцовства и материнства, но еще и характер семейных отношений и направленность полового отбора.
Прямая оценка скорости мутагенеза у современных людей, основанная на сравнении геномов родителей и их потомков, показала, что каждый новорожденный имеет в среднем 70 новых мутаций, которых не было у родителей, причем из этих мутаций около 80 % приходит от отца (с геномом сперматозоида) и только 20 % – от матери. Выяснилось также, что число новых мутаций у ребенка слабо зависит от возраста матери, но быстро растет с возрастом отца. Каждый дополнительный год жизни отца прибавляет его потенциальному потомку примерно полторы новых мутации (см. Исследование № 37).
Причины этих закономерностей более или менее понятны. У женщин от зачатия до формирования зрелой яйцеклетки проходит всего 24 клеточных деления и, соответственно, 23 акта репликации хромосом (перед вторым делением мейоза хромосомы не удваиваются). Репликация хромосом женской зародышевой линии заканчивается еще во время внутриутробного развития, а в течение жизни женщины хромосомы ее половых клеток больше не удваиваются. Следовательно, и число мутаций в них растет очень медленно, ведь бóльшая часть мутаций в клетках зародышевой линии – это ошибки репликации.
У мужчин ситуация иная. Клетки-предшественники сперматозоидов делятся в течение всей взрослой жизни, претерпевая по одному делению каждые 16 дней (23 деления в год) начиная с достижения половой зрелости. Считается, что сперматозоиды 15-летнего юноши прошли примерно 35 клеточных делений, 20-летнего мужчины – 150, 30-летнего – 380, 40-летнего – 610, 50-летнего – 840. Каждый акт репликации сопряжен с риском возникновения дополнительных мутаций, поэтому чем старше мужчина, тем больше мутаций в его сперматозоидах.
Проведенные количественные оценки мутагенеза у человека становятся еще информативнее, если сравнить их с соответствующими показателями наших ближайших родичей – шимпанзе. Такая возможность представилась благодаря работе генетиков из Великобритании и Нидерландов: удалось отсеквенировать полные геномы девяти шимпанзе из трех поколений одной семьи (Venn et al., 2014). Несмотря на маленькую выборку (все же общество куда охотнее выделяет деньги на секвенирование человеческих геномов, чем обезьяньих), полученные данные весьма любопытны.
Ученые подсчитали новые мутации у шести особей шимпанзе, для которых были известны родительские геномы. В общей сложности у них нашли 204 новые мутации в аутосомах и три – в X-хромосоме. Причем значительную долю (24 %) составляли замены Ц на T в динуклеотидах ЦГ. У человека такие замены составляют 17 % вновь возникающих мутаций.
Для большинства мутаций по набору полиморфизмов в ее окрестностях удалось определить, получена ли она от отца или от матери. Оказалось, что у шимпанзе, как и у людей, отцы передают своим детям гены, гораздо сильнее подпорченные мутациями. “Отцовских” мутаций обнаружилось в 5,5 раз больше, чем “материнских” (у человека – в 4 раза).
Между числом новых мутаций и возрастом матери связи не обнаружилось (у людей, как мы помним, эта связь тоже не прослеживалась, пока выборки были маленькими; см. Исследование № 37). Мать-шимпанзе в любом возрасте передает детенышу в среднем 6,7 новых мутации. А вот с возрастом отца число новых мутаций у шимпанзе растет на удивление быстро. Эта зависимость даже в такой маленькой выборке оказалась статистически достоверной. Если у людей каждый год жизни отца – с полового созревания – прибавляет потомку в среднем 1,47 новых мутации, то у шимпанзе – целых 3,02. То есть вдвое больше! Это различие, скорее всего, связано со структурой брачных отношений. В сообществах шимпанзе у самок не заведено хранить верность одному самцу. Самки, находящиеся в фертильной фазе эстрального цикла, нередко спариваются со многими самцами подряд. Это приводит к спермовым войнам (см. Исследования № 12–15) и отбору на более интенсивный сперматогенез (рис. 38.1).
