Неидеальный человек: Почему эволюция оставила нам болезни, ошибки ДНК и уязвимости - Лоуренс Херст

порог — чуть больше одной вредной мутации на геном за поколение. Но мы скорее исключение. Лабораторные дрозофилы всегда размножаются половым путем, хотя их показатель немного не дотягивает до единицы. У большинства видов с обширными популяциями и быстрой сменой поколений цифра тоже ниже критической. Изучение взаимодействия мутаций тоже не принесло однозначных доказательств. Некоторые вредные мутации действительно усиливают эффект друг друга, как предсказывает теория. Но далеко не все.

Из-за таких результатов теорию уже не считают универсальным ключом к загадке полового размножения. Остается ли она хотя бы частью разгадки? Трудно сказать. Ведь критический порог «одна мутация на геном» имеет значение, только если других преимуществ у полового размножения нет.

А вот модель храповика Мёллера проверку временем выдержала куда лучше. Показательный эксперимент провели с бактерией Salmonella typhimurium. Начали с 444 независимых линий: каждую выращивали на агаровой пластинке, затем случайным образом отбирали одну бактерию и переносили на свежую пластинку. Цикл «вырасти–выбери–перенеси» повторяли ежедневно для всех 444 линий на протяжении 60 дней. От каждой отобранной бактерии за день получалось около 28 клеточных делений, в сумме примерно 1700 поколений. Такая схема дала два важных следствия. Во-первых, бактерии были вынуждены размножаться исключительно бесполым путем. Во-вторых, отбор единственной бактерии с последующим восстановлением популяции и новым отбором создавал мощный случайный дрейф — именно тот процесс, который в храповике Мёллера приводит к потере самых приспособленных особей.

Результаты подтвердили прогнозы Мёллера. Из 444 линий пять штаммов к концу эксперимента росли значительно медленнее. В норме этой бактерии требуется 23,2 минуты на одно деление клетки, но у этих пяти штаммов время деления увеличилось и составило от 25 до 47,5 минуты. При этом ни в одной линии скорость роста не повысилась. Исследователи пришли к выводу, что малый размер популяций действительно привел к деградации генома.

Похожий эксперимент с небольшими отличиями провели на пекарных дрожжах Saccharomyces cerevisiae. Здесь исследователи каждый день брали строго определенный объем культуры и переносили его в свежую пробирку. Такое фиксированное разведение гарантировало, что переносится лишь горстка клеток, причем их число от пересева к пересеву неизбежно падало, если дрожжи росли плохо. Если мутационный коллапс действительно существует, в этом эксперименте он должен предстать во всей красе. За 175 дней ежедневных пересевов дрожжи успели поделиться около 2900 раз. А поскольку теория утверждает, что храповик Мёллера набирает обороты при высокой частоте мутаций, ученые запустили две параллельные серии экспериментов: в одной использовали штамм-мутатор с повышенной частотой мутаций, в другой — обычный штамм с низкой частотой.

Из 12 исходных линий две полностью вымерли, и обе принадлежали к штамму с высокой частотой мутаций. В одном случае вымирание явно произошло из-за резкого падения приспособленности, вызванного переносом слишком малого числа клеток. Поскольку ученые замораживали образцы на каждом этапе эксперимента для последующего анализа, они смогли проверить, насколько закономерным было это вымирание. Результат оказался поразительным: всякий раз, когда эксперимент запускали заново от популяции, только что пережившей резкий спад приспособленности, линия неизбежно вымирала. Но если брали популяцию из заморозки до момента критического падения, никакого вымирания не происходило. Выходит, храповик Мёллера не просто снижает приспособленность — если численность популяции падает вместе с приспособленностью, начинается необратимый коллапс.

Храповик Мёллера — далеко не единственная беда бесполого размножения. Проблемы усугубляет еще одно обстоятельство: без рекомбинации и обмена участками ДНК полезная мутация, возникнув однажды, может распространиться по популяции и рано или поздно ее унаследуют все потомки. Казалось бы, прекрасно. Вот только без рекомбинации все эти счастливые обладатели полезной мутации получат в нагрузку весь остальной генетический багаж исходного генома бесполого предшественника. В итоге вся популяция становится генетически однородной. Перед нами тот самый «генетический автостоп», о котором шла речь в шестой главе. Когда все особи идентичны, сколько бы их ни было физически, с генетической точки зрения популяция состоит из одного-единственного индивида. Эффективный размер популяции обрушивается до минимума. А мы уже знаем: когда эффективный размер популяции мал, мутации, наносящие незначительный вред, неизбежно накапливаются.

Эксперименты — это, конечно, замечательно, но действительно ли половое размножение помогает нам выживать и справляться с вредными мутациями? К счастью, природа сама поставила для нас элегантный естественный эксперимент. Y-хромосома — крупная хромосома, которая, за исключением самых кончиков, не участвует в обмене ДНК. У всех остальных хромосом происходит кроссинговер — обмен участками ДНК между материнской и отцовской хромосомами при образовании половых клеток. Y-хромосома ведет себя как бесполый геном, затаившийся внутри полового вида.

Если половое размножение и кроссинговер действительно защищают от накопления вредных мутаций, Y-хромосома должна выбиваться из общего ряда. На ней должны быть видны следы генетической деградации. Так и есть. Сегодня на Y-хромосоме осталось совсем мало работающих генов, зато мы видим руины прежних — генов, выведенных из строя мутациями: преждевременными стоп-кодонами, вставками и выпадениями участков ДНК.

Еще интереснее увидеть этот процесс в действии. Плодовая мушка Drosophila miranda предоставляет нам такую возможность. У нее есть совсем молодой участок Y-хромосомы, настолько недавний, что его называют нео-Y. Ему меньше двух миллионов лет. Как и следовало ожидать, генетическое разнообразие на нео-Y крайне скудное, а многие из уцелевших генов несут серьезные повреждающие мутации. О том, что естественный отбор здесь работает слабо, говорит и другое: белки, кодируемые генами нео-Y, эволюционируют быстрее обычного и сильнее отличаются от белков ближайших родственных видов.

Следы спасительных операций кроссинговера — генетической перетасовки при формировании половых клеток — видны по всему нашему геному. Возьмем участки ДНК с активной рекомбинацией: там царит генетическое разнообразие, потому что попутный отбор («генетический автостоп») не может диктовать свои условия. И наоборот: в нерекомбинирующих центромерах все люди удивительно похожи друг на друга. Максимальные же различия между нами обнаруживаются на кончиках хромосом, там, где рекомбинация бьет ключом.

Итак, половое размножение спасает от мутационной деградации, особенно если речь о видах с небольшим эффективным размером популяций. Но это, разумеется, не единственное его преимущество. Главное, что делает половое размножение, — перетасовывает геномы. Благодаря этому полезные мутации могут вырваться из того генетического окружения, в котором возникли. После перетасовки полезная мутация оказывается в случайном геномном контексте, где естественный отбор может беспристрастно оценить ее достоинства в сравнении с другими вариантами того же гена, а не по компании генов-соседей, с которыми ей довелось появиться. У бесполых организмов все иначе: если полезная мутация возникает в никудышном геноме, она навсегда остается его пленницей. Шансов распространиться в популяции у нее практически нет, как бы полезна она ни была.

Перетасовка генома, по-видимому, обеспечивает еще одно важнейшее преимущество полового размножения — способность не