Факторы, влияющие на изменение генетической структуры популяции

Факторы динамики генетической структуры популяции

Главная причина отклонения частот генотипов от теоретически предсказанных уравнением Харди-Вайнберга — это процессы, реально протекающие в популяциях и влияющие на их генетическую структу­ру. Опишем их последовательно.

Гибридизация

Популяции одного вида не изолированы друг от друга, всегда есть обмен особями — миграция. Следствием миграции является гибридизация популяции. Мигрирующие особи, оставляя потомство, передают следующим поколениям аллели, которых в этой популяции могло вовсе не быть или они были очень редкими. Так формируется поток генов из одной популяции в другую. Миграции ведут к увеличению генетического разнообразия. Кроме того, поток генов, связывающий популяции, приводит к их генетическому сбли­жению, сходству.

Изменение частоты того или иного гена в популяции вслед за появлением в ней индивидуумов из другой популяции зависит от числа иммигрантов и частоты данного гена среди них. Но это спра­ведливо только в случае, если отсутствуют какие-либо барьеры для панмиксии. В то же время, когда две популяции вступают в контакт друг с другом, они крайне редко образуют новую панмиктическую единицу, особенно если между этими популяциями имеются отчётливые различия по физическим признакам. Так, во второй половине XX века примесь генов белых среди американских негров составляла всего 25 %, а среди бразильских — 40 %. Впрочем, иногда даже незначительный приток новых генов может иметь медицинские последствия. Например, среди народностей Китая крайне редко встречается гемолитическая болезнь новорождённых, поскольку подавляющее большинство жителей резус-положительны. После увеличения числа браков между иммигрантами из США, привнёсшими в популяцию резус-отрицательный генотип, частота резус-конфликта среди китайцев заметно повысилась.

Дрейф генов

Под дрейфом генов понимают случайные изменения частот генов, вызванные конечной численностью популяции. В результате генного дрейфа генофонд популяции может совершенно случайным образом измениться в сторону повышения частоты одних аллелей и снижения частоты других. Это явление наиболее выражено в небольших популяциях, например в изолятах. Математически возможность влияния случайности как эволюционного фактора изучил С. Райт, поэтому дрейф генов иначе именуется эффектом Райта. Чтобы понять, как возникает генный дрейф, приведём следующий теоре­тический (модельный) пример.

Рассмотрим популяцию минимально возможной численности — один самец и одна самка. Представим себе, что самка имеет генотип А1А2, а самец — А3А4. Таким образом, в начальном (нулевом) поколении частоты аллелей А1, А2, А3 и А4 равны 0,25 (25 %) каждая. Особи следующего поколения могут с равной вероятностью иметь один из следующих генотипов: А1А3, А1А4, А2А3 и А2А4. Допустим, что скрещивание произойдёт между самкой с генотипом А1А3 и самцом с генотипом А2А3. Это один из случайных вариантов распределения аллелей и он приведёт к появлению в популяции генотипов А1А2, А1А3, А2А3 и А3А3. Тогда в первом поколении их потомков аллель А4 теряется, аллели А1 и А2 сохраняют те же частоты, что и в исходном поколении — 0,25 и 0,25, а аллель А3 увеличивает частоту до 0,50. Во втором поколении самка и самец тоже могут иметь любые комбинации родительских аллелей, например А1А2 и А1А2. В этом случае окажется, что аллель А3, несмотря на большую частоту, исчезла из популяции, а аллели А1 и А2 увеличили свою частоту (р1 = 0,50, р2 = 0,50). С точки зрения теории, колебания их частот в конце концов могут привести к тому, что в популяции останется либо аллель А1, либо аллель А2; иными словами, и самец и самка окажутся гомозиготными по одному и тому же аллелю (А1 или А2). Ситуация могла сложиться и так, что в популяции остались бы аллели А3 или А4. Таким образом, гены могут фиксироваться или утрачиваться, причём этот процесс — случайный.

