Зародышевые мутации у китов возникают чаще, чем считалось

Адаптивная эволюция возможна благодаря постоянному возникновению новых генотипов, а оно в свою очередь связано с рекомбинацией и de novo мутациями в зародышевой линии. Скорость появления таких мутаций μ определяют как вероятность однонуклеотидной замены, деленную на число нуклеотидов в геноме и число поколений.

Скорость появления зародышевых мутаций у разных систематических групп сильно отличается. Она также может меняться под действием направленного отбора и в зависимости от физиологических и клеточных процессов — времени смены поколения, скорости метаболизма, репарации ДНК и т.д. Раньше было принято считать, что у усатых китов значения μ существенно ниже, чем у многих других видов, и что именно это обеспечивает их защиту от онкологических заболеваний.

Как правило, величину μ оценивают на основании числа замен в гомологичных последовательностях ДНК у родственных организмов. Их эволюционное древо при этом должно иметь узлы ветвления, которые датированы с помощью палеонтологии или радиоуглеродного анализа. Для некоторых видов μ удалось рассчитать с помощью другого метода — путем сравнения древних и современных ДНК. Оба подхода характеризуются различными неточностями, которые возникают по разным причинам и тоже специфичны для таксонов.

Однако есть еще один, прямой способ оценить частоту мутаций в зародышевых линиях — его использовал международный коллектив ученых, опубликовавший статью в Science. Исследователи получили значения μ непосредственно за счет анализа ДНК популяций диких животных (а именно усатых китов), установив их родственные связи с помощью полногеномного секвенирования. Что особенно ценно, метод позволяет получить значения μ для отдельного поколения, и эти значения можно напрямую сравнивать между видами.

Объектами нового исследования стали четыре вида усатых китов: горбатый кит (Balaenoptera musculus), финвал (Balaenoptera physalus), гренландский кит (Balaena mysticetus) и горбатый кит (Megaptera novaeangliae). Это самые крупные животные на Земле, которые имеют сравнительно медленный метаболизм и низкую частоту повреждений ДНК — ранее полагали, что она связана с величиной μ. Об этом говорили оценки, полученные на основе филогенетического подхода.

Предполагалось, что низкое значение μ объясняет редкость онкологических заболеваний у китов, однако полученные авторами прямые данные показали, что это не так.

На сегодняшний день скорости зародышевых мутаций на основе анализа ядерной ДНК для родословной рассчитаны для 84 видов позвоночных, в том числе 36 млекопитающих. Чаще всего расчет проводили для живущих в неволе популяций, что неизбежно вносит погрешности. Сам метод предполагает рассмотрение так называемых триад «самец-самка-потомок» (sire-dam-offspring), т.е. пары родителей и их детеныша. Ученые продемонстрировали, что его можно эффективно применять к таким сложным для изучения диким животным, как китообразные.

На основании генетического определения пола и профилей микросателлитов китов авторы работы выделили 8 репродуктивных триад, отсеквенировав для этого 21 геном. Другие данные о родственных связях животных в анализ не включили.

Авторы выделили исходный набор мутаций, возникших de novo: у 8 детенышей (по одному от триады) они обнаружили в общей сложности 240 de novo мутаций, 90 из которых оказались унаследованы по отцовской линии. При этом исследователи не нашли одинаковых de novo мутаций у неполнородных сиблингов (детенышей с одним общим родителем — матерью или отцом). Это указывает на возникновение мутаций в ходе мейоза.

Около 60% de novo мутаций оказались локализованы на аутосомах. Также ученые получили следующие оценки скорости появления мутаций в зародышевых линиях: 1,12x10^-8 у горбатого кита и 1,11x10^-8 — если рассматривать все 4 вида усатых китов вместе. Это средние значения, сравнимые с теми, что были получены раньше для человека и других приматов, а также для зубатых китов, имеющих сравнимый возраст половой зрелости (т.е. период смены поколений).

Эти результаты опровергают представления об особо низкой скорости мутаций у китообразных, а значит, и ее роли в защищенности животных от рака. Вероятно, последняя имеет другие механизмы — например, дупликация генов-онкосупрессоров в геноме китообразных.

Помимо ядерного генома, авторы рассмотрели митохондриальный геном четырех китов. Его активно используют в популяционной генетике, поскольку он содержит быстро эволюционирующие участки ДНК и наследуется исключительно от матери.

Ученые оценили уровень гетероплазмии у горбатых китов, живших в заливе Мэн у побережья Северной Америки начиная с 1970-х годов. Среди 850 животных авторы работы выделили 141 родословную (по материнским линиям) и 20 митохондриальных гаплотипов. Каждая такая родословная включает от 2 до 49 китов и охватывает до 4 поколений.

Для оценки гетероплазмии исследователи также опирались на de novo мутации маркерных участков мтДНК. Им удалось подтвердить, что гетероплазмия наследуется с материнской зародышевой линией и связана с эффектом «бутылочного горлышка» в популяции ооцитов.

Другой важный вывод статьи касается китобойного промысла и мер по защите этих животных. Согласно новым оценкам, численность китов до начала активного промысла оказалась на 86% ниже, чем считали раньше. Изменились и оценки доисторической популяции горбатых китов Северной Америки: не 150 тысяч, а лишь около двух. Все это меняет представления о том, сколько животных можно добывать без вреда для диких популяций.

Выявлены гены, связанные с гигантскими размерами китов