Введение

Генетический дрейф, также известный как случайный генетический дрейф, аллельный дрейф или эффект Райта, — это изменение частоты существующего варианта гена (аллеля) в популяции вследствие случайных факторов. Генетический дрейф может приводить к полному исчезновению вариантов генов и, тем самым, к снижению генетического разнообразия. Он также может приводить к тому, что изначально редкие аллели становятся значительно более распространенными и даже фиксируются в популяции. Эффект генетического дрейфа более заметен, когда существует небольшое количество копий аллеля, и менее заметен, когда их много (в соответствии с законом больших чисел). В середине XX века развернулись оживленные дебаты о сравнительной важности естественного отбора и нейтральных процессов, включая генетический дрейф. Рональд Фишер, объяснивший естественный отбор с использованием менделевской генетики, считал, что генетический дрейф играет в эволюции, в большинстве случаев, незначительную роль, и эта точка зрения оставалась доминирующей на протяжении нескольких десятилетий. В 1968 году популяционный генетик Мотоо Кимура вновь поднял эту тему, представив нейтральную теорию молекулярной эволюции, которая утверждает, что большинство случаев распространения генетических изменений в популяции (хотя и не обязательно изменений в фенотипах) обусловлено генетическим дрейфом, действующим на нейтральные мутации. В 1990-х годах была предложена концепция конструктивной нейтральной эволюции, стремящаяся объяснить, как сложные системы возникают в результате нейтральных переходов.

Аналогия с шарик в банке

Процесс генетического дрейфа можно проиллюстрировать, используя 20 шаров в банке, чтобы представить 20 организмов в популяции. Считайте эту банку шаров исходной популяцией. Половина шаров в банке красные, а другая половина – синие, причем каждый цвет соответствует различному аллелю одного гена в популяции. В каждом новом поколении организмы размножаются случайным образом. Чтобы смоделировать это размножение, случайным образом выберите шар из исходной банки и поместите шар того же цвета в новую банку. Это «потомство» исходного шара, то есть исходный шар остается в своей банке. Повторяйте этот процесс, пока в новой банке не окажется 20 новых шаров. Вторая банка теперь будет содержать 20 «потомков», то есть шары разных цветов. Если во второй банке не окажется ровно 10 красных и 10 синих шаров, произойдет случайное изменение частот аллелей. Если этот процесс повторять несколько раз, количество красных и синих шаров, выбранных в каждом поколении, будет колебаться. Иногда в банке будет больше красных шаров, чем в «родительской» банке, а иногда больше синих. Это колебание аналогично генетическому дрейфу – изменению частоты аллелей в популяции, вызванному случайным изменением распределения аллелей из поколения в поколение. В любом поколении может случиться так, что ни один шар определенного цвета не будет выбран, то есть у него не будет потомства. В этом примере, если не будет выбрано ни одного красного шара, банка, представляющая новое поколение, будет содержать только синих потомков. Если это произойдет, красный аллель будет навсегда утрачен в популяции, а оставшийся синий аллель станет зафиксированным: все будущие поколения будут полностью синими. В небольших популяциях фиксация может произойти всего за несколько поколений.

Математические модели

Математические модели генетического дрейфа могут быть построены на основе ветвящихся процессов или диффузионного уравнения, описывающего изменения частот аллелей в идеализированной популяции.

Модель Райта-Фишера

Рассмотрим ген с двумя аллелями, А или В. В диплоидии популяции, состоящие из N индивидуумов, имеют 2N копий каждого гена. Индивидуум может иметь две копии одного и того же аллеля или два разных аллеля. Частота одного аллеля обозначается как p, а другого – как q. Модель Райта-Фишера (названная в честь Сеуолла Райта и Рональда Фишера) предполагает, что поколения не перекрываются (например, однолетние растения имеют ровно одно поколение в год) и что каждая копия гена в новом поколении извлекается независимо и случайным образом из всех копий гена в предыдущем поколении. Формула для вычисления вероятности получения k копий аллеля, который имел частоту p в предыдущем поколении, имеет вид

где символ "!" обозначает факториал. Это выражение также можно представить, используя биномиальный коэффициент:

Модель Морана

Модель Морана предполагает перекрытие поколений. На каждом шаге времени выбирается один индивид для размножения и один индивид для смерти. Таким образом, на каждом временном шаге число копий данного аллеля может увеличиться на единицу, уменьшиться на единицу или остаться прежним. Это означает, что матрица переходов является трехдиагональной, что облегчает получение математических решений для модели Морана по сравнению с моделью Райта-Фишера. С другой стороны, компьютерное моделирование обычно проще проводить с использованием модели Райта-Фишера, поскольку требуется рассчитать меньше временных шагов. В модели Морана для прохождения одного поколения требуется N шагов времени, где N – эффективный размер популяции. В модели Райта-Фишера требуется всего один шаг. На практике модели Морана и Райта-Фишера дают качественно схожие результаты, но генетический дрейф протекает в два раза быстрее в модели Морана.

Другие модели дрейфа

Если изменчивость числа потомков значительно превышает ту, что предсказывается биномиальным распределением, используемым в модели Райта-Фишера, то при той же скорости генетического дрейфа (дисперсия эффективного размера популяции) генетический дрейф будет оказывать меньшее влияние по сравнению с отбором.

Случайные эффекты, кроме ошибки выборки

Случайные изменения частоты аллелей могут быть вызваны и другими эффектами, помимо ошибки выборки, например, случайными изменениями селективного давления. Один из важных альтернативных источников стохастичности, возможно, более важный, чем генетический дрейф, – генетический шлейф. Генетический шлейф – это влияние на локус со стороны отбора на сцепленные локусы. Математические свойства генетического шлейфа отличаются от свойств генетического дрейфа. Направление случайного изменения частоты аллелей автокоррелировано между поколениями. Однако в конечных популяциях новые аллели не возникают в результате случайной выборки аллелей, передаваемых следующему поколению, но выборка может привести к исчезновению существующего аллеля. Поскольку случайная выборка может удалить, но не заменить аллель, и поскольку случайные уменьшения или увеличения частоты аллелей влияют на ожидаемое распределение аллелей в следующем поколении, генетический дрейф со временем подталкивает популяцию к генетической однородности. Когда частота аллеля достигает 1 (100%), говорят, что он "зафиксировался" в популяции, а когда частота аллеля достигает 0 (0%), он теряется. В небольших популяциях фиксация происходит быстрее, в то время как в пределе бесконечной популяции фиксация не достигается. Как только аллель фиксируется, генетический дрейф прекращается, и частота аллелей не может измениться, если новый аллель не будет введен в популяцию посредством мутации или потока генов. Таким образом, даже если генетический дрейф является случайным, недетерминированным процессом, он приводит к снижению генетического разнообразия с течением времени.

Время до потери как с дрейфом, так и с мутацией

Вышеуказанные формулы применимы к аллелю, который уже присутствует в популяции и не подвергается ни мутациям, ни естественному отбору. Если аллель теряется в результате мутаций гораздо чаще, чем приобретается, то мутации, наряду с дрейфом, могут влиять на время его потери. Если аллель, склонный к мутационной потере, изначально фиксирован в популяции и теряется в результате мутаций со скоростью m на репликацию, то ожидаемое время в поколениях до его потери в гаплоидной популяции определяется выражением:

где γ – постоянная Эйлера. Первое приближение представляет собой время ожидания появления первого мутанта, обреченного на потерю, после чего потеря происходит относительно быстро под действием генетического дрейфа, занимая время . Второе приближение представляет время, необходимое для детерминированной потери в результате накопления мутаций. В обоих случаях время до потери определяется мутациями через член , и в меньшей степени зависит от эффективного размера популяции.