Если это предположение верно, следует ожидать, что у горилл (с их гаремной системой, женской верностью, отсутствием спермовых войн, маленькими семенниками и генетическими особенностями, указывающими на крайне низкий уровень конкуренции на уровне спермы) темп увеличения числа мутаций в сперматозоидах с возрастом самца должен быть ниже, чем у шимпанзе. И может быть, даже ниже, чем у людей. Когда это выяснится, мы сможем точнее оценить степень половой раскрепощенности наших далеких прародительниц. Впрочем, уже сейчас можно утверждать, что они были намного менее склонны к промискуитету, чем самки шимпанзе и бонобо, хотя степень их супружеской верности и не достигала заоблачного уровня, характерного для горилл и строго моногамных гиббонов.
Чтобы оценить средний темп мутагенеза у шимпанзе, исследователям пришлось учесть важное отличие изученной группы особей, живущей в неволе, от диких сородичей. В неволе шимпанзе обычно начинают размножаться в более раннем возрасте, чем в природе. Это связано с иерархическими, конкурентными отношениями в естественных сообществах шимпанзе, где подростки редко допускаются до участия в размножении. Так или иначе, в исследованном семействе шимпанзе средний возраст отцовства (то есть средний возраст самцов в момент рождения детенышей) составил 18,9 года, а материнства – 15,0. Для диких популяций шимпанзе, по имеющимся оценкам, эти числа значительно выше: 24,3 года для самцов и 26,3 для самок. У современных людей средний возраст отцовства еще выше: около 31,5 года.
рис. 38.1. У ближайших родственников человека – шимпанзе и бонобо (на рисунке) – самки часто спариваются с несколькими самцами подряд. Это приводит к конкуренции между самцами на уровне спермы (спермовым войнам), что, в свою очередь, способствует отбору на увеличение семенников и интенсификацию сперматогенеза. Возможно, именно поэтому число мутаций в сперматозоидах у шимпанзе растет с возрастом самца вдвое быстрее, чем у людей.
Таким образом, у диких шимпанзе самцы в момент зачатия детенышей в среднем старше, чем в исследованной популяции, а значит, мутаций у их потомства должно быть больше. С учетом этой и ряда других поправок исследователи рассчитали, что среднее число новых аутосомных мутаций у диких шимпанзе должно быть около 69 на детеныша, а темп мутагенеза – 1,2 × 10–8 мутаций на нуклеотид за поколение. Эти показатели очень близки к тем, что были получены для современных человеческих популяций. Однако совпадение, можно сказать, случайно: различные факторы, ведущие к увеличению или уменьшению темпов мутагенеза у человека по сравнению с шимпанзе, взаимно компенсировались. Например, у людей мутации в сперматозоидах накапливаются медленнее, но зато и средний возраст отцовства выше.
Если полученные оценки верны (напомним, что они основаны на очень маленькой выборке и могут быть существенно уточнены в будущем) и если темп мутагенеза не подвергался существенным колебаниям со времен расхождения предков шимпанзе и людей, то при помощи метода молекулярных часов можно в очередной раз попытаться оценить время жизни последнего общего предка человека и шимпанзе. Ученые проделали это и получили результат: 13 миллионов лет назад. К похожим оценкам недавно пришел и знаменитый палеогенетик Сванте Пэабо с коллегами (Langergraber et al., 2012). Правда, тут есть много тонкостей, одна из которых состоит в том, что время дивергенции геномов, определяемое по молекулярным часам, в силу ряда объективных причин может находиться глубже в прошлом, чем время реального видообразования, разделения популяций (Scally, Durbin, 2012).
Но все же самый значимый результат исследования – это указание на возможную зависимость скорости молекулярной эволюции от структуры социума и брачных отношений. Влияние может быть двояким. Во-первых, число мутаций у потомства зависит от возраста, в котором самцы начинают участвовать в размножении и который, в свою очередь, определяется не только физиологией, но и общественным устройством и культурными традициями. Во-вторых, спермовые войны, характерные для промискуитетных сообществ, способствуют отбору на интенсификацию сперматогенеза, что приводит к ускоренному росту числа мутаций в сперматозоидах с возрастом самца. Для предков человека спермовые войны были не очень характерны, поэтому число новых мутаций у потомства растет с возрастом отца не так быстро. Что же касается среднего возраста отцовства у австралопитеков и палеолитических людей, то о нем мы можем пока лишь гадать.
