Вредные мутации в геноме усиливают влияние друг друга

Международная группа, включающая ученых из России, США и Голландии, показала, что влияние вредных мутаций на приспособленность зависит от присутствия в геноме других вредных мутаций. Оказалось, что чем больше вредных мутаций уже присутствует в геноме, тем вреднее последующие мутации. Такое взаимодействие между мутациями позволяет отрицательному отбору эффективнее удалять вредные аллели из популяции. Эти результаты могут отчасти объяснить, почему популяции живых существ не вымирают, несмотря на высокую скорость возникновения вредных генетических изменений.

В геномах живых существ постоянно возникают мутации — изменения в последовательности ДНК. Часть возникающих мутаций вредные, то есть понижают приспособленность индивида, в геноме которого присутствует данная мутация. Приспособленность (см. также Fitness) — это вклад, который данная особь внесет в генофонд следующего поколения. То есть это понятие описывает то, насколько организм успешен с точки зрения естественного отбора. Поэтому в качестве характеристики приспособленности организма эволюционные биологи часто выбирают количество детей у данной особи. Таким образом, влияние вредной мутации на приспособленность можно представлять как снижение вероятности того, что носитель этой мутации оставит потомство.

Парадокс «мутационного груза»

По последним данным в среднем каждый новорожденный несет в геноме около 70 новых мутаций и как минимум 10% из них являются вредными (см. S. Besenbacher et al., 2015. Novel variation and de novo mutation rates in population-wide de novo assembled Danish trios). Но теоретические оценки того, насколько накапливающиеся с каждым новым поколением мутации должны снижать приспособленность, несовместимы с существованием человеческой популяции — это так называемый парадокс «мутационного груза».

Для долгосрочного выживания вида естественный отбор должен увеличивать среднюю приспособленность особей в популяции по крайней мере с той же скоростью, с которой ее понижают появляющиеся в каждом поколении мутации. Вид эволюционно «стабилен», если существует равновесие между возникновением новых вредных мутаций и их удалением в результате действия естественного отбора. Если этого по каким-то причинам не происходит, вредные мутации быстро накапливаются, что приводит к вымиранию вида.

Чем больше вредных мутаций возникает в геноме за одно поколение, тем больше «генетических смертей» должно произойти для того, чтобы восстановить среднюю приспособленность популяции. «Генетическая смерть» происходит, если особь не оставляет жизнеспособных потомков, и, таким образом, не передает свои гены следующему поколению. В результате вредные мутации, появившиеся в геноме этой особи, тоже не достанутся потомкам.

Зная, сколько вредных аллелей в среднем появляется в геноме каждое поколение, мы можем оценить, насколько от этого снижается средняя приспособленность популяции. Эту оценку можно соотнести с долей популяции, которая должна была бы не оставить потомков в результате действия отрицательного отбора.

Полученные таким образом предсказания говорят о том, что, если бы отрицательный отбор действовал на каждую вредную мутацию по отдельности, более 80% людей не должны были бы оставлять жизнеспособное потомство (см. A. Eyre-Walker, P. D. Keightley, 1999. High genomic deleterious mutation rates in hominids).

Очевидно, это не соответствует тому, что мы видим. Такое расхождение между теорией и действительностью может указывать на существование дополнительных механизмов, позволяющих естественному отбору более эффективно удалять из популяций вредные мутации.

Рис. 2. График, показывающий зависимость падения приспособленности (Fitness) от количества вредных мутаций в геноме (Genome contamination) в отсутствие взаимодействий между мутациями (a) и в случае разных сценариев взаимодействия между ними: мутации усиливают влияние друг друга (b, c); мутации ослабляют влияние друг друга (d). Рисунок из статьи A. S. Kondrashov, 1988. Deleterious mutations and the evolution of sexual reproduction

Возможные типы взаимодействий между мутациями

Теоретические предсказания, из которых вытекает парадокс «мутационного груза», основываются на предположении о том, что мутации влияют на приспособленность независимо друг от друга. Но это совершенно необязательно так. В последние годы было описано много примеров взаимодействия между разными мутациями. Ситуация, в которой влияние одной мутации зависит от присутствия другой мутации, называется эпистазом (epistasis).

Если говорить о вредных мутациях в терминах их влияния на приспособленность, можно представить себе три сценария (см. рис. 1):
    1) вредные мутации не взаимодействуют друг с другом и по отдельности вносят вклад в снижение приспособленности;
    2) вредные мутации ослабляют влияние друг друга;
    3) мутации усиливают влияние друг друга.

