Pada simpanse, seperti halnya pada manusia, jumlah mutasi pada keturunan tergantung pada usia ayah // Alexander Markov Scisne?

Fig. 1. Pada kerabat dekat seseorang - simpanse dan bonobo ( di foto ) - betina sering kawin dengan beberapa jantan berturut-turut. Hal ini menyebabkan persaingan antara laki-laki di tingkat sperma ("perang sperma"), yang, pada gilirannya, berkontribusi pada pemilihan spermatogenesis untuk peningkatan testis dan intensifikasi spermatogenesis. Mungkin itu sebabnya jumlah mutasi dalam sel sperma pada simpanse meningkat seiring dengan usia jantan satu setengah kali lebih cepat daripada manusia. Foto dari kevishere.files.wordpress.com

Analisis genom sembilan simpanse, mewakili tiga generasi dari keluarga yang sama, menunjukkan bahwa tingkat mutasi rata-rata kerabat manusia terdekat sama dengan kita: sekitar 1,2 × 10-8 per nukleotida per generasi, yang sesuai dengan sekitar 70 mutasi baru di setiap anak kecil Seperti halnya manusia, jumlah mutasi baru pada anak tidak tergantung pada usia ibu, tetapi sangat tergantung pada usia ayah pada saat pembuahan: setiap tahun tambahan yang dijalani ayah menambah keturunannya rata-rata tiga mutasi (pada manusia - dua). Perbedaan ini kemungkinan besar disebabkan oleh produksi sperma yang lebih intensif pada simpanse, di mana betina kawin dengan banyak pejantan dalam satu baris, yang menimbulkan "perang sperma."

Tingkat mutagenesis adalah salah satu indikator kunci yang menentukan dinamika perubahan evolusioner. Sampai saat ini, nilai ini dihitung oleh tanda-tanda tidak langsung: misalnya, mereka membandingkan waktu kemunculan kelompok, diperkirakan dari data paleontologis, dengan tingkat perbedaan antara genom mereka (lihat Jam Molekuler ). Dalam beberapa tahun terakhir, berkat pengembangan metode baru yang kuat untuk sekuensing genom (lihat Pengurutan DNA: Metode generasi selanjutnya ) menjadi mungkin untuk mengukur tingkat mutagenesis secara langsung dengan membandingkan genom orang tua dan keturunan mereka.

Teknologi ini sudah diterapkan pada manusia. Jadi, pada 2012, jurnal Nature menerbitkan hasil analisis genom lengkap 78 keluarga Islandia - “tiga kali lipat”, yang terdiri dari ayah, ibu, dan anak (A. Kong et al., 2012). Tingkat risiko penyakit ). Studi menunjukkan bahwa laju mutagenesis adalah sekitar 1,2 × 10-8 per nukleotida per generasi. Dalam hal seluruh genom, ini berarti bahwa setiap anak menerima rata-rata 74 mutasi baru dari orang tua.

Angka-angka ini ternyata tidak terduga, karena perkiraan tidak langsung berdasarkan rekonstruksi filogenetik dan data paleontologis menunjukkan tingkat mutagenesis manusia dua kali lebih tinggi. Alasan perbedaan ini, tampaknya, adalah bahwa pada kera besar setelah pemisahan mereka dari primata lain ada penurunan yang signifikan dalam tingkat mutasi (per satu tahun). Penurunan bisa dikaitkan dengan peningkatan usia timbulnya reproduksi dan dengan perlambatan pembentukan sel-sel benih. Jika data baru benar (dan menjadi semakin sulit untuk meragukan hal ini ketika publikasi baru tersedia), maka banyak penanggalan poin-poin utama antropogenesis mungkin memerlukan revisi menuju penuaan. Misalnya, perbedaan antara garis manusia dan simpanse, yang terjadi, menurut perkiraan sebelumnya, 6-7 juta tahun yang lalu, dapat dipindahkan kembali ke masa lalu menjadi 10-13 juta tahun yang lalu. Benar, ada banyak kehalusan, salah satunya adalah bahwa waktu divergensi genom, ditentukan oleh "jam molekuler", karena sejumlah alasan obyektif mungkin lebih dalam di masa lalu daripada waktu spesiasi nyata (pemisahan populasi). Untuk lebih lanjut tentang ini, lihat artikel: A. Scally, R. Durbin, 2012. Merevisi tingkat evolusi manusia (PDF, 812 Kb).

