Наследственный полиморфизм природных популяций. Генетический груз

2.1 Вносимый груз

Этот груз создается в  связи с присутствием в генофонде  в результате мутаций и иммиграции худших аллелей. Естественный отбор  быстро сократил бы этот груз, если бы он постоянно не пополнялся, и если бы многие из этих генов не имели  временной защиты (см. начало этой главы).

Мутационный груз (mutational load). Этот груз создается за счет непрерывно возникающих вредных мутаций и был мастерски описан Мёллером (1950а). Холдейн (1937) показал, что величина приспособленности популяции понижается в степени, грубо говоря, равной сумме частот всех мутаций.

Иммиграционный груз (immigration load). Иммиграционный груз создается включением в данный генофонд посторонних генов, которые в новой генотипической среде понижают приспособленность. Были ли эти гены полезными или вредными в их прежней среде – не играет роли.

Компенсация груза у человека (Ли, 1953; Левонтин, 1953) и сходные редкие явления приводят к возобновлению притока вредных генов в генофонд следующего поколения, и, быть может, их правильнее отнести к категории вносимого груза.

2.2 Сбалансированный  груз

Частота худших генотипов, образуемых некоторыми локусами, слишком высока, чтобы ее можно было отнести за счет вносимого груза. Кроу (1948), Лернер (1954), Добржанский (1955Ь, 1959а) и Уоллес (1958) привлекли внимание к другому источнику таких вариантов, названному Добржанским «сбалансированным грузом». Этот груз обусловлен тем, что отбор благоприятствует балансу между разными аллелями или эпистатическими генами, которые путем рекомбинаций и выщепления дают в каждом поколении худшие генотипы. Здесь вновь можно различать несколько подтипов. Сбалансированный груз создается с помощью многих защитных механизмов, обсуждавшихся в этой главе, таких, как приспособление к гетерогенности среды (эффект Людвига), селективное преимущество редких генотипов, гены, способствующие энергичному расселению, гены, ответственные за гетерогамию, и другие. (Гены, обусловливающие сдвиг в соотношениях при расщеплении, также, вероятно, должны быть по определению включены в эту группу.) В сущности, каждый механизм, способствующий накоплению наследствен­ной изменчивости (см. начало), создает свой собственный генетический груз.Наиболее хорошо известны следующие типы сбалансированного груза:

1) Груз, создаваемый невыгодностью  гомозизот (homozygous-disadvantage load). Этот груз создается выщеплением вредных гомозигот по локусам, по которым приспособленность гетерозиготы выше, чем приспособленность одной из гомозигот. В каждом случае сбалансированного полиморфизма всегда создается такой груз. В начале этой главы мы упоминали о случаях, подобных Drosophila tropicalis или Anopheles quadrimaculatus, когда генетический груз одного гена или супергена достигает 20…50%. (Мутационный груз также подвержен действию отбора путем выщепления рецессивных гомозигот. Поэтому желательно не называть ни один вид груза «выщепляемым».).

2) Груз несовместимости (incompatibility load). У млекопитающих этот груз представляет собой результат вредного антигенного взаимодействия между эмбрионом и матерью вследствие несовместимости их генотипов. Вероятность гибели человеческого эмбриона с группой крови А или В приблизительно на 10% выше в случае, если его мать имеет группу крови 0, чем, если она имеет ту же группу, что и эмбрион. Смертность в эмбриональном периоде, вызываемая несовместимостью в локусе АВ0, составляет приблизительно 2,4% (Кроу и Мортон, 1960). Эта смертность быстро привела бы к элиминации сравнительно более редких генов, если бы она не компенсировалась другими факторами, вероятно, селективным преимуществом гетерозигот.

3) Груз, создаваемый гетерогенностью внешних условий. Эта форма генетического груза сходна с иммиграционным грузом. [Данный вопрос разобран в работе В.Гранта (1991). В популяционных системах, способных к обмену носителями генетической информации, возникает проблема элиминации этих носителей (в первую очередь, диплоидных), оказавшихся не на своем месте. В результате генотипы, адаптированные к одной нише, погибают, оказавшись в смежной нише. Это явление называется генетическим грузом, вносимым особями, оказавшимися «не на месте» (misplaced individual load, или MPI-груз).]

Соотношение между  вносимым извне и сбалансированным грузом.

Проблема относительной  важности двух типов груза (А и  В) в создании генетического груза  в целом еще не разрешена. Особенно велики разногласия в вопросе о сравнительной важности мутационного и сбалансированного грузов. В литературе представлены три точки зрения:

1). Практически вся наследственная  изменчивость популяций обязана  своим существованием вредным  рецессивам, выявляемым при гомозиготизации. Сбалансированный груз может не приниматься во внимание.

