Синергический эпистаз

Международная группа ученых опубликовала в журнале Science статью о раскрытии эволюционного механизма избавления от вредных мутаций.
 
© Danielle Albers 
Группа в составе российских учёных из Сколковского института науки и технологий, Института проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН и МГУ им. М.В. Ломоносова, американских и голландских специалистов открыла механизм, который использует эволюция для того, чтобы избавляться от особей, в геноме которых накопились вредные мутации. 
Мутациями называют случайные изменения в последовательности цепочки ДНК. Некоторые из возникающих мутаций с точки зрения эволюции являются вредными, такие мутации понижают вероятность того, что носитель данной мутации оставит потомство. Действие естественного отбора на вредные мутации позволяет убирать подобные мутации из популяций живых организмов.
В ходе нового исследования специалисты изучали механизмы, позволяющие естественному отбору эффективно удалять вредные мутации из популяций человека и плодовой мушки – дрозофилы фруктовой вида D. melanogaster. 
Оказалось, что эффект вредных мутаций зависит от наличия в геноме других вредных мутаций. Чем больше вредных мутаций уже присутствует в геноме, тем более вредной оказывается каждая последующая мутация. Эти взаимодействия между вредными мутациями приводят к тому, что индивидуумы, несущие слишком много таких мутаций, значительно реже оставляют потомство. 
Благодаря тому, что носители большого количества вредных мутаций имеют гораздо более низкую вероятность оставить потомство, такие мутации удаляются из популяции быстрее, чем это ожидалось бы в отсутствие взаимодействий между мутациями. Подобная закономерность позволяет естественному отбору эффективно убирать вредные мутации из генома.
Эпистаз заключается в специфическом взаимодействии генов, при котором активность одного гена (гипостатичного) находится под влиянием другого (эпистатичного), при этом они неаллельны друг другу. Феномен распространяется, в частности, на случаи вредных мутаций: тогда от мутаций в сторонних генах зависит локальное изменение генотипа. Значительное усиление этого эффекта — превосходство конечных последствий над суммой последствий отдельных мутаций — определяется как синергетический эпистаз. Из-за сложности оценки таких эффектов процессы синергизма изучены недостаточно. Кроме того, до сих пор выявить эпистаз эмпирически удавалось только трем исследовательским группам.
При формулировании гипотезы авторы исходили из предположения о том, что в отсутствие эпистаза накопление вредных мутаций происходило бы изолированно. В результате эффект носил бы аддитивный характер — конечные последствия оказались бы равны сумме частных. При этом распределение признака в популяции было бы пуассоновским с дисперсией, равной среднему.

При условии, что синергетический эпистаз существует, распределение вредных мутаций должно быть меньшим, а естественный отбор — действовать таким образом, чтобы общий эффект изменений генотипа превосходил сумму отдельных проявлений, и, как следствие, выживаемость особей с большим числом мутаций сократилась. Известно, что геном каждого ребенка содержит около семи вредных мутаций. Теоретически их независимое накопление привело бы к тому, что бесплодными оказались 80 процентов населения. В рамках исследования авторы проанализировали геномные данные дрозофил (Drosophila melanogaster) из проекта DPGP3 и человека — из баз ADNI, Project MinE и GoNL.
Анализ и ряд симуляций показали, что особи с большим количеством вредных мутаций встречаются в популяции значительно реже, чем предполагает распределение Пуассона. По мнению исследователей, это подтверждает существование синергетического эпистаза, который, помимо прочего, может служить причиной широкого распространения полового размножения. «Половое размножение, за счет рекомбинации, позволяет аккумулировать множество вредных мутаций в отдельном генотипе. В условиях эпистаза это обеспечивает более эффективное удаление таких изменений на популяционном уровне»,