Эволюционное преимущество генетической рекомбинации впервые измерено количественно

Исследователи UAB впервые количественно оценили один из важнейших и труднее всего измеряемых феноменов молекулярной эволюции: влияние генетической рекомбинации на способность вида к адаптации.

Генетическая рекомбинация — это обмен родительским генетическим материалом, приводящий к новым генетическим комбинациям у потомства. Это практически универсальное явление у живых существ. У половых организмов рекомбинация происходит во время мейоза. Но в чём конкретно её преимущество? Данная работа показывает, что генетическая рекомбинация облегчает адаптацию, и впервые оценивает эволюционную стоимость её отсутствия или снижения в геноме.

Судьба новой мутации в геноме зависит не только от её адаптивного преимущества или недостатка, но и от хромосомного контекста, в котором она появляется. Если новая отбираемая мутация окружена другими, также подвергающимися отбору, эти мутации будут интерферировать (конкурировать) друг с другом, так как они не сегрегируют независимо. Это делает естественный отбор менее эффективным, когда он действует одновременно на разные сцепленные участки. Данное явление известно как интерференция Хилла-Робертсона.

В предыдущей работе, опубликованной в журнале Nature, авторы доказали, что естественный отбор повсеместен в геноме плодовой мушки Drosophila melanogaster. Это означает, что в любой момент времени в геноме присутствуют сцепленные генетические варианты, подвергающиеся отбору одновременно, и поэтому отбор будет субоптимальным из-за стоимости сцепления.

Если стоимость сцепления существует, то там, где рекомбинация низка, будет выше плотность селективных вариантов, которые не сегрегируют свободно, снижая эффективность отбора и, следовательно, скорость адаптации. И наоборот, регионы с большей частотой рекомбинации будут демонстрировать более высокие скорости адаптации.

Используя сложные статистические методы популяционной генетики, исследователи обнаружили очень положительную корреляцию между рекомбинацией и адаптацией, что подтверждает существование стоимости сцепления в геноме.

Сюрпризом стало то, что изначально линейная зависимость между рекомбинацией и адаптацией сходилась к асимптотическому порогу, начиная со значений рекомбинации, равных или выше 2 cM/Mb (сантиморган на мегабазу). Это указывает на существование порогового значения рекомбинации, за пределами которого геномная адаптация достигает максимума.

Существование этого порога имеет два важных следствия:

1. Стоимость сцепления исчезает за пределами определённого значения рекомбинации. Бесконечная скорость рекомбинации не увеличит скорость адаптации генома больше, чем значение в 2 cM/Mb (оценочный порог).
2. Асимптота устанавливает оптимальный потолок для скорости адаптации генома, её значение является оценкой оптимальной скорости адаптации в отсутствие стоимости сцепления.

Определив оптимальную ситуацию, можно оценить стоимость сцепления для генома. Исследователи обнаружили, что геном D. melanogaster имеет скорость адаптации примерно на 27% ниже оптимальной — той скорости, которую он имел бы, если бы эффекты мутаций не интерферировали друг с другом.

Эта работа, которая будет опубликована в январе в престижном журнале Molecular Biology and Evolution, также включала изучение влияния других геномных детерминант, таких как скорость мутации и плотность генов, на скорость геномной адаптации.