2). Вклад подавляющего  большинства локусов в наследственную  изменчивость обусловлен мутационным  грузом. Существует, однако, несколько  сверхдоминантных генов или супергенов, которые могут вносить большой вклад в наследственную изменчивость. Кроу (1952) выразил это следующими словами: «Инбредная депрессия и ликвидация этой депрессии в результате аутбредного скрещивания представляют собой главным образом результат действия локусов, у которых благоприятный аллель доминантен, а рецессивы имеют низкую частоту. С другой стороны, изменчивость гетерозиготных популяций и различия между разными гибридами вызываются главным образом локусами с промежуточными частотами генов. Весьма вероятно, что такие локусы существуют благодаря селективному преимуществу гетерозигот, однако возможны и некоторые другие объяснения.» Важность сверхдоминантных супергенов была особенно хорошо показана Добржанским и Павловской (1960). Кроме того, это подтверждается большой частотой в природе видов, обладающих полиморфизмом того или иного типа.

3.) Довольно многие локусы  сверхдоминантны, в частности локусы с набором полигенов или изоаллелей. Вследствие этого большая часть наблюдаемой генотипической изменчивости представляет собой результат сбалансированного полиморфизма.

Эта точка зрения была выдвинута  Лернером (1954), Добржанским (1955Ь, 1959а) и Уоллесом (1958). В крайней форме ее смысл выражен Уоллесом: «Мы чувствуем, что в каждом локусе имеются гетерозиготные комбинации аллелей, которые в среднем дают более жизнеспособных или лучше приспособленных индивидуумов, чем гомозиготные комбинации тех же аллелей. Учитывая ограничения, накладываемые случайной элиминацией аллелей, скрещиванием между близкими родственниками и конечностью числа аллелей в локусе, следует полагать, что пропорция гетерозиготных локусов среди локусов репрезентативных для данной популяции особей приближается к 100%.»Обсуждение этого вопроса в современной литературе показывает, как трудно сделать выбор между этими тремя альтернативами (или, по крайней мере, между 2-й и 3-й), причем имеются как принципиальные, так и технические трудности. Основная принципиальная трудность связана с определением генетического груза как «величины, на которую средняя приспособ­ленность популяции ниже [чем приспособленность особи] оптимальной генетической структуры». Не возвращает ли нас это определение (и его варианты) к концепции ранних менделистов об идеальной популяции, состоящей из одинаковых гомозиготных генотипов? Не может ли приспособленность высокогетерозиготной популяции быть максимальной, несмотря на возникновение большого числа вредных гомозигот? Во всяком случае, мне кажется, что установленное определение генетического груза бессмысленно в той мере, в какой оно касается сбалансированного груза. Две стороны сверхдоминантности – увеличение приспособленности гетерозигот и вредность гомозигот – это две стороны одного и того же явления, и ни одну из них нельзя выделить, утверждая, что именно она-то и представляет собой генетический груз. Существует и другая принципиальная трудность. Концепция генетического груза пришла в биологию из генетики человека – вида, у которого жизнь каждого индивидуума представляет несомненную этическую ценность. У животных и растений, которые всегда (за исключением немногих случаев) могут свободно пожертвовать подавляющим большинством зигот, отбор вполне может благоприятствовать созданию оптимального генотипа для немногих выживающих, даже если это и увеличивает потери. Разве этот риск – не разумная стратегия генофонда при тех высоких ставках, по которым идет игра? Имеются все основания полагать, что для видов с различными репродуктивными возможностями структура генетического груза различна. Такие виды, как человек, не могут, очевидно, нести столь большой сбалансированный груз, как Drosophila. Ситуация, имеющая, например, место для Anopheles quadrimaculatus, когда гомозиготы по данной последовательности генов оказываются летальными, неприемлема для человека. Один лишь этот фактор приводит к 50%-ной смертности. Даже ген серповидноклеточности в малярийных районах Африки не вызывает смертности, хоть как-то приближающейся к этой величине. Совершенно очевидно, что у видов со столь малым числом потомков, как человек, сбалансированный генетический груз должен быть гораздо меньше, чем у столь плодовитых видов, как Drosophila melanogaster. Это вовсе не значит, что у таких видов гетерозиготными могут быть только один или несколько локусов. Это просто означает, что у них выщепляется сравнительно мало действительно вредных или летальных гомозигот.

Сложность проблемы увеличивается  техническими трудностями. Те из лабораторных генетиков, которые преуменьшают роль сбалансированного генетического  груза, обычно подсознательно делают ряд  допущений, а именно:

а) популяции замкнуты, и  приток генов по существу обусловлен лишь мутациями;

б) средняя мутация примерно соответствует высокопенетрантным, ярко выраженным и вредным мутациям, используемым генетиками в лабораториях (например, мне кажется сомнительной правомерность использования в качестве показателя частоты гетерозиготных локусов у человека частоты глухонемоты, мышечной дистрофии и умственной отсталости);

в) гены и генотипы имеют  относительно постоянные или абсолютные коэффициенты отбора;

г) существующие в данный момент частоты генов отражают скорее устойчивые состояния, чем несбалансированные условия, создаваемые непрерывными изменениями физической, биотической  и генотипической сред, за которыми отбор вследствие инерции генного  комплекса оказался не в состоянии  поспеть.