Описанный процесс дрейфа генов имеет место в любой многочисленной популяции, с той лишь разницей, что события развиваются с гораздо меньшей скоростью, чем при малой численности особей. Генный дрейф, по-видимому, растягивается на тысячелетия. В конечном итоге популяция теряет генетическую изменчивость со скоростью, обратно пропорциональной её численности. Например, если в миллионной популяции присутствует аллель с частотой 1%  (q=0,01), то число носителей составит 10000 человек, а если популяция составляет 100 человек, то в ней — всего 1 носитель данной аллели. Если он умрёт из-за несчастного случая, не дав потомства, то ген будет в данной популяции утерян в силу случайных причин. Это способствует тому, что со временем какие-то аллели среди людей становятся редкими, а иногда и вовсе исчезают.

Если же популяция разделяется на две или большее число новых независимых популяций, то дрейф генов ведёт к нарастанию разли­чий между ними: в одних популяциях остаются одни аллели, а в дру­гих — другие. Это явление получило название принципа основателя, а такие отделившиеся популяции именуются пионерскими. В результате скрещивания внутри разделённых популяций нарастают генотипи­ческие различия между ними, которые неминуемо проявляют себя фенотипически, в виде различных форм тела, лица, цвета кожи и раз­реза глаз, а также в виде активности ферментов, склонности к тем или иным заболеваниям или особенностям психологии.

Структура популяций человека в далёком прошлом (предпола­гается, что в палеолите человеческие сообщества не превышали не­скольких сотен человек) создавала подходящие условия для случайного дрейфа генов. Учитывая, что группы, которые покидали основную популяцию и мигрировали в поисках лучших условий оби­тания или пищевых ресурсов, по-видимому, были ещё малочислен­нее, возрастала вероятность того, что новые территории осваивались людьми, в генотипе которых определённые гены были очень редки­ми. Если такая популяция оказывалась в благоприятных (соответ­ственно своему генотипу) условиях, она процветала и её численность возрастала. Вместе с ней возрастала численность её уникального набора генов. Если же ситуация оказывалась неблагоприятной, то по­пуляция была обречена на вырождение и вымирание. В таком случае её последним шансом было присоединение к другой популяции. При этом, очевидно, имели место генетические процессы, которые описы­ваются как гибридизация. Другой важнейший процесс, который противодействует потере изменчивости и способствует возникновению
новых признаков, которые могут оказаться как неблагоприятными, так и полезными — это мутации.

Мутации

В популяции в процессе гибридизации могут появляться условно «новые» гены, привнесённые иммигрантами, но новые гены в полном смысле этого слова могут возникать только вследствие мутаций. Таким образом, мутации — главный источник изменчивости в популяции. Мутацию определяют как наследуемое изменение. Мутации могут возникнуть в любой мент, но наиболее вероятно их появление в активно делящихся клетках. Наиболее важны мутации в половых клетках — гаметах. Если говорить о спонтанных точечных (генных) мутациях, то их происхождение связывают с ошибочным копированием информации при удвоении (репликации) цепей ДНК.

Например, если бы в нуклеотидной последовательности «-ТСТ-ТGG-», кодирующей участок полипептидной цепи «-серин-триптофан-», первый нук­леотид первого кодона Т в результате мутации был заменён и передался ребёнку как G, то в соответствующем участке аминокислотной цепи белка, синтезирующегося в организме ребёнка, вместо серина будет расположен аланин, поскольку его кодирует триплет GСТ, согласно генетическому коду. Это приведёт к изменению структуры белка и, весьма вероятно, его функции, а значит, и фенотипического признака. Регулярно возникающие мутации и образовали в длинном ряду поколений всех обитающих на Земле видов то гигантское генетическое разнообразие, которое мы сейчас наблюдаем.

