Очищающий отбор

Очищающий отбор (англ. purifying selection, negative selection) — форма естественного отбора, направленная на удаление из популяции вредных мутаций, снижающих приспособленность (фитнес) организмов. В отличие от движущего (направленного) и дизруптивного (разрывающего) отбора, очищающий отбор не создаёт новых адаптаций, а поддерживает существующий фенотип и генотип, препятствуя накоплению генетического груза. Является одним из основных механизмов, обеспечивающих стабильность видовых признаков в течение длительных периодов эволюции.

История изучения

Концепция отбора, устраняющего неблагоприятные варианты, восходит к работам Чарльза Дарвина, который в книге «Происхождение видов» (1859) описал, как особи с невыгодными уклонениями «будут иметь мало шансов на выживание». Однако сам термин «очищающий отбор» был введён в середине XX века в рамках синтетической теории эволюции. Развитие популяционной генетики, в частности работы Р. Фишера, Дж. Холдейна и С. Райта, позволило математически описать давление отбора на вредные мутации. В 1960-х годах М. Кимура предложил нейтральную теорию молекулярной эволюции, согласно которой большая часть мутаций нейтральна или почти нейтральна, а очищающий отбор действует только на явно вредные замены. С развитием методов секвенирования ДНК и сравнительной геномики в конце XX — начале XXI века стало возможным количественно оценивать интенсивность очищающего отбора в геномах различных организмов.

Механизм действия

Очищающий отбор работает на уровне индивидуальных организмов. Особи, несущие вредные мутации, имеют пониженную выживаемость, плодовитость или конкурентоспособность по сравнению с носителями нормальных аллелей. В результате такие особи оставляют меньше потомства, и частота вредных аллелей в популяции снижается. Эффективность очищающего отбора зависит от нескольких факторов:

• Коэффициент отбора (s) — мера снижения приспособленности, вызванного мутацией. Чем выше s, тем быстрее удаляется мутация.
• Эффективная численность популяции (Ne) — в больших популяциях очищающий отбор эффективнее, так как случайные генетические дрейфы меньше влияют на частоты аллелей. В малых популяциях вредные мутации могут закрепляться случайно, несмотря на отбор.
• Степень доминантности — рецессивные вредные мутации могут долго сохраняться в популяции в гетерозиготном состоянии, не проявляясь фенотипически, пока не встретятся в гомозиготе.
• Плейотропия — мутация, вредная в одном контексте, может быть полезной в другом, что усложняет действие отбора.

Типы мутаций, подверженных очищающему отбору

Очищающий отбор наиболее эффективен против мутаций, которые:

• Летальные — приводят к гибели организма на ранних стадиях развития (например, нарушения в генах, необходимых для эмбриогенеза).
• Вредные — снижают жизнеспособность или плодовитость (например, мутации, нарушающие структуру ферментов или белков клеточного скелета).
• Слабоповреждающие — незначительно снижают приспособленность, но могут накапливаться в популяции, создавая генетический груз. В больших популяциях такие мутации удаляются медленно, но эффективно.

Мутации, не влияющие на приспособленность (нейтральные), а также полезные мутации (редкие) не подвергаются очищающему отбору.

Очищающий отбор в геномах

В геномике очищающий отбор выявляют путём сравнения последовательностей ДНК разных видов. Консервативные участки генома (гены, регуляторные элементы), которые остаются неизменными на протяжении миллионов лет, считаются находящимися под действием очищающего отбора. Напротив, быстро эволюционирующие участки (например, псевдогены, некодирующие повторы) обычно не подвергаются очищающему отбору.

Ключевые показатели интенсивности очищающего отбора:

• Соотношение Ka/Ks (или dN/dS) — отношение числа несинонимичных (изменяющих аминокислоту) замен к числу синонимичных (не изменяющих). Если Ka/Ks < 1, это указывает на очищающий отбор, так как несинонимичные замены, часто вредные, удаляются. Если Ka/Ks = 1 — нейтральная эволюция, если > 1 — положительный отбор.
• Сайт-специфический анализ — выявление кодонов, в которых мутации встречаются реже, чем ожидалось при нейтральной модели.

Значение в эволюции и медицине

Очищающий отбор играет фундаментальную роль в поддержании генетического здоровья популяций. Без него вредные мутации накапливались бы, что привело бы к вырождению (мутационному коллапсу). В то же время, чрезмерно сильный очищающий отбор может снижать генетическое разнообразие, ограничивая адаптивный потенциал вида.

В медицинской генетике очищающий отбор объясняет редкость многих наследственных заболеваний: мутации, вызывающие тяжёлые болезни (например, муковисцидоз, серповидно-клеточная анемия в гомозиготном состоянии), обычно быстро удаляются из популяции. Однако некоторые вредные мутации сохраняются благодаря гетерозиготному преимуществу (например, устойчивость к малярии у носителей серповидно-клеточного признака). В современной популяции человека, благодаря развитию медицины, действие очищающего отбора на некоторые мутации ослаблено, что может приводить к накоплению генетического груза. Это является предметом дискуссий в эволюционной медицине.

Очищающий отбор и искусственный отбор

В селекции растений и животных человек целенаправленно применяет принципы очищающего отбора, отбраковывая особи с нежелательными признаками (низкая урожайность, подверженность болезням, дефекты экстерьера). В отличие от естественного очищающего отбора, искусственный отбор может быть более жёстким и направленным на конкретные хозяйственно ценные признаки. В современной селекции методы маркер-ассоциированного отбора позволяют выявлять и удалять вредные аллели на генетическом уровне, что ускоряет процесс.

Критика и ограничения

Концепция очищающего отбора подвергалась критике в рамках нейтральной теории, которая утверждает, что большинство мутаций не имеют селективного значения. Однако сравнительные геномные исследования показали, что в функционально важных участках генома очищающий отбор является доминирующей силой. Другая сложность — различение очищающего и стабилизирующего отбора. Стабилизирующий отбор поддерживает оптимальный фенотип, но может действовать не только на вредные мутации, но и на крайние варианты нормальных признаков. На практике эти два процесса часто перекрываются.

Интересные факты

• У человека около 70–80 % всех несинонимичных мутаций находятся под действием очищающего отбора, то есть являются вредными и удаляются.
• В геноме бактерий очищающий отбор действует особенно интенсивно из-за огромных эффективных размеров популяций, что приводит к высокой консервативности генов.
• У некоторых паразитических организмов, живущих в стабильной среде (например, внутриклеточные бактерии), очищающий отбор может ослабевать, что ведёт к редукции генома и потере многих генов.

Источники

• Дарвин Ч. Происхождение видов. — 1859.
• Кимура М. Нейтральная теория молекулярной эволюции. — 1983.
• Левонтин Р. Генетические основы эволюции. — 1974.
• Nei M. Molecular Evolutionary Genetics. — 1987.
• Charlesworth B., Charlesworth D. Elements of Evolutionary Genetics. — 2010.
• Nielsen R. Molecular signatures of natural selection // Annual Review of Genetics. — 2005.
• Eyre-Walker A., Keightley P.D. The distribution of fitness effects of new mutations // Nature Reviews Genetics. — 2007.