70. Какие мутации считаются нейтральными? Расскажите о скорости их возникновения и механизмах фиксации.

Значительная часть мутаций – нейтральные, то есть н полезные и не вредные. Отбор на них не действует. Приспособленность (ω) ≈ эффективность размножения. Допустим, каждый носитель аллеля а1 оставляет в среднем 5 жизнеспособных потомков, а каждый носитель аллеля а2 (другого варианта того же гена а) оставляет в среднем 4 столь же жизнеспособных потомков. Можно принять приспособленность a1 за единицу (ω1=1), и тогда приспособленность а2 равна 4/5 = 0.8 (ω2 = 0.8). Если ω1 > ω2, то различие между аллелями – не нейтральное. a1 – полезный аллель, a2 – вредный. Частота а1 будет автоматически расти (это называется «е.о.») Если ω1 ≈ ω2, то это нейтральное различие. Отбор не действует. Как в этом случае будут меняться частоты а1 и а2 со временем?

1. Частота нейтрального аллеля в популяции изменяется по закону случайных блужданий (random walk). Случайные колебания частот аллелей, не связанные с действием отбора, называются генетическим дрейфом.

2. Хотя блуждания случайны, их конечный исход строго предопределен. Рано или поздно аллель либо зафиксируется (достигнет частоты q=1), либо элиминируется (достигнет частоты q=0). Третьего не дано. Случайно блуждая, частота аллеля непременно когда-

нибудь наткнется либо на верхнюю планку (фиксация), либо на нижнюю (элиминация)

Частота мутаций не одинакова для разных генов, для разных организмов. Она возрастает, иногда очень резко, в ответ на воздействие внешних факторов, таких как ионизирующая радиация, некоторые химические соединения, вирусы и при изменениях внутреннего состояния организма (старение, стресс и т.п.).

Средняя частота мутаций у бактерий оценивается как 10^-9 на ген на клетку за поколение. У человека и других многоклеточных она выше и составляет 10^-5 на ген на гамету за поколение. Иными словами только в одной из 100 тысяч гамет ген оказывается измененным. Казалось бы, это ничтожно малая величина. Следует помнить, однако, что генов в каждой гамете очень много. По современным оценкам геном человека содержит около 30 тысяч генов. Следовательно, в каждом поколении около трети человеческих гамет несут новые мутации по какому-нибудь гену.

Таким образом, несмотря на чрезвычайную редкость каждой отдельной мутации, в каждом поколении появляется огромное количество носителей мутантных генов. Благодаря мутационному процессу генотипы всех организмов, населяющих Землю, постоянно меняются; появляются все новые и новые варианты генов (аллели), создается огромное генетическое разнообразие, которое служит материалом для эволюции.

Мутации различаются по своим фенотипическим эффектам. Большинство мутаций, по-видимому, вовсе никак не сказываются на фенотипе. Их называет нейтральными мутациями. Большой класс нейтральных мутаций обусловлен заменами нуклеотидов, которые не меняют смысла кодонов. Такие замены называют синонимическими. Например, аминокислота аланин кодируются триплетами ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА и ГЦГ. Если в результате мутации ГЦУ превращается в ГЦЦ, то белок, синтезированный по измененной программе, остается тем же самым. Если мутация изменяет смысл кодона (несинонимическая мутация) и одна аминокислота заменяется другой, это может привести к изменению свойств белка.

Большинство несинонимических мутаций оказывается вредными. Они нарушают скоординированное в ходе предшествующей эволюции взаимодействие генетических программ в развивающимся организме, и приводят либо к его гибели, либо к тем или иным отклонениям в развитии. Только очень малая доля вновь возникающих мутаций может оказаться полезной.

За десятки миллионов лет независимой эволюции в кариотипах человека и землеройки возникли и закрепились десятки различных транслокаций и инверсий. Эти хромосомные перестройки не могли бы закрепиться, если бы они резко нарушали жизнеспособность или плодовитость их носителей.

Формула 1. Чему равна вероятность фиксации (Pfix) нейтральной мутации? Если исходная частота q=0.5, то совершенно ясно, что аллель с равной вероятностью зафиксируется или элиминируется, т.е. Pfix = 0.5.

Представим себе ситуацию, когда у нас исходно есть не 2, а 4 нейтральных аллеля с одинаковыми частотами: q1=q2=q3=q4=0.25

Легко увидеть, что конечным результатом дрейфа будет фиксация одного из аллелей и элиминация трех других. Это становится ясно, если понять, что мы имеем полное право временно и условно объединить три из четырех аллелей в один, комплексный. Например, давайте считать, что у нас есть два аллеля: 1 и не-1. Аллель «не-1» – это общее название для аллелей 2, 3 и 4. Про два аллеля мы уже знаем, что один из них рано или поздно обязательно зафиксируется, а другой элиминируется. Стало быть, у нас либо зафиксируется аллель 1, либо «не-1». В первом случае все ясно – один аллель зафиксировался, три элиминировались. Во втором – у нас осталось три аллеля (2, 3 и 4). Давайте представим эту ситуацию в виде двух аллелей: 2 и не-2. И так далее.

Таким образом, можно считать доказанным, что конечным результатом дрейфа будет фиксация одного из аллелей и элиминация трех других. Ясно, что, поскольку исходно все 4 аллеля были в абсолютно равном положении, шансы на фиксацию у них должны быть одинаковы. В сумме эти шансы дают 1 (один из аллелей точно зафиксируется).

Следовательно, Pfix1 = Pfix2 = Pfix3 = Pfix4 = ј = 0.25

Вероятность фиксации нейтрального аллеля равна его исходной частоте (т.е. частоте в тот момент, для которого мы пытаемся рассчитать вероятность).

Поскольку мы могли с тем же успехом взять не 2, не 4, а любое другое число нейтральных аллелей, очевидно, что:

Pfix = q

Вероятность фиксации нейтрального аллеля равна его частоте. Это первая из трех формул, которую мы с вами должны вывести. А чему равна вероятность элиминации аллеля? N, 1-q.

http://evolbiol.ru/nes03.htm

https://sites.google.com/site/darwinupdated/evolucia/mutacii-1