Вероятность, с которой происходит мутация, называется часто­той, или темпом мутирования. Для единичного локуса эта величина составляет в среднем 1 на 100000 половых клеток. Одни гены мутируют чаще, другие — реже. Темпы мутирования разных генов варьи­руют от 10-4 до 10-7 на поколение, т. е. различия в темпе мутирования достигают 1000 раз. Для каждого конкретного локуса представленные величины кажутся незначительными. Однако следует учесть, что, во-первых, геном человека содержит около 20000 генов, и в каждом из них возможна мутация. Во-вторых, в человеческом организме милли­арды клеток. В-третьих, человеческая популяция имеет значительную постоянно растущую численность, а вероятность возникновения той или иной мутации в популяции в данный момент времени возрастет пропорционально числу её представителей. У каждого конкретного человека за всю его жизнь в соматических клетках возникает в общей сложности около 200 мутаций. На Земле одновременно проживают миллиарды людей, поэтому мутации в гаметах, хотя они и являются относительно редким явлением, имеют значение для генофонда в целом. Часть гамет всегда несёт мутантные аллели, и практически в каждом поколении появляется какое-то число особей с мутациями. Их судьба зависит от того, насколько сильно эти мутации влияют на приспособленностъ и плодовитость индивидуумов.

Мутантные гены чаще всего бывают рецессивными. Объясняется это вредным действием большинства мутаций. Неблагоприятные эффекты мутаций частично компенсируются наличием в геноме дикого аллеля (так называют исходный, немутировавший аллель). Мутации постоянно повторяются, поэтому в генофонде популяции их число более или менее постоянно. Это связано с тем, что существуют участки генома, в которых вероятность мутаций всегда выше по сравнению со всем геномом. В то же время, мутации — это не только весьма редкое явление, но и обратимое, т. е. возможны обратные му­тации, возвращающие генотип к дикому типу. Это вполне понятно — если в каком-то участке генома при репликации ДНК часто возника­ют ошибки, то при последующих делениях такие ошибки, возникая вновь, могут случайным образом привести к восстановлению исход­ной последовательности ДНК.

В генетике существует понятие антимутационного барьера — одним из таких механизмов является репарация, т. е. восстановление ошибок в ДНК, осуществляемое системой специальных репарацион­ных ферментов. ДНК-полимераза, главный фермент, удваивающий ДНК, также обладает способностью частично исправлять возникаю­щие ошибки. Важным антимутационным барьером является также вырожденность генетического кода и то обстоятельство, что гены за­нимают не более 5 % всей ДНК. В силу этого замена од­ного нуклеотида в большинстве случаев может никак не повлиять на структуру кодируемого белка. В целом, мутационный процесс ведёт к увеличению генетической изменчивости популяций, противодействуя эффекту дрейфа генов.

Отбор

Различия в плодовитости, выживаемости и половой ак­тивности приводят к тому, что одни особи оставляют больше поло­возрелых потомков, чем другие, с иным набором генов. Различный вклад особей с разными генотипами в воспроизводство популяции называют отбором. Естественный отбор действует на генотипы не непосредственно, а через фенотипы.

Если некий индивидуум обладает адаптивными преимуществами в данной популяции, предоставляющими ему бóльшие возможности, то можно ожидать, что такой индивидуум оставит большее потомство. Если различие в признаках имеет генетическое происхождение, то гены, его определяющие, передадутся большому числу потомков, которые с большой вероятностью будут их распространять в популяции вместе со своим адаптивным преимуществом. Таким образом, между фенотипом и генотипом существуют реципрокные (взаимодополняющие) взаимодействия. Вдобавок, на поведенческом уровне особи, так или иначе — осознанно или неосознанно, способствуют выживанию своих родственников.

В результате этого процесса адаптивные гены получают распространение, а дефектные аллели имеют тенденцию к постепенной элиминации из популяции. Однако эффект, который создавал преимущество, может стать неблагоприятным, поскольку новый ген может создать ещё большие преимущества в данной среде, или если сама среда изменяется до такой степени, что возникают новые требования и, соответственно, другие гены приобретают адаптивный характер.