Против естественного отбора

В естественных популяциях генетический дрейф и естественный отбор не действуют изолированно; оба явления всегда в игре, вместе с мутацией и миграцией. Нейтральная эволюция – это результат как мутации, так и дрейфа, а не только дрейфа. Аналогично, даже когда отбор подавляет генетический дрейф, он может действовать только на вариации, которые предоставляет мутация. В то время как естественный отбор имеет направление, направляющее эволюцию к наследственным адаптациям к текущей среде, генетический дрейф не имеет направления и руководствуется лишь математикой случайности. В результате дрейф воздействует на генотипические частоты в популяции, не принимая во внимание их фенотипические эффекты. В отличие от этого, отбор благоприятствует распространению аллелей, фенотипические эффекты которых увеличивают выживаемость и/или размножение их носителей, снижает частоты аллелей, вызывающих неблагоприятные признаки, и игнорирует нейтральные аллели. Закон больших чисел предсказывает, что когда абсолютное число копий аллеля мало (например, в небольших популяциях), величина дрейфа на частоты аллелей в каждом поколении больше. Величина дрейфа достаточно велика, чтобы подавить отбор при любой частоте аллелей, когда коэффициент отбора меньше 1, деленного на эффективный размер популяции. Неадаптивная эволюция, являющаяся продуктом мутации и генетического дрейфа, поэтому считается важным механизмом эволюционных изменений, особенно в небольших, изолированных популяциях. Математика генетического дрейфа зависит от эффективного размера популяции, но неясно, как это связано с фактическим числом особей в популяции. Этот эффект проявляется в молекулярных данных как корреляция между локальной скоростью рекомбинации и генетическим разнообразием, а также отрицательная корреляция между плотностью генов и разнообразием в некодирующих областях ДНК. Стохастичность, связанная с линковкой к другим генам, находящимся под отбором, не является тем же, что ошибка выборки, и иногда называется генетическим дрейфом (genetic draft), чтобы отличить ее от генетического дрейфа. Влияние "узкого горлышка" популяции может сохраняться, даже если "узкое горлышко" вызвано однократным событием, таким как стихийное бедствие. Интересным примером "узкого горлышка", вызывающего необычное генетическое распределение, является относительно высокая доля людей с полной цветовой слепотой (ахроматопсией) на атолле Пингелап в Микронезии. После "узкого горлышка" увеличивается инбридинг. Это усиливает ущерб, наносимый рецессивными вредными мутациями, в процессе, известном как депрессия инбридинга. Наиболее вредные из этих мутаций отбраковываются, что приводит к потере других аллелей, генетически связанных с ними, в процессе фонового отбора. Потеря вариативности делает выжившую популяцию уязвимой к любым новым селекционным давлениям, таким как болезни, изменение климата или изменение доступного источника пищи, поскольку адаптация в ответ на изменения окружающей среды требует достаточного генетического разнообразия в популяции для осуществления естественного отбора. В недавнем прошлом было много известных случаев "узкого горлышка" в численности популяций. До прибытия европейцев в Северной Америке на прериях обитали миллионы больших степных тетеревов. Только в штате Иллинойс их численность резко сократилась с примерно 100 миллионов птиц в 1900 году до около 50 птиц в 1990-х годах. Снижение численности популяции произошло из-за охоты и уничтожения среды обитания, но следствием стала потеря большей части генетического разнообразия вида. Анализ ДНК, сравнивающий птиц середины века с птицами 1990-х годов, показывает резкое снижение генетической вариации только за последние несколько десятилетий. В настоящее время у больших степных тетеревов низкий репродуктивный успех. Однако генетические потери, вызванные "узким горлышком" и генетическим дрейфом, могут повысить приспособленность, как, например, у Ehrlichia. Чрезмерная охота также вызвала серьезное "узкое горлышко" популяции северного морского слона в 19 веке. Снижение их генетического разнообразия можно установить, сравнив его с генетическим разнообразием южного морского слона, на которого охотились не так агрессивно.

Эффект основателя

Эффект основателя – это частный случай эффекта бутылочного горлышка, возникающий, когда небольшая группа особей отделяется от исходной популяции и формирует новую. Случайная выборка аллелей в новообразованной колонии, как ожидается, будет существенно отличаться от исходной популяции по крайней мере в некоторых аспектах. Вполне возможно, что число аллелей для определенных генов в исходной популяции превышает количество копий этих генов у основателей, что делает полное представление невозможным. Если новообразованная колония невелика, ее основатели могут сильно повлиять на генетический состав популяции на долгое время в будущем. Хорошо документированным примером является миграция амишей в