Скорость мутации - Mutation rate

Недавно опубликованные оценки частоты мутаций в геноме человека. Человек зародышевый частота мутаций составляет примерно 0,5 × 10−9 на базовая пара в год.[1]

В генетика, то скорость мутации частота появления новых мутации в одном гене или организме с течением времени.[2] Скорость мутаций непостоянна и не ограничивается одним типом мутации, поэтому существует много разных типов мутаций. Скорости мутаций приведены для конкретных классов мутаций. Точечные мутации представляют собой класс мутаций, которые представляют собой изменения одной основы. Миссенс и Бессмысленные мутации два подтипа точечных мутаций. Частота этих типов замен может быть далее подразделена на спектр мутаций, который описывает влияние генетического контекста на скорость мутаций.[3]

Для каждой из этих скоростей существует несколько естественных единиц времени, причем скорости характеризуются либо мутациями на пару оснований на деление клетки, на ген на поколение или на геном на поколение. Скорость мутации организма - это эволюционирующая характеристика, на которую сильно влияет генетика каждого организма в дополнение к сильному влиянию окружающей среды. Верхний и нижний пределы, до которых может развиваться частота мутаций, являются предметом текущих исследований. Тем не менее, частота мутаций меняется в зависимости от геном. Скорость мутаций в ДНК, РНК или отдельном гене меняется.

Когда частота мутаций у людей увеличивается, могут возникнуть определенные риски для здоровья, например: рак и другие наследственные заболевания. Знание о частоте мутаций жизненно важно для понимания будущего рака и многих наследственных заболеваний.[4]

Фон

Различные генетические варианты внутри вида называются аллелями, поэтому новая мутация может создать новый аллель. В Популяционная генетика, каждый аллель характеризуется коэффициентом отбора, который измеряет ожидаемое изменение частоты аллеля с течением времени. Коэффициент выбора может быть отрицательным, что соответствует ожидаемому уменьшению, положительным, соответствующим ожидаемому увеличению, или нулевым, что соответствует отсутствию ожидаемых изменений. Распределение эффектов приспособленности от новых мутаций является важным параметром популяционной генетики и является предметом обширных исследований.[5] Хотя измерения этого распределения в прошлом были непоследовательными, сейчас принято считать, что большинство мутаций умеренно вредны, что многие мало влияют на приспособленность организма, а некоторые могут быть благоприятными.

Потому что естественный отбор неблагоприятные мутации обычно исключаются из популяции, в то время как благоприятные изменения обычно сохраняются для следующего поколения, а нейтральные изменения накапливаются со скоростью, с которой они создаются мутациями. Этот процесс происходит путем размножения. В определенном поколении «наиболее подходящие» выживают с большей вероятностью, передавая свои гены потомству. Знак изменения этой вероятности определяет мутации как полезные, нейтральные или вредные для организмов.[6]

Измерение

Скорость мутации организма можно измерить с помощью ряда методов.

Один из способов измерить частоту мутаций - это тест флуктуации, также известный как Эксперимент Лурии-Дельбрюка. Этот эксперимент показывает, что у бактерий мутации происходят в отсутствие отбора, а не в присутствии отбора.[7]

Это очень важно для частоты мутаций, потому что экспериментально доказывает, что мутации могут происходить без участия отбора - на самом деле, мутация и отбор полностью различны. эволюционные силы. Следовательно, мутации происходят случайным образом во всех организмах (хотя разные последовательности ДНК могут иметь разную склонность к мутации; см. Ниже).

Наиболее часто измеряемым классом мутаций являются замены, поскольку их относительно легко измерить с помощью стандартных анализов данных о последовательности ДНК. Однако замены имеют существенно другую скорость мутации (10−8 до 10−9 на поколение для большинства клеточных организмов), чем другие классы мутаций, которые часто намного выше (~ 10−3 на поколение для расширения / сжатия спутниковой ДНК[8]).