Два последних сценария соответствуют разным видам эпистаза. Если вредные мутации ослабляют друг друга (сценарий 2), то их совокупное влияние на приспособленность должно быть меньше того, что мы ожидаем увидеть, исходя из их индивидуальных эффектов. В этом случае приспособленность с увеличением числа вредных вариантов в геноме падает медленнее, чем в случае отсутствия эпистаза (линия d на рис. 1).

И, наоборот, если мутация оказывается вреднее в контексте других мутаций (сценарий 3), то падение приспособленности с ростом числа вредных вариантов ускоряется (линии b и c на рис. 1). В этом сценарии особи, несущие большое количество вредных аллелей, были бы непропорционально менее приспособлены и быстро удалялись бы из популяции, что позволяло бы за одну «генетическую смерть» избавиться сразу от значительного числа вредных мутаций.

Таким образом, взаимное усиление эффектов вредных мутаций могло бы разрешить парадокс «мутационного груза». Однако вплоть до последнего времени не было понятно, насколько распространены взаимодействия между отдельными мутациями на геномном уровне и какой тип взаимодействий чаще всего встречается среди вредных аллелей.

Поиск возможных взаимодействий между вредными мутациями через изучение распределения числа вредных мутаций в популяции

Чтобы ответить на вопрос о существовании взаимодействий между вредными мутациями и характере этих взаимодействий, в новой работе, результаты которой были недавно опубликованы в журнале Science, ученые проанализировали распределение числа вредных аллелей на геном в популяциях человека и плодовой мушки Drosophila melanogaster.

Дело в том, что форма распределения числа вредных мутаций на геном в популяции должна зависеть от существования и типа взаимодействий между мутациями. И по форме этого распределения можно судить о том, какой вид взаимодействий встречается чаще всего.

Одним из способов описания распределения, может быть сравнение дисперсии распределения с его средним. Дисперсия распределения — это мера разброса значений, встречающихся в распределении, относительно среднего. При одном и том же среднем, распределение с более высокой дисперсией «шире», чем распределение с низкой дисперсией. Чем ниже дисперсия, тем распределение уже, а значения распределения сильнее сосредоточены вокруг среднего.

В простейшем случае отсутствия эпистаза распределение числа вредных мутаций на геном в популяции должно иметь вид распределения Пуассона. Чтобы понять, почему это так, можно представить себе, что мы независимо разбрасываем мутации в случайные позиции генома. Вероятность того, что мутация попадет в конкретную позицию генома, очень мала, а мутации происходят независимо друг от друга. Тогда вероятность того, что в данном геноме («в данной серии испытаний») окажется N мутаций, можно вычислить по формуле Пуассона с параметром λ равным среднему количеству мутаций на геном. Из свойств распределения Пуассона вытекает, что его дисперсия равна среднему.

Теперь представим, что мутации усиливают вредные эффекты друг друга. В этом случае отрицательный отбор будет быстрее очищать популяцию от особей, несущих большое число вредных мутаций. Это должно приводить к тому, что популяция будет обеднена геномами с большим количеством вредных аллелей. И если мы посмотрим на распределение числа вредных мутаций на геном в этом случае и сравним его с «нулевым» распределением, которое бы ожидалось в отсутствие эпистаза, то это распределение должно быть обрезано справа (рис. 2, сравните серую и красную гистограммы). В статистических терминах это означает, что дисперсия такого распределения должна быть меньше среднего. Эта идея и лежит в основе обсуждаемой статьи.

Рис. 3. Сравнение ожидаемой формы распределения числа вредных мутаций на геном в популяции в отсутствие взаимодействия между вредными мутациями (мутации независимы друг от друга — нулевая модель, серый), в случае «усиливающих взаимодействий» (красный) и в случае ослабляющих взаимодействий или существования других причин, увеличивающих дисперсию распределения (синий). В случае усиливающих взаимодействий доля особей с большим числом вредных мутаций меньше, чем в нулевой модели. «Недопредставленность» особей с большим количеством вредных мутаций выражается в том, что меньшая часть популяции находится в правой части («хвосте») распределения. В результате распределение в случае усиливающих взаимодействий смещено влево относительно распределения в случае отсутствия таких взаимодействий. Обратите внимание на более тяжелый хвост серого распределения по сравнению с красным. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

«Усиливающие» взаимодействия между вредными мутациями в популяциях человека и плодовой мушки

Авторы проанализировали распределение числа вредных мутаций на геном в нескольких популяциях человека и плодовой мушки D. melanogaster. Для этого были использованы данные по полногеномному секвенированию (см. Whole genome sequencing) особей из этих популяций.