Hasil penting lain yang diperoleh dalam analisis genom lengkap keluarga manusia adalah bahwa ayah dan ibu memberikan kontribusi yang tidak setara terhadap total "beban mutasi" yang diterima anak dari orang tua. Dari jumlah mutasi baru yang diterima anak itu, ia mendapat sekitar 15 dari ibunya, dan sisanya dari ayahnya. Pada saat yang sama, jumlah mutasi baru pada anak hampir tidak bergantung pada usia ibu, tetapi sangat cepat tumbuh seiring dengan usia ayah. Setiap tahun ekstra dari kehidupan ayah menambah sekitar dua mutasi baru pada anak.

Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa pada wanita, mulai dari pembuahan hingga pembentukan sel telur yang matang, hanya terjadi 24 pembelahan sel dan 23 ulangan kromosom (kromosom tidak menggandakan sebelum divisi meiosis kedua). Replikasi kromosom garis kuman perempuan berakhir bahkan selama perkembangan janin, dan selama kehidupan seorang wanita, kromosom sel-sel kumannya tidak lagi bereplikasi. Dengan demikian, jumlah mutasi di dalamnya hampir tidak tumbuh, karena mayoritas mutasi pada sel germinal adalah kesalahan replikasi.

Pada pria, situasinya berbeda. Sel-sel nenek moyang spermatozoa dibagi sepanjang kehidupan dewasa, menjalani satu divisi setiap 16 hari (23 divisi per tahun) sejak mencapai masa pubertas. Dipercayai bahwa sperma seorang lelaki berusia 15 tahun melewati sekitar 35 pembelahan sel, seorang lelaki berumur 20 tahun - 150, 30 tahun - 380, 40 tahun - 610, 50 tahun - 840. Setiap tindakan replikasi merupakan risiko mutasi tambahan, oleh karena itu lebih tua pria, semakin banyak mutasi pada spermanya (JF Crow, 2000. Asal mula mutasi spontan manusia ). A. Kondrashov berbicara secara rinci tentang fakta-fakta dan studi-studi ini dalam sebuah wawancara yang dipublikasikan pada Elements (Alexey Kondrashov, Nadezhda Markina. Hidup tanpa seleksi: baik atau berbahaya? ).

Dan di sini kita akhirnya mendapat kesempatan untuk membandingkan parameter proses mutasi Homo sapiens dan kerabat terdekat kita - simpanse. Genetika dari Inggris dan Belanda mengurutkan dan membandingkan genom lengkap dari sembilan simpanse dari tiga generasi dari keluarga yang sama (Gbr. 2).

Meskipun sampelnya kecil (penelitian seperti itu masih sangat mahal dan memakan waktu), data yang diperoleh memungkinkan kami untuk memperkirakan kira-kira karakteristik kuantitatif kunci mutagenesis pada simpanse.

Para penulis menghitung mutasi baru dalam enam individu, yaitu yang genomnya diketahui orang tua: D, E, F, G, H, I. Secara total, mereka menemukan 204 mutasi baru di autosom dan tiga di kromosom X. Di antara mutasi yang ditemukan, proporsi yang signifikan (24%) terdiri dari substitusi C untuk transisi T (C> T) dalam dinukleotida CG (lihat Situs CpG ). Pada manusia, penggantian tersebut merupakan 17% dari mutasi yang baru muncul.

Mutasi yang baru terjadi tidak terdistribusi secara merata di seluruh genom: mereka cenderung mengelompok. Dengan kata lain, jika suatu mutasi muncul di lokus dalam proses replikasi, kemungkinan terjadinya yang lain di suatu tempat dalam tindakan replikasi yang sama di suatu tempat di lingkungan meningkat. Pola serupa telah ditemukan pada manusia, yang penyebabnya belum diklarifikasi. Pada saat yang sama, probabilitas mutasi baru tidak tergantung pada "konten semantik" dari segmen DNA ini, apakah itu merupakan urutan yang unik atau berulang, gen atau celah intergenik.

Untuk sebagian besar mutasi yang diidentifikasi, penulis dapat menentukan (dengan serangkaian polimorfisme di sekitar mutasi) apakah itu diperoleh dari ayah atau dari ibu. Ternyata pada simpanse, seperti pada manusia, ayah, dibandingkan dengan ibu, mentransfer genom ke anak-anak mereka, yang jauh lebih kuat daripada mutasi. Ada 5,5 kali lebih banyak mutasi ayah dari mutasi ibu (3,9 kali pada manusia).