Замены ставки

Многие участки генома организма могут допускать мутации с небольшими эффектами приспособленности. Эти сайты обычно называют нейтральными. Теоретически мутации без отбора становятся фиксированный между организмами с точно такой же скоростью мутации. Фиксированные синонимичные мутации, т.е. синонимичные замены, представляют собой изменения в последовательности гена, которые не изменяют белок, продуцируемый этим геном. Они часто используются для оценки скорости мутации, несмотря на то, что некоторые синонимичные мутации имеют эффекты приспособленности. Например, частота мутаций была напрямую выведена из последовательностей всего генома экспериментально созданных репликативных линий кишечная палочка Б.[9]

Линии накопления мутаций

Особенно трудоемким способом характеристики скорости мутации является линия накопления мутации.

Линии накопления мутаций были использованы для характеристики скорости мутаций с помощью Метод Бейтмана-Мукаи и прямое определение последовательности, например, кишечные бактерии, круглые черви, дрожжи, плодовые мухи, мелкие однолетние растения.[10]

Вариация частоты мутаций

Филограмма, показывающая три группы, одна из которых имеет значительно более длинные ветви, чем две другие.
Время генерации влияет на частоту мутаций: долгоживущие древесные бамбуки (племена Arundinarieae и Bambuseae ) имеют более низкую частоту мутаций (короткие ветви в филогенетическое дерево ), чем быстроразвивающийся травянистый бамбук (Olyreae ).

Скорость мутаций различается между видами и даже между разными участками генома одного вида. Эти разные скорости нуклеотидных замен измеряются в заменах (фиксированные мутации ) на пару оснований на поколение. Например, мутации в межгенной или некодирующей ДНК, как правило, накапливаются быстрее, чем мутации в ДНК, которая активно используется в организме (экспрессия гена ). Это не обязательно связано с более высокой частотой мутаций, а с более низким уровнем очищающий отбор. Область, которая мутирует с предсказуемой скоростью, является кандидатом для использования в качестве молекулярные часы.

Если предполагается, что скорость нейтральных мутаций в последовательности постоянна (подобна часам), и если большинство различий между видами являются нейтральными, а не адаптивными, то количество различий между двумя разными видами может использоваться для оценки того, как давно два виды разошлись (см. молекулярные часы ). Фактически, частота мутаций организма может измениться в ответ на стресс окружающей среды. Например, ультрафиолетовый свет повреждает ДНК, что может привести к ошибочным попыткам клетки выполнить Ремонт ДНК.

В частота мутаций человека в мужской зародышевой линии (сперматозоиды) выше, чем в женских (яйцеклетки), но оценки точной скорости различаются на порядок или более. Это означает, что геном человека накапливает около 64 новых мутаций на поколение, потому что каждое полное поколение включает в себя ряд клеточных делений для образования гамет.[11] По оценкам, частота мутаций митохондриальной ДНК человека составляет ~ 3 × или ~ 2,7 × 10.−5 на базу на 20-летнее поколение (в зависимости от метода оценки);[12] считается, что эти показатели значительно выше, чем показатели геномных мутаций человека и составляют ~ 2,5 × 10−8 на базу на поколение.[13] Используя данные, полученные в результате секвенирования всего генома, частота мутаций генома человека также оценивается как ~ 1,1 × 10.−8 на сайт на поколение.[14]

Частота других форм мутации также сильно отличается от точечные мутации. Индивидуальный микроспутник локус часто имеет частоту мутаций порядка 10−4, хотя длина может сильно отличаться.[15]

Некоторые последовательности ДНК могут быть более подвержены мутации. Например, участки ДНК в сперме человека, в которых отсутствует метилирование, более склонны к мутации.[16]

