Вредные мутации располагаются в редко рекомбинирующих участках хромосом

Рис. 1. Пример рекомбинации хромосом, происходящей при образовании половых клеток. Перед рекомбинацией ДНК каждой хромосомы из пары гомологичных хромосом удваивается, так что обе хромосомы оказываются состоящими из двух спиралей, соединенных специальной структурой — центромерой (белые овалы). Комплемнтарные спирали из разных хромосом пары могут обмениваться между собой участками: в спиралях ДНК образуются разрывы, ДНК обмениваются фрагментами и затем получившиеся гибридные хромосомы сшиваются. Рисунок с сайта biostudent.ru

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).

Рис. 2. Обогащение редко рекомбинирующих участков хромосом мутациями у франкоговорящих канадцев из Квебека (FCQ), европейцев (EUR), азиатов (ASN) и африканцев (AFR). Odds ratio — отношение шансов встретить мутацию определенной группы в редко рекомбинирующих и часто рекомбинирующих регионах хромосом. Значение этого параметра больше 1 означает, что мутации чаще встречаются в редко рекомбинирующих областях хромосом. Rare — мутации, встречающиеся с частотой меньше 1%, Non synonymous — мутации, приводящие к замене аминокислоты в белке, Damaging — мутации, негативно влияющие на здоровье человека по данным базы ClinVar, Neutral — мутации, не вызывавшие замен аминокислот в белках. График из обсуждаемой статьи в Nature Genetics

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