Жизненные стратегии могут влиять на скорость мутаций ДНК у самцов сильнее, чем у самок

Впервые ученые использовали данные масштабного секвенирования ДНК для проверки давнего эволюционного предположения: скорость мутаций ДНК зависит от набора видовых жизненных стратегий. К ним относятся скорость метаболизма и время между рождением особи и рождением ее потомства — так называемое время генерации. Команда под руководством Катерины Маковой, доцента биологии Университета Пенсильвании, и первого автора Мелиссы Уилсон Сайрес, аспирантки, использовала данные полногеномного секвенирования для проверки гипотез о жизненных стратегиях у 32 видов млекопитающих, включая человека. Для каждого вида они изучали скорость мутаций, оцененную по скорости замен в нейтрально эволюционирующих сегментах ДНК — участках генетического материала, не подверженных действию естественного отбора. Затем они сопоставили свои оценки с несколькими показателями жизненной истории. Результаты исследования будут опубликованы в журнале Evolution 13 июня 2011 года.

Одно из следствий этого исследования — возможность определить жизненные стратегии вымерших видов. «Корреляции между жизненными стратегиями и скоростью мутаций у существующих видов позволяют разработать обратную гипотезу для древнего вида, по которому у нас есть геномные данные, но нет живых особей для наблюдения», — пояснила Макова. «Таким образом, если у нас есть информация о том, как жизненная история современных видов влияет на скорость мутаций, можно делать выводы о жизненной стратегии вида, вымершего даже десятки тысяч лет назад, просто изучая геномные данные».

Чтобы найти корреляции между жизненной историей и скоростью мутаций, ученые сначала сосредоточились на времени генерации. «Ожидаемая связь между временем генерации и скоростью мутаций довольно проста и интуитивна, — сказала Макова. — Чем больше поколений у вида за единицу времени, тем больше шансов, что что-то пойдет не так; то есть произойдут мутации или изменения в последовательности ДНК». Макова пояснила, что разницу между мышами и людьми можно использовать для иллюстрации того, насколько сильно время генерации может варьироваться от вида к виду. С одной стороны, мыши в дикой природе обычно приносят первый помет уже в возрасте шести месяцев, поэтому их время генерации очень короткое. Люди, с другой стороны, производят потомство, когда им как минимум 15–20 лет, и поэтому имеют более длительное время генерации. «Если посчитать, мы увидим, что у мышей каждые 100 лет равны примерно 200 поколениям, тогда как у людей получается всего пять поколений за 100 лет», — сказала Макова. После сравнения 32 видов млекопитающих ее команда обнаружила, что самым сильным и значимым показателем жизненной истории для скорости мутаций было среднее время между рождением особи и рождением ее первого потомства, объясняющее 40% вариации скорости мутаций между видами.

Команда Маковой также обнаружила, что время генерации влияет на смещение мутаций у самцов — более высокую скорость мутаций ДНК в сперме самца по сравнению с яйцеклеткой самки. «Самки вида рождаются с пожизненным запасом ооцитов, или яйцеклеток. Эти клетки должны разделиться только один раз, чтобы стать способными к оплодотворению», — пояснила Макова. «Однако самцы вида производят сперму на протяжении всей репродуктивной жизни, и, по сравнению с яйцеклетками, сперматозоиды претерпевают гораздо больше репликаций ДНК — гораздо больше шансов для возникновения мутаций». Предыдущие исследователи демонстрировали более высокую скорость мутаций ДНК у самцов млекопитающих, чем у самок — явление, называемое смещением мутаций у самцов. Однако до сих пор никто не показал, что время генерации является основным определяющим фактором этого явления.

Второй признак жизненной стратегии, который исследовала команда Маковой, — это скорость метаболизма (количество энергии, расходуемое животным ежедневно) и его корреляция с генетическими мутациями. Уилсон Сайрес пояснила, что некоторые из 32 тестовых видов команды, такие как землеройки и грызуны, попали в категорию с высоким метаболизмом, а другие, такие как дельфины и слоны, — в категорию с низким метаболизмом. Предыдущие исследователи предполагали, что чем выше скорость метаболизма, тем больше количество мутаций. «Согласно этой идее, сперматозоиды должны быть более подвержены влиянию высокой скорости метаболизма, чем яйцеклетки», — сказала Уилсон Сайрес. «Сперматозоид очень активен и постоянно движется, и, кроме того, его клеточная мембрана не очень плотная. Но яйцеклетка в основном просто сидит на месте и ничего не делает, будучи защищенной более толстой мембраной, похожей на доспехи». Уилсон Сайрес пояснила, что сочетание высокой энергии и слабой защиты делает сперматозоиды более уязвимыми для воздействия свободных радикалов — атомов или молекул с неспаренными электронами, — которые могут увеличивать количество мутаций. «Гипотеза состоит в том, что высокий метаболизм значительно усугубляет эту и без того нестабильную ситуацию, особенно для спермы; поэтому в нашем исследовании мы ожидали более сильного смещения мутаций у самцов у организмов с высоким уровнем метаболизма», — сказала Уилсон Сайрес.

Команда Маковой обнаружила, что, в отличие от времени генерации, скорость метаболизма оказалась лишь умеренным предиктором скорости мутаций и смещения мутаций у самцов. «Хотя этот результат не был таким значимым, как результат по времени генерации, я подозреваю, что дальнейшие исследования могут предоставить более убедительные доказательства того, что скорость метаболизма оказывает важное влияние на скорость мутаций и смещение мутаций у самцов», — сказала Макова. Она пояснила, что сложность заключается в том, чтобы отделить скорость метаболизма как независимый фактор от времени генерации. «Эти два фактора сильно коррелируют друг с другом, поэтому трудно четко определить, как метаболизм может действовать независимо от интервалов времени генерации».

В-третьих, Макова и ее команда исследовали еще одну жизненную стратегию, которая, по гипотезе других исследователей, может влиять на скорость мутаций — конкуренцию сперматозоидов. «Конкуренция сперматозоидов — это именно то, что следует из названия — борьба сперматозоидов разных самцов за оплодотворение яйцеклеток», — сказала Уилсон Сайрес. «У таких видов, как шимпанзе, где самки спариваются со многими разными самцами в течение данного цикла, интенсивная конкуренция сперматозоидов приводит к большому размеру семенников и, следовательно, высокой выработке спермы. Но у видов с гаремом, таких как горилла, где каждая самка, по сути, принадлежит одному самцу, конкуренция сперматозоидов гораздо менее актуальна, и результатом является небольшой размер семенников и низкая выработка спермы». Макова пояснила, что конкуренция сперматозоидов, теоретически, должна положительно коррелировать с мутациями в сперме и, следовательно, с более высоким смещением мутаций у самцов. «Чем больше спермы производится, тем больше клеточных делений требуется и тем выше вероятность ошибок во время копирования или репликации ДНК», — сказала Макова.

Однако в случае конкуренции сперматозоидов результаты оказались неожиданными. «Мы не обнаружили такой сильной связи между смещением мутаций у самцов и конкуренцией сперматозоидов, как предполагали другие исследователи, хотя мы предполагаем, что будущие исследования могут дать другие результаты, если данные о конкуренции сперматозоидов будут собираться разными способами», — пояснила Уилсон Сайрес.