В целом частота мутаций в одноклеточный эукариоты (и бактерии) составляет примерно 0,003 мутации на геном на клетка поколение.[11] Однако некоторые виды, особенно инфузория рода Парамеций имеют необычно низкий уровень мутаций. Например, Paramecium tetraurelia имеет частоту мутаций с заменой оснований ~ 2 × 10−11 на сайт на деление клетки. Это самая низкая частота мутаций, наблюдаемая до сих пор в природе, она примерно в 75 раз ниже, чем у других эукариот с аналогичным размером генома, и даже в 10 раз ниже, чем у большинства прокариот. Низкая частота мутаций в Парамеций было объяснено его транскрипционно безмолвным зародышевый путь ядро, что согласуется с гипотезой о том, что точность репликации выше при более низких экспрессия гена уровни.[17]

Наибольшая частота мутаций на пару оснований на поколение обнаруживается в вирусы, которые могут иметь геномы либо РНК, либо ДНК. У ДНК-вирусов частота мутаций составляет от 10−6 до 10−8 мутаций на основание на поколение, а у РНК-вирусов частота мутаций составляет от 10−3 до 10−5 на базу на поколение.[11]

Спектр мутаций

Спектр мутаций организма - это скорость, с которой разные типы мутаций происходят в разных участках генома. Спектр мутаций имеет значение, потому что сама по себе частота дает очень неполную картину того, что происходит в геноме. Например, мутации могут происходить с одинаковой скоростью в двух линиях, но сама по себе скорость не скажет нам, были ли мутации заменами всех оснований в одной линии и всеми крупномасштабными перестройками в другой. Даже при замене оснований спектр все еще может быть информативным, потому что замена перехода отличается от трансверсии. Спектр мутаций также позволяет нам узнать, происходят ли мутации в кодирование или же некодирование регионы.

Переходы (Альфа) и трансверсии (Бета).

Существует систематическая разница в ставках на переходы (Альфа) и трансверсии (Бета).

Эволюция

Теория эволюции скорости мутаций определяет три основных задействованных силы: генерацию более вредных мутаций с более высокой мутацией, генерацию более выгодных мутаций с более высокой мутацией, а также метаболические затраты и снижение скорости репликации, необходимые для предотвращения мутаций. На основании относительной важности каждой силы делаются разные выводы. Оптимальная частота мутаций организмов может быть определена компромиссом между затратами на высокую частоту мутаций,[18] такие как вредные мутации и метаболический затраты на содержание систем для снижения скорости мутаций (например, увеличение экспрессии ферментов репарации ДНК.[19] или, как описано Bernstein et al.[20] имеющие повышенное потребление энергии для восстановления, кодирующие дополнительные генные продукты и / или имеющие более медленную репликацию). Во-вторых, более высокая частота мутаций увеличивает количество полезных мутаций, и эволюция может предотвратить снижение частоты мутаций, чтобы поддерживать оптимальные скорости адаптации.[21] Таким образом, гипермутация позволяет некоторым клеткам быстро адаптироваться к изменяющимся условиям, чтобы избежать вымирания всей популяции.[22] Наконец, естественный отбор может оказаться не в состоянии оптимизировать скорость мутаций из-за относительно незначительных преимуществ снижения скорости мутаций, и, таким образом, наблюдаемая скорость мутаций является продуктом нейтральных процессов.[23][24]

Исследования показали, что лечение РНК-вирусы Такие как полиовирус с рибавирин дают результаты, согласующиеся с идеей о том, что вирусы мутировали слишком часто, чтобы поддерживать целостность информации в их геномах.[25] Это называется ошибка катастрофа.

