Мутации

Мутационное давление из-за низкой скорости процесса спонтанного мутирования крайне слабо влияет на распределение популяционных частот аллелей. Под скоростью или частотой мутирования понимается доля гамет, в которых произошли изменения данного гена. Для высших организмов эта величина не превышает 10⁻⁶ - 10⁻⁵ на локус за поколение. Эволюционное значение мутационного процесса заключается в создании разнообразия аллелей за счет появлении новых генов. Однако почти все вновь возникающие мутантные гены селективно отрицательны, например, они обуславливают различные заболевания в гомо- или гетерозиготном состоянии.

Необходимо различать три тесно связанные величины:

1. Скорость мутирования

2. Частота встречаемости мутантного гена в популяции

3. Частота заболеваний, вызванных мутантным геном.

Первая из них определяется процессами на клеточном и организменном уровне. Вторая величина - это равновесный уровень популяционной частоты, который пропорционален скорости мутирования и обратно пропорционален интенсивности отбора против мутантных генов. Третья - определятся популяционной частотой мутантного гена и степенью его рецессивности по отношению к нормальному аллелю. Между всеми этими величинами существует простая связь, которую мы обсудим в данном разделе.

Рассмотрим сначала доминантные летальные мутации. Особи, несущие такие гены, не способны к размножению, и, следовательно, эти аллели будут присутствовать в генотипе лишь тех организмов, у которых они возникли в результате мутации в данном поколении. Если μ - скорость мутирования, ар - частота мутантного гена, то предыдущее утверждение можно выразить равенством: р = μ, то есть равновесная частота доминантных летальных мутаций равна скорости мутирования. Однако, частота заболеваний при этом будет вдвое выше, так как заболевания проявляются у всех гомо- и гетерозигот по мутантному аллелю, что составляет

р² + 2р(1 - р) = 2р − p² ≈ 2р.

В качестве доминантных мутаций можно рассматривать некоторые хромосомные перестройки. Таковой является трисомия, вызывающая синдром Дауна. Так как больные с синдромом Дауна не оставляют потомства, соответствующую мутацию можно считать доминантной леталью. Синдром Дауна возникает с частотой 1 на 700 новорожденных, и, значит, мутабильность для трисомии равна 1/1400.

В случае рецессивных деталей ситуация несколько сложнее. Мутационный процесс постоянно, с малой частотой μ, индуцирует мутантные аллели, которые могут сохраняться в популяции в гетерозиготном состоянии, Отбор элиминирует эти гены лишь при образовании гомозигот. В результате частота рецессивных мутаций быстро достигает равновесного значения, которое можно оценить с помощью следующих рассуждений. За одно поколение отбора частота рецессивного летального гена изменяется по правилу:

q →

q

1 + q

Поэтому изменение частоты за одно поколение составляет

Δ q = q −

q

1 + q

= −

q²

1 + q

При малых q снижение частоты за счет отбора приблизительно равно Δq ≈ q². В то же время за счет мутационного процесса происходит увеличение частоты мутаций на величину μ за поколение. Для поддержания равновесия прибыль и убыль частоты должны быть равны друг другу. Отсюда получаем равенство q² = μ, а значит, равновесный уровень мутантных рецессивных генов равен

q = √μ.

При этом частота соответствующего заболевания равна частоте мутантных гомозигот, то есть по-прежнему равна μ.

Частота появления новорожденных с фенилкетонурией, обусловленной рецессивным геном, составляет 4 на 100 000, то есть q² = 4 • 10⁻⁵. Поэтому частота этого гена в популяции человека равна q = √

4 • 10⁻⁵

= 6,3 • 10⁻³. Частота соответствующих гетерозигот равна 2pq ≈ 2q = 2 • 6,3 • 10⁻³ = 1,26 • 10⁻³. Таким образом, в среднем около 13 человек из тысячи являются носителями этого аллеля, хотя частота индивидуумов, страдающих фенилкетонурией, составляют всего 4 на 100000.

Приведенные оценки относятся к случаю полной летальности (или стерильности) мутантных генотипов. В некоторых случаях бывает необходимо вычислить равновесную частоту мутаций при неполной элиминации особей, несущих мутантный ген. Пусть приспособленность гомозигот по мутантному гену равна 1-s. Как и ранее, обозначим буквой ц частоту мутационных превращений нормального аллеля + в мутантный аллель m. Тогда равновесные частоты мутантного аллеля определяются формулами, которые представлены в таблице 4.

Мы опускаем вывод этих формул, отсылая заинтересованного читателя к классическому руководству Ч. Ли "Введение в популяционную генетику"-

Приведем один пример из генетики человека, использующий представленные формулы. Ахондроплазия - это тяжелое заболевание, обусловленное доминантным аллелем. Частота мутаций, вызывающих ахондроплазию, составляет 5 • 10⁻⁸. Число детей у больных ахондроплазией в среднем в пять раз меньше по сравнению со здоровыми людьми. Таким образом,

s = 1 -

= 0,8.

Равновесная частота мутантного гена равна

p =

μ

s

=

5 • 10⁻⁵

0,8

= 6,25 • 10⁴

Частота заболевших при этом составляет 2р = 2 • 6,25 • 10⁻⁵ = 1,25 • 10⁴, то есть 125 больных на 1 млн. новорожденных.

Дата добавления: 2015-05-10