Хромосомы каждого организма отличаются от родительских хромосом по двум причинам. Во-первых, когда у родителей образуются половые клетки, пары хромосом в них обмениваются участками (процесс называется кроссинговером). Поэтому потомкам достаются мозаичные хромосомы, состоящие из случайных сочетаний фрагментов хромосом, которые были у его мамы и папы. Во-вторых, в ДНК неизбежно накапливаются мутации, которых не было ни в одном из вариантов родительских хромосом. Недавно опубликованная в Nature работа демонстрирует, что эти источники изменчивости не совсем независимы друг от друга [1]. По данным ученых, новые мутации чаще возникают в тех участках генома, где родительские варианты различаются — то есть в тех последовательностях ДНК, где организм гетерозиготен. А по каким именно участкам организм будет гетерозиготен, зависит в том числе и от того, как прошел кроссинговер у его родителей.

Благодаря тому, что секвенирование становится всё более простой и дешевой процедурой, в последнее время появилась возможность в подробностях установить генетическую историю организма, узнав точные последовательности ДНК его самогó и его родителей. Сравнение этих молекул позволяет проследить, в каких частях родительских хромосом произошел кроссинговер, как он повлиял на распределение генетических вариантов по хромосомам, по каким вариантам потомок в итоге стал гомо- или гетерозиготен и в каких участках у него скопились новые мутации, которых не было у родителей.

Такой анализ генотипов нескольких поколений ученые провели для традиционного модельного растения Arabidopsis и дополнительно (чтобы подтвердить выводы) — для риса и медоносных пчел. Первым делом последовательности ДНК организмов разделили на неперекрывающиеся участки длиной 1 млн нуклеотидов. Для таких участков обнаружилась закономерность: чем чаще в каком-то из них происходил кроссинговер, тем чаще там возникали новые мутации. Такую закономерность можно объяснить или тем, что кроссинговер способствует появлению новых мутаций, или тем, что и кроссинговер, и новые мутации затрагивают по каким-то причинам одни и те же области ДНК. Обе гипотезы выглядят разумными: во время кроссинговера в нитях ДНК образуются разрывы, к которым могут привлекаться ферменты репарации . При репарации разрывов в ДНК важнее всего восстановить целостность участка, а не последовательность, так что ферменты, занимающиеся починкой разрывов, часто делают ошибки, из-за чего возникают мутации. В то же время, в ходе исследования обнаружились доводы и в пользу второй гипотезы: кроссинговер и новые мутации действительно часто возникают в одних и тех же участках — гетерозиготных.

Если подойти к вопросу распределения мутаций по ДНК с несколько иной стороны, то окажется, что вынужденное локальное бездействие «редакторов» и «ремонтников» не менее мутагенно. При репликации ДНК одна из дочерних цепей строится фрагментарно, причем синтез РНК/ДНК-затравки ведет не слишком «грамотная» полимераза (точнее, комплекс праймазы с полимеразой). Делает она это недолго, но подчищать ошибки за ней нужно. Однако если на концы фрагментов Оказаки успевают «плюхнуться» белки, то на исправление рассчитывать не приходится. Подробно о связи стыков фрагментов Оказаки с частотой мутаций: «Следы полимеразы α» [2]. На заметку: за один раунд репликации хромосомной ДНК дрожжей S. cerevisiae образуется и процессируется примерно 100 000 фрагментов Оказаки, а у человека в случае достижения полной готовности к клеточному делению их количество должно превышать 10 млн! — Ред.

Ученые обнаружили, что у гетерозиготных растений в 3,5 раза чаще возникают новые мутации, чем у их родителей, относящихся к чистым линиям (то есть из поколения в поколение гомозиготных по определенным аллелям). А когда такие гибриды в нескольких поколениях скрещивали с представителями одной линии, уменьшая у них уровень аллельного разнообразия, скорость появления новых мутаций падала.

Тот же эффект сохранялся и на уровне ДНК: мутации чаще возникали там, где парные хромосомы сильнее всего отличались друг от друга. Оценка распределения новых мутаций показала, что все они располагались ближе к участкам, различающимся у парных хромосом, чем можно было бы ожидать, если бы мутации появлялись в случайных местах. Получается, что изменения интенсивнее происходили там, где ужé наблюдалось большее разнообразие.

Раньше уже замечали, что мутации чаще возникают в тех генах, которым важно быстро меняться: например, в генах устойчивости к патогенам, с которыми организм постоянно должен соревноваться в гонке вооружений. Но до сих пор было не совсем понятно, какой механизм может поддерживать лишь локально высокую частоту мутаций. Теперь можно предположить, как это работает, если мутации действительно чаще происходят в гетерозиготных участках. Гены, которые подвергаются движущему отбору, чаще должны быть представлены гетерозиготными вариантами, и это, в свою очередь, должно помогать их быстрому изменению.

Возникает закономерный вопрос: как именно гетерозиготность может способствовать появлению новых мутаций? Авторы статьи [1] полагают, что это может быть связано с худшим спариванием непохожих участков хромосом в мейозе. Особенно это касается ситуаций с делециями или вставками участков ДНК, хотя и более обычные точечные мутации тоже могут вносить свой вклад, нарушая образование комплекса между парными хромосомами. А именно участки, выдающиеся за пределы аккуратного хромосомного дуплекса, чаще привлекают склонную к ошибкам репарационную машинерию, особенно если в них возникают разрывы (что для этих зон, видимо, характерно) [2–4]. Поэтому получается, что там, где хромосомы не похожи, они с большой вероятностью станут еще более непохожими.

Литература

1. Sihai Yang, Long Wang, Ju Huang, Xiaohui Zhang, Yang Yuan, et. al.. (2015). Parent–progeny sequencing indicates higher mutation rates in heterozygotes. Nature. 523, 463-467;
2. Следы полимеразы alpha;
3. Anna Malkova, James E. Haber. (2012). Mutations Arising During Repair of Chromosome Breaks. Annu. Rev. Genet.. 46, 455-473;
4. Yosuke Ichijima, Misako Ichijima, Zhenkun Lou, André Nussenzweig, R. Daniel Camerini-Otero, et. al.. (2011). MDC1 directs chromosome-wide silencing of the sex chromosomes in male germ cells. Genes Dev.. 25, 959-971;
5. Kingsley A. Boateng, Marina A. Bellani, Ivan V. Gregoretti, Florencia Pratto, R. Daniel Camerini-Otero. (2013). Homologous Pairing Preceding SPO11-Mediated Double-Strand Breaks in Mice. Developmental Cell. 24, 196-205.