Высокая частота мутаций ВИЧ (Вирус иммунодефицита человека) 3 x 10−5 на основание и поколение в сочетании с коротким циклом репликации приводит к высокому антиген изменчивость, позволяющая уклоняться от иммунной системы.[26]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Скалли А (декабрь 2016 г.). «Скорость мутаций в эволюции человека и демографические выводы». Текущее мнение в области генетики и развития. 41: 36–43. Дои:10.1016 / j.gde.2016.07.008. PMID  27589081.
  2. ^ Ворон Дж. Ф. (август 1997 г.). «Высокая частота спонтанных мутаций: опасность для здоровья?». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 94 (16): 8380–6. Bibcode:1997PNAS ... 94.8380C. Дои:10.1073 / пнас.94.16.8380. ЧВК  33757. PMID  9237985.
  3. ^ Папа К.Ф., О'Салливан Д.М., МакХью Т.Д., Гиллеспи С.Х. (апрель 2008 г.). «Практическое руководство по измерению частоты мутаций устойчивости к антибиотикам». Противомикробные препараты и химиотерапия. 52 (4): 1209–14. Дои:10.1128 / AAC.01152-07. ЧВК  2292516. PMID  18250188.
  4. ^ Томлинсон И.П., Новелли М.Р., Бодмер В.Ф. (декабрь 1996 г.). «Скорость мутации и рак». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 93 (25): 14800–3. Bibcode:1996PNAS ... 9314800T. Дои:10.1073 / пнас.93.25.14800. ЧВК  26216. PMID  8962135.
  5. ^ Эйр-Уокер А., Кейтли, полиция (август 2007 г.). «Распределение фитнес-эффектов новых мутаций». Обзоры природы. Генетика. 8 (8): 610–8. Дои:10,1038 / nrg2146. PMID  17637733. S2CID  10868777.
  6. ^ Скалли А., Дурбин Р. (октябрь 2012 г.). «Пересмотр скорости мутации человека: значение для понимания эволюции человека». Обзоры природы. Генетика. 13 (10): 745–53. Дои:10.1038 / nrg3295. PMID  22965354. S2CID  18944814.
  7. ^ «Эксперимент Лурии – Дельбрюка». Википедия. 2017-04-25.
  8. ^ https://www.genetics.org/content/207/2/697
  9. ^ Вилгосс С., Баррик Дж. Э., Тенайлон О., Крувейлер С., Чане-Вун-Мин Б., Медиг С., Ленски Р. Э., Шнайдер Д. (август 2011 г.). "Скорость мутации, полученная на основе синонимичных замен в долгосрочном эксперименте эволюции с Escherichia coli". G3. 1 (3): 183–186. Дои:10.1534 / g3.111.000406. ЧВК  3246271. PMID  22207905.
  10. ^ Оссовски С., Шнебергер К., Лукас-Льедо Дж. И., Вартманн Н., Кларк Р. М., Шоу Р. Г., Вейгель Д., Линч М. (январь 2010 г.). «Частота и молекулярный спектр спонтанных мутаций у Arabidopsis thaliana». Наука. 327 (5961): 92–4. Bibcode:2010Sci ... 327 ... 92O. Дои:10.1126 / наука.1180677. ЧВК  3878865. PMID  20044577.
  11. ^ а б c Дрейк Дж. У., Чарльзуорт Б., Чарльзуорт Д., Ворон Дж. Ф. (апрель 1998 г.). «Темпы спонтанной мутации». Генетика. 148 (4): 1667–86. ЧВК  1460098. PMID  9560386.
  12. ^ Schneider S, Excoffier L (июль 1999 г.). «Оценка прошлых демографических параметров на основе распределения парных различий при разной скорости мутаций между сайтами: применение к митохондриальной ДНК человека». Генетика. 152 (3): 1079–89. ЧВК  1460660. PMID  10388826.
  13. ^ Нахман М.В., Crowell SL (сентябрь 2000 г.). «Оценка частоты мутаций на нуклеотид у человека». Генетика. 156 (1): 297–304. ЧВК  1461236. PMID  10978293.