Во время этих обсуждений часто забывают, что вклад, вносимый в генетический груз супергенами, может очень сильно отличаться от вклада, вносимого генами. Большая часть расчетов, указывающих на высокий генетический груз, связанный с выщеплением вредных рецессивов, основывается на изучении заведомо сверхдоминантных супергенов. В этом случае по определению приспособленность гомозигот ниже. Большая часть расчетов, указывающих на высокий мутационный груз (при низком сбалансированном грузе или полном его отсутствии), основана на изучении локусов, несущих рецессивные летали или рецессивные вредные гены. Эти расчеты обычно (не для человека) основаны на изучении малых замкнутых популяций при постоянных внешних условиях. То обстоятельство, что при таких условиях иногда оказывается выгодным мономорфизм (Левонтин, 1958), не позволяет нам сделать никаких выводов об оптимальных условиях в открытых популяциях. Наконец, нередко забывают, что количественный вклад, вносимый в генотипическую изменчивость (а значит, и в генетический груз) одним сверхдоминантным локусом, может в несколько сотен раз превосходить вклад, вносимый средним рецессивным или полудоминантным локусом. Отношение мутационного и сбалансированного грузов не дается соотношением рецессивных и сверхдоминантных локусов.

Со временем проблема, несомненно, будет разрешена. Очевидно, что ни одна популяция не может одновременно содержать слишком много сверхдоминантных генов или супергенов. Вполне возможно, что именно поэтому двойные гетерозиготы часто имеют пониженную приспособленность. Фишер (1930) показал, что у кузнечика Paratettix texanus жизнеспособность двой­ных гетерозигот по двум полиморфным локусам понижена на 40%. Левонтин и Уайт (1960) также обнаружили неблагоприятное взаимодействие между гетерозиготными последовательностями генов в различных хромосомах кузнечика Moraba scurra. Данные по взаимодействию между последовательностями генов были получены также Уоллесом, и тем не менее, у Drosophila subobscura и D. willistoni были обнаружены особи, гетерозиготные по удивительно большому числу последовательностей генов (до 16). Существуют и другие пути снижения груза, создаваемого неблагоприятными гомозиготами. Один из них состоит в накапливании большого числа n изоаллелей во многих локусах, с тем, чтобы число гомозигот 1/n оставалось минимальным. Другой путь заключается в отборе на повышение жизнеспособности гомозигот, с тем, чтобы уменьшить контраст в приспособленности. Поскольку создание груза сверх доминантными локусами совершенно очевидно, весьма вероятно, что большая часть гетерозиготности в популяции, не обусловленной мутационным грузом, – результат либо эффекта Людвига, либо иммиграции генов, затрагивающих локусы с большим числом аллелей.

Готовность популяций (даже замкнутых) отвечать на отбор, значительная наследственная изменчивость, сохраняющаяся  после того, как возможности фенотипического  ответа уже исчерпаны, и гораздо  более высокая наследственная изменчивость открытых популяций по сравнению  с замкнутыми – все это свидетельствует, как мне кажется, о наличии  гораздо более обширного запаса наследственной изменчивости, чем это  было бы возможно, если бы генетический груз относился исключительно к  категории мутационного груза.

2.3 Плата за  эволюцию

Генетический груз, обсуждавшийся  до сих пор, представляет собой результат  действия стабилизирующего отбора в  постоянных условиях. Всякий раз, когда  направленный отбор благоприятствует замене существующего гена новым  аллелем, груз возрастает. Каждое эволюционное изменение несет с собой такой субституционный груз. Эта проблема была впервые поставлена Холдейном (1957), и он же рассчитал последствия замены аллелей. Кимура (1960) подтвердил и расширил данные Холдейна.

Плата за замену какого-либо аллеля у данного вида (популяции) на новый очень значительна. Число гибелей, необходимое для осуществления этого процесса, не зависит (в широком диапазоне) от интенсивности отбора. Суммарное число гибелей во всех поколениях превышает общую численность популяции в каждом поколении в 4…5 раз. И Холдейн и Кимура пришли к двум несколько неожиданным выводам:

1. Замена одного гена  другим вследствие высокой генетической  гибели – процесс медленный.  Холдейн считает, что в среднем для одной замены необходимо 300 поколений.

2. Число локусов, в которых  может одновременно происходить  замена генов, невелико. Кимура рассчитал, что оно не должно быть выше 10…12, так как в противном случае выживание популяции подвергается опасности.

Эти оценки платы за эволюцию приводят к выводу, что эволюционные изменения обычно протекают очень  медленно. Холдейн рассчитал, что если два вида различаются по 1000 локусов, то для превращения в самостоятельные виды им потребовалось, по крайней мере, 300 000 поколений. Поскольку многие организмы дают по несколько поколений в год, эта величина, несомненно, представляет собой минимальную оценку. Но Холдейн полагает также, что «скорость эволюции определяется [и находится в обратной зависимости к нему] числом локусов в геноме и числом возможных последовательных мутаций». Однако это вовсе не обязательно. Слоны и другие медленно размножающиеся млекопитающие эволюционировали, вероятно, гораздо быстрее, чем дрозофила, дающая в год огромное число поколений.