Seperti pada manusia, jumlah mutasi baru pada simpanse tidak tergantung pada usia ibu (ibu pada usia berapa pun mentransmisikan anak sapi rata-rata 6,7 ​​mutasi baru), tetapi pada saat yang sama ia tumbuh dengan cepat seiring dengan usia ayah. Ketergantungan ini bahkan dalam sampel kecil seperti itu secara statistik signifikan. Pada manusia, setiap tahun ekstra kehidupan ayah, mulai saat pubertas, menambahkan rata-rata 1,95 mutasi baru ke keturunan, dan pada simpanse, ia menambahkan 3,02. Perbedaannya kemungkinan besar karena struktur hubungan pernikahan. Dalam komunitas simpanse, betina biasanya tidak memiliki loyalitas kepada satu jantan, yang berkontribusi pada "perang sperma" dan seleksi untuk spermatogenesis yang lebih intensif (lihat Gambar 1).

Jika asumsi ini benar, orang harus berharap bahwa gorila dengan sistem haremnya, kesetiaan perempuan, kurangnya perang sperma dan testis kecil, harus meningkatkan jumlah mutasi dalam sel sperma dengan usia laki-laki daripada simpanse dan manusia.

Untuk menilai tingkat rata-rata mutagenesis pada simpanse, penulis harus memperhitungkan perbedaan penting antara kelompok simpanse yang diteliti yang hidup di penangkaran dan kerabat liar. Di penangkaran, simpanse biasanya mulai berkembang biak pada usia yang lebih awal daripada di alam. Ini tampaknya terkait dengan hubungan kompetitif hierarkis dalam komunitas simpanse alami di mana remaja jarang diizinkan untuk berpartisipasi dalam pemuliaan. Bagaimanapun, dalam keluarga simpanse yang diteliti, rata-rata "usia paternitas" (yaitu, usia rata-rata jantan pada saat konsepsi kaum muda) adalah 18,9 tahun, dan rata-rata "usia ibu" adalah 15,0 tahun. Untuk populasi simpanse liar, diperkirakan jumlah ini jauh lebih tinggi: 24,3 untuk jantan dan 26,3 untuk betina. Pada orang modern, usia ayah rata-rata bahkan lebih tinggi: sekitar 31,5 tahun. Dengan kata lain, pada simpanse liar, jantan pada saat pembuahan anak-anak, rata-rata, lebih tua daripada populasi yang diteliti, yang berarti bahwa keturunan mereka harus memiliki lebih banyak mutasi. Mempertimbangkan hal ini dan sejumlah koreksi lainnya, penulis menghitung bahwa jumlah rata-rata mutasi autosomal baru pada simpanse liar adalah sekitar 69, dan laju mutagenesis adalah 1,2 × 10-8 per nukleotida per generasi (seperti pada manusia).

Jika perkiraan ini benar (ingat bahwa itu didasarkan pada sampel yang sangat kecil dan dapat secara signifikan disempurnakan di masa depan) dan jika laju mutagenesis belum mengalami fluktuasi yang signifikan sejak masa divergensi leluhur simpanse dan manusia, kemudian menggunakan metode jam molekuler, Anda dapat sekali lagi mencoba untuk mengevaluasi masa hidup leluhur bersama manusia dan simpanse terakhir. Para penulis melakukan ini dan mendapatkan hasilnya: 13 juta tahun yang lalu. Penulis lain baru-baru ini sampai pada perkiraan yang sama (K. Langergraber et al., 2012. Lonceng dan gorila ).

Tetapi tetap hasil yang paling menarik dari penelitian ini adalah indikasi kemungkinan pengaruh struktur masyarakat dan hubungan perkawinan pada kecepatan evolusi molekuler. Pengaruhnya dapat berlipat ganda: pertama, jumlah mutasi pada keturunan tergantung pada usia di mana jantan mulai berpartisipasi dalam pemuliaan, dan yang, pada gilirannya, ditentukan tidak hanya oleh fisiologi, tetapi juga oleh struktur sosial dan tradisi budaya. Kedua, "perang sperma" karakteristik komunitas promiscuous berkontribusi pada pemilihan spermatogenesis untuk intensifikasi, yang dapat menyebabkan peningkatan yang cepat dalam jumlah mutasi pada spermatozoa dengan usia laki-laki.

Sumber: Oliver Venn, Isaac Turner, Iain Mathieson, Natasja de Groot, Ronald Bontrop, dan Gil McVean. Bias jantan yang kuat mendorong mutasi germline pada simpanse // Sains . 2014. V. 344. P. 1272-1275.

Alexander Markov
"Elemen"