  14. ^ Roach JC, Glusman G, Smit AF, Huff CD, Hubley R, Shannon PT, Rowen L, Pant KP, Goodman N, Bamshad M, Shendure J, Drmanac R, Jorde LB, Hood L, Galas DJ (апрель 2010 г.). «Анализ генетической наследственности в семейном квартете методом полногеномного секвенирования». Наука. 328 (5978): 636–9. Bibcode:2010Sci ... 328..636R. Дои:10.1126 / science.1186802. ЧВК  3037280. PMID  20220176.
  15. ^ Whittaker JC, Harbord RM, Boxall N, Mackay I, Dawson G, Sible RM (июнь 2003 г.). «Вероятностная оценка частоты микросателлитных мутаций». Генетика. 164 (2): 781–7. ЧВК  1462577. PMID  12807796.
  16. ^ Гравтиз, Лорен (28 июня 2012 г.). «Отсутствие модификации ДНК создает горячие точки для мутаций». Инициатива Фонда Саймонса по исследованию аутизма.
  17. ^ Сунг В., Такер А.Е., Доак Т.Г., Чой Э., Томас В.К., Линч М. (ноябрь 2012 г.). «Исключительная стабильность генома у инфузорий Paramecium tetraurelia». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 109 (47): 19339–44. Bibcode:2012PNAS..10919339S. Дои:10.1073 / pnas.1210663109. ЧВК  3511141. PMID  23129619.
  18. ^ Альтенберг Л. (июнь 2011 г.). «Принцип эволюционного уменьшения скорости мутаций в нескольких локусах». Вестник математической биологии. 73 (6): 1227–70. arXiv:0909.2454. Дои:10.1007 / s11538-010-9557-9. PMID  20737227. S2CID  15027684.
  19. ^ Сниговски П.Д., Герриш П.Дж., Джонсон Т., Шейвер А. (декабрь 2000 г.). «Эволюция скорости мутаций: отделяя причины от последствий». BioEssays. 22 (12): 1057–66. Дои:10.1002 / 1521-1878 (200012) 22:12 <1057 :: AID-BIES3> 3.0.CO; 2-W. PMID  11084621.CS1 maint: ref = harv (связь)
  20. ^ Бернштейн Х., Хопф Ф.А., Мишод РЭ (1987). «Молекулярные основы эволюции пола». Достижения в генетике. 24: 323–70. Дои:10.1016 / с0065-2660 (08) 60012-7. ISBN  9780120176243. PMID  3324702.
  21. ^ Орр HA (июнь 2000 г.). «Скорость адаптации асексуалов». Генетика. 155 (2): 961–8. ЧВК  1461099. PMID  10835413.
  22. ^ Качели, Мультфильмы; Ван ден Берг, Брэм; Вуйтс, Сандер; Ойен, Элин; Voordeckers, Карин; Верстрепен, Кевин Дж; Фовар, Маартен; Верстратен, Натали; Михилс, янв (2017-05-02). «Адаптивная настройка скорости мутаций позволяет быстро реагировать на смертельный стресс у Escherichia coli». eLife. 6. Дои:10.7554 / eLife.22939. ISSN  2050-084X. ЧВК  5429094. PMID  28460660.
  23. ^ Линч М. (август 2010 г.). «Эволюция скорости мутаций». Тенденции в генетике. 26 (8): 345–52. Дои:10.1016 / j.tig.2010.05.003. ЧВК  2910838. PMID  20594608.
  24. ^ Сунг В., Акерман М.С., Миллер С.Ф., Доак Т.Г., Линч М. (ноябрь 2012 г.). «Гипотеза барьера дрейфа и эволюция скорости мутаций». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 109 (45): 18488–92. Bibcode:2012PNAS..10918488S. Дои:10.1073 / pnas.1216223109. ЧВК  3494944. PMID  23077252.
  25. ^ Кротти С., Кэмерон С.Э., Андино Р. (июнь 2001 г.). «Катастрофа ошибки РНК-вируса: прямой молекулярный тест с использованием рибавирина». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 98 (12): 6895–900. Bibcode:2001PNAS ... 98.6895C. Дои:10.1073 / pnas.111085598. ЧВК  34449. PMID  11371613.
  26. ^ Рамбаут А., Посада Д., Крэндалл К.А., Холмс ЕС (январь 2004 г.). «Причины и последствия эволюции ВИЧ». Природа Обзоры Генетика. 5 (52–61): 52–61. Дои:10.1038 / nrg1246. PMID  14708016. S2CID  5790569.

внешняя ссылка