По последним данным, в результате естественного отбора в разных популяциях людей преимущественное распространение получили разные мутации. То есть в определённом месте генома у большинства членов этой популяции происходит одна и та же замена нуклеотида. На данный момент выявлено 582 гена, которые несут разные мутации у представителей разных популяций. Около 50 из них связаны с теми или иными заболеваниями или регулируют обмен веществ. Так, часть генов отвечает за выработку инсулина, расщепление сахаров и крахмала, транспорт жиров, метаболизм этанола, иммунный ответ и так далее. Мутации в генах, отвечающих за обмен веществ, могут быть связаны с различными пищевыми пристрастиями в различных популяциях. Вероятнее всего, какие-то пионерские популяции, небольшие по численности, распространяясь по земному шару, уносили с собой свои варианты генов, впоследствии размножались и формировали большие популяционные группы, которые сегодня рассматриваются как этнографические или расовые варинты. Их морфология, физиология и психология оказывались наиболее соответствующими условиям среды — пищевой базе, географическим характеристикам, климату и т. д.

В популяции могут распространяться как доминантные, так и рецессивные гены, но доминантные адаптивные гены, очевидно, будут распространяться быстрее, поскольку адаптивное преимущество будет распространяться и на гетерозигот. По той же причине вредный доминантный ген будет элиминироваться из популяции быстрее, чем вредный рецессивный. Таким образом, на уровне сегодняшних генетических знаний можно сказать, что теория эволюции Дарвина остаётся верной, но следует уточнить её в том смысле, что эволюционируют не виды, а генофонды. Эволюцию как таковую с этих позиций можно определить как необратимое изменение генофондов популяций во времени. Совершается она путём накопления мутационных изменений ДНК, возникновения генов, кодирующих белки с новыми свойствами.

Влияние среды на генетическую структуру популяции

То, какое значение имеет среда, демонстрируется следующим примером. Существует такое наследственное заболевание, как серповидноклеточная анемия. При данном заболевании эритроциты крови имеют причудливую форму и очень легко подвергаются гемолизу. Заболевание является рецессивным, доказано, что дефект гена приводит к замене глутаминовой кислоты на валин в 6-м положении полипептидной β-цепи гемоглобина, что и влечёт за собой описанные выше последствия. Такие больные страдают от гемолиза крови и часто умирают, не достигнув половой зрелости. В то же время, у их гетерозиготных родственников серповидноклеточностъ эритроцитов выявляется только при специальной обработке мазка, а клинически выраженный гемолиз не выявляется.

Поскольку смертность гомозиготных особей высока, возникает вопрос, за счёт чего данный полиморфизм устойчиво поддерживается в человеческой популяции уже много тысячелетий. В своё время А. Эллисон, обследуя жителей Уганды, пришёл к выводу, что такой очевидный дефект гемоглобина даёт им определённое адаптивное преимущество — резистентность к малярии, тяжёлому и весьма распространённому в Центральной Африке заболеванию, которое может стать причиной смерти значительной части заболевших. Малярия и сегодня в этом регионе является серьёзной проблемой здоровья населения, а в мире от малярии по-прежнему ежегодно умирают миллионы человек. В то же время, среди потомков африканцев, попавших в Северную Америку и поселившихся в безмалярийном регионе мира, частота гена серповидноклеточности упала за сотни лет в несколько раз. Очевидно, исчезло адаптивное преимущество гетерозигот, а постепенный случайный переход гена в гомозиготное состояние привёл к его элиминации.

Таким образом, генетически обусловленные варианты белков не всегда можно трактовать как «лучшие или худшие», всё зависит от условий обитания, а иногда ещё и привычек, поведенческих стерео­типов. Ген, играющий ключевую роль в развитии астмы у жителя Индии, может оказаться совершенно не важным для человека, давно живущего в США, потому что гигиенические условия, характер пи­тания и многие другие факторы будут иными. Гены, предрасполагающие к гипертонии у белых, могут не совпадать с таковыми у чёрных иммигрантов, поскольку, хотя они и живут в одинаковых условиях, среди чёрных могут иметь место поведенческие особенности, сказывающиеся на характере питания, например, потреблении соли.