В работе рассматривались только мутации, затрагивающие белок-кодирующие гены, поскольку такие мутации можно относительно просто разделить на классы по их влиянию на функцию белка. Мутации, попадающие в белок-кодирующие участки генома, делятся на синонимические, несинонимические и нонсенс-мутации. Синонимические мутации не приводят к замене аминокислоты и считаются наиболее нейтральным классом мутаций. Вызывающие замену аминокислотного остатка в белке несинонимические мутации в среднем гораздо более вредны. Но значительно более вредный класс мутаций — нонсенс-мутации, самые редкие в этой классификации. Мутации этой группы приводят к появлению преждевременного стоп-кодона в последовательности гена, что вызывает досрочное прекращение трансляции белка и выражается в отсутствии функционального белкового продукта.

Чтобы сосредоточиться на анализе наиболее вредных аллелей, авторы аппроксимировали количество вредных мутаций в геноме каждой особи числом нонсенс-мутаций. Затем для каждой выборки было получено распределение количества нонсенс-аллелей на геном и рассчитаны среднее и дисперсия этого распределения. Было показано, что дисперсия распределения числа нонсенс-аллелей на геном во всех рассмотренных выборках меньше, чем его среднее (рис. 3, 4). То есть распределение числа нонсенс-аллелей на геном более узкое, чем распределение Пуассона с таким же средним. Или, проще говоря, мы видим меньше особей с большим количеством нонсенс-аллелей, чем ожидали бы увидеть в нулевой модели отсутствия взаимодействий между мутациями. Таким образом, для наиболее вредных мутаций, с высокой вероятностью разрушающих ген, распределение в популяциях человека и плодовой мушки соответствует картине, которая ожидается в случае «усиливающих» взаимодействий между отдельными мутациями.

Рис. 4. Распределение числа нонсенс-мутаций, синонимических и несинонимических мутаций на геном в популяции плодовой мушки D. melanogaster, наложенное на распределение Пуассона (черная линия) с соответствующим средним. Видно, что распределение числа нонсенс-мутаций более узкое по сравнению с ожидаемым распределением Пуассона (дисперсия для нонсенс-мутаций ниже ожидаемой). В то же время распределения несинонимических и синонимических мутаций характеризуются сверхдисперсией (обратите внимание на тяжелый правый хвост этих распределений). Модифицированный рисунок из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Сужение распределения числа нонсенс-мутаций на геном — результат присутствия усиливающих взаимодействий между нонсенс-мутациями

Чтобы убедиться в том, что это наблюдение не является следствием технических артефактов, в качестве контроля рассматривали подвыборки синонимических и несинонимических мутаций c такими же популяционными частотами, как у нонсенс-мутаций.

В первом приближении нонсенс-мутации находятся под действием сильного отрицательного отбора, в то время как синонимические мутации не причиняют значительного вреда и являются, по большей части, нейтральными. Технический шум должен вносить сравнимый вклад в дисперсию как вредных нонсенс-мутаций, так и нейтральных синонимических мутаций. В то же время отрицательный отбор должен оказывать влияние на дисперсию распределения вредных нонсенс-аллелей, но не на дисперсию безвредных синонимических мутаций.

Поэтому в том случае, если «сужение» распределения числа нонсенс-мутаций связано с более эффективным отбором против особей, несущих большое число вредных аллелей, а не какими-то другими причинами, мы ожидаем увидеть контраст между нонсенс-мутациями и синонимическими мутациями. То есть ожидается, что популяция будет «обеднена» особями с большим количеством нонсенс-мутаций, но не особями с большим числом синонимических мутаций.

Поскольку синонимические мутации встречаются значительно чаще по сравнению с нонсенс-мутациями, каждая особь несет гораздо больше синонимических, чем нонсенс-мутаций. В связи с этим среднее значение распределения числа синонимических аллелей на геном в популяции гораздо выше, чем среднее значение распределения числа нонсенс-аллелей. Из-за того, что дисперсия распределения зависит от среднего распределения, мы не можем напрямую сравнивать дисперсию распределения для нонсенс-аллелей и для синонимических вариантов. Чтобы обойти эту проблему, авторы генерировали случайные выборки синонимических мутаций с такими же популяционными частотами, как у нонсенс-мутаций. У такой случайной выборки синонимических мутаций будет в точности такое же среднее, как у распределения нонсенс-аллелей. Для каждой популяции было сгенерировано 1000 выборок синонимических мутаций с такими же средними значениями, как у наблюдаемого распределения нонсенс-мутаций в данной популяции. Для каждой такой выборки рассчитывали дисперсию, что позволило получить распределение ожидаемых значений дисперсии для нонсенс-мутаций. Затем наблюдаемую дисперсию для нонсенс-мутаций сравнивали с ожидаемым распределением дисперсий, полученным на основе контрольных выборок синонимических мутаций.

Такая процедура дает возможность оценить, насколько удивительно то значение дисперсии, которое мы наблюдаем для нонсенс-мутаций, и понять, с какой вероятностью мы ожидаем увидеть такую низкую дисперсию (и такое сужение распределения) по случайным причинам.

С помощью этого анализа было показано, что распределение числа нонсенс-мутаций значимо более узкое, чем контрольные распределения синонимических и несинонимических мутаций (для которых проводили аналогичный анализ) (рис. 4). Это позволило подтвердить «отборную» природу наблюдаемого феномена.

Рис. 5. Отношение дисперсии к среднему для распределения числа нонсенс-аллелей на геном в популяциях человека (GoNL, ADNI, MinE) и плодовой мушки D. melanogaster(DPGP3). Красная линия соответствует наблюдаемому значению отношения дисперсии к среднему для распределения нонсенс-аллелей в данной популяции. В качестве контроля приведены ожидаемые распределения для отношения дисперсии к среднему, полученные путем генерации случайных выборок синонимических (синий) и несинонимических (зеленый) мутаций c таким же распределением популяционных частот, как у нонсенс-мутаций. Видно, что в большинстве случаев дисперсия для нонсенс-мутаций значимо ниже ожидаемой по случайным причинам. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Усиливающие взаимодействия существуют и между несинонимическими мутациями

Кроме того, оказалось, что дисперсия распределения числа несинонимических и синонимических мутаций на геном выше, чем ожидается в нулевой модели (рис. 3, 4). Среди причин, вызывающих повышение дисперсии, могут быть, например, присутствие популяционной структуры (см. Population stratification) в данных или технический шум. В симуляциях и с помощью различных статистических тестов было подтверждено, что повышение дисперсии для синонимических и несинонимических мутаций действительно может быть объяснено популяционной структурой и различными техническими артефактами.

Популяционная структура и технический шум в симуляциях всегда вызывали «повышение» дисперсии, но ни в одном из рассмотренных сценариев не приводили к ее понижению. То есть сужение распределения числа нонсенс-мутаций, вероятнее всего, не может быть объяснено техническими артефактами.

При этом, если контролировать среднее число мутаций, то дисперсия для несинонимических мутаций оказывается выше, чем для нонсенс-мутаций, но ниже, чем для синонимических (рис. 4). То есть мы наблюдаем понижение дисперсии (сужение распределения) с увеличением «вредности» мутаций.

Такое наблюдение указывает на вероятное присутствие «усиливающих» взаимодействий не только среди наиболее вредных нонсенс-аллелей, но и среди гораздо более часто встречающихся несинонимических мутаций. Тем не менее «сверхдисперсия» распределения числа несинонимических мутаций по сравнению с нулевым ожиданием не позволяла сделать такое утверждение.

Авторы предположили, что если эпистатические взаимодействия между несинонимическими мутациями существуют, то они должны быть наиболее сильно выражены среди подмножества самых вредных несинонимических мутаций. В качестве набора несинонимических мутаций, вероятно, оказывающих значительное влияние на приспособленность, были выбраны несинонимические мутации, попадающие в наиболее важные для существования организма гены. И, действительно, если рассматривать только несинонимические мутации в необходимых для организма генах, то в популяциях человека и плодовой мушки наблюдается меньше особей, несущих большое число таких мутаций, чем ожидается при отсутствии «усиливающего» эпистаза.

Кроме того, для плодовой мушки был проведен следующий, более общий анализ. Все гены были разбиты на несколько групп в соответствии со скоростью белковой эволюции. На наиболее медленно эволюционирующие белки действует самый сильный отрицательный отбор. Это значит, что изменения аминокислотной последовательности таких белков, вероятно, вносят большой вклад в снижение приспособленности. Оказалось, что чем ниже скорость эволюции группы генов (то есть, чем гены важнее), тем меньше дисперсия количества несинонимических мутаций в этой группе. При этом подобная зависимость от «степени необходимости» генов отсутствует для синонимических мутаций. По всей видимости этот результат указывает на то, что «усиливающие» взаимодействия сильнее выражены среди более вредных мутаций.

Таким образом, в обсуждаемой работе было показано, что в популяциях человека и плодовой мушки недопредставлены особи с большим количеством вредных мутаций. Наблюдаемое явление, вероятнее всего, является следствием «усиливающих» эпистатических взаимодействий между вредными мутациями. Существование таких взаимодействий представляет собой вероятный механизм, позволяющий отрицательному отбору эффективнее очищать популяции от вредных аллелей, и может служить объяснением для «парадокса мутационного груза».

Синергический эпистаз и половое размножение

Помимо того, что описанные результаты помогают лучше понять, как популяции живых существ противостоят постоянному притоку вредных генетических изменений, они важны и в свете другого вопроса в эволюционной биологии — вопроса о причинах существования полового размножения.

Несмотря на то, что половое размножение преобладает среди эукариот, а переходы к бесполому размножению обычно приводят к быстрому вымиранию группы организмов, эволюционные биологи до сих пор спорят о том, почему же половое размножение необходимо для долгосрочного эволюционного успеха вида.

Среди получивших широкую поддержку теорий есть гипотеза о том, что в случае полового размножения рекомбинация обеспечивает более эффективный отбор против вредных мутаций. При бесполом размножении мутация всегда остается в том геномном контексте, в котором она произошла. Рекомбинация, происходящая при половом размножении, разрушает сцепление между мутациями и создает новые комбинации мутаций. В таком случае появляется возможность «собрать» много вредных мутаций в одном геноме и за одну «генетическую смерть» значительно понизить «груз вредных мутаций» в популяции.

По сравнению с половой популяцией, в которой рекомбинация каждое поколение расширяет распределение числа вредных мутаций на геном, в бесполой популяции меньше особей как с очень маленьким, так и с очень большим числом мутаций. То есть рекомбинация увеличивает дисперсию распределения числа мутаций на геном, в результате чего в популяции появляются как особи, несущие очень мало вредных мутаций, так и особи, несущие много вредных мутаций (A. S. Kondrashov, 1988. Deleterious mutations and the evolution of sexual reproduction). Среднее число вредных мутаций при этом не меняется.

«Усиливающие» взаимодействия между вредными мутациями обеспечивают наиболее эффективный отбор против особей с самыми «загрязненными» мутациями геномами, а рекомбинация создает «избыток» таких особей. Получается, что рекомбинация каждое поколение «расширяет» распределение числа вредных мутаций на геном, что позволяет отрицательному отбору затем более эффективно его «сузить».

Благодаря рекомбинации каждое поколение в популяции появляются особи, в геномах которых «сосредоточено» большое число вредных мутаций. В присутствии «усиливающих» взаимодействий это позволяет за меньшее по сравнению с бесполой популяцией число «генетических смертей» удалить то же самое количество вредных мутаций и делает существование рекомбинации выгодным.

Таким образом, присутствие «усиливающих» взаимодействий между вредными мутациями, которое было показано в обсуждаемой работе, можно рассматривать как весомый аргумент в поддержку гипотезы о необходимости полового размножения для эффективного отбора против вредных мутаций.

Источник: M. Sohail, O. A. Vakhrusheva, J. H. Sul, S. L. Pulit, L. C. Francioli, Genome of the Netherlands Consortium, Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative, L. H. van den Berg, J. H. Veldink, P. I. W. de Bakker, G. A. Bazykin, A. S. Kondrashov, S. R. Sunyaev. Negative selection in humans and fruit flies involves synergistic epistasis // Science. 2017. V. 356. P. 539–542. DOI: 10.1126/science.aah5238.

См. также:
1) A. S. Kondrashov. Contamination of the genome by very slightly deleterious mutations: why have we not died 100 times over? // Journal of Theoretical Biology. 1995. V. 175. P. 583–594.
2) Y. Lesecque, P. D. Keightley, A. Eyre-Walker. A Resolution of the Mutation Load Paradox in Humans // Genetics. 2012. V. 191. P. 1321–1330.

Ольга Вахрушева