Интерес, в связи с этим, представляет распространение групп крови среди различных народов, населяющих изолированные континенты. Действительно, в разных регионах мира частоты групп крови системы АВ0 заметно различаются. В своё время Э. Форд и Дж. Холдейн объяснили этот факт различной иммунной устойчивостью лиц с различными группами крови к таким в прошлом распространённым заболеваниям, как оспа и чума. Вирус оспы может не узнаваться иммунной системой людей с группой II (А), а возбудитель чумы — людьми с группой крови I (0). Там, где свирепствовала оспа (Америка, Индия, Аравия, Африка), в первую очередь умирали люди со 2-й группой крови, а в Азии, где эндемичны и чума, и оспа, выживали в основном лица с 3-й группой крови. И до сегодняшнего дня распределение генотипов по системе АВ0 в этих регионах отражает упомя­нутые закономерности. Итак, наличие той или иной группы крови системы АВ0 может обеспечить иммунную защиту организма от определённых заболеваний.

Такие примеры наглядно показывают, как индивидуальные раз­личия в ДНК приводят к различиям в наследственной приспособлен­ности особей к разным условиям среды. С другой стороны, мысль о том, что белки организма нельзя трактовать как лучшие или худшие, имеет далекоидущие последствия. В конечном итоге, всё, что отли­чает нас от других людей (цвет кожи, волос, разрез глаз, форма чере­па или высокий показатель IQ) — это результат действия каких-то белков, структурных или ферментных. Для одних показателей биоло­гический компонент является критически важным моментом, для других — выполняет относительно небольшую роль, в то время как влияние среды и воспитания является решающим. При этом то, что является ценным для жителей Европы, может оказаться бесполезным в Центральной Африке, и наоборот. Это замечание особенно важно для тех случаев, когда генетическими различиями оправдываются различный уровень экономического развития или способность усваи­вать нравственные ценности. Если речь идёт о полигенных призна­ках, то отбор, как правило, затрагивает их все и может вести к формированию ассоциаций аллелей разных генов. Анализ эволюционных изменений мультифакториальных признаков осложняется тем, что они сильно зависят от состояния окружающей среды.

Отбор действует постоянно, в том числе и в современном мире. Так, по данным середины прошлого века, в Англии не менее 15 % беременностей прерываются в самом начале, 3 % всех продолжавшихся беременностей завершаются мертворождением, в период новорождённости гибнет ещё 2 %, примерно 3 % не доживают до половой зрелости, из выживших половозрелых особей 20 % не вступают в брак и примерно 10 % из тех, кто вступил в брак, не имеют детей. Так природой даже в развитом обществе из процесса воспроизводства отсекается довольно значительная часть особей. Ещё больше этот процесс выражен в традиционных сообществах, например, в странах Африки, где многие племена продолжают существовать в природной, не изме­нённой цивилизацией, среде. Однако современные медицинские клеточные технологии вмешиваются в этот процесс, особенно в развитых странах, с высоким уровнем технологий и здравоохранения. При этом срабатывают, очевидно, другие факторы отбора (например, экономи­ческая составляющая), позволяющие отдельным людям активнее пользоваться благами цивилизации. Эти тенденции ещё предстоит глубже понять с позиций биологии человека.

Источник: Розанов, В. А. Биология человека и основы генетики: Учебное пособие / В. А. Розанов. – Одесса: ВМВ, 2012. – 435 с.

Другие связанные статьи:

Генетическая структура популяции человека и её характеристика

Частота генотипа в популяционной генетике человека

Инбридинг, аутбридинг и система браков

Генетический мозаицизм и химеризм у человека

Ответить

Ваш e-mail не будет опубликован.

Вы можете использовать HTML- теги и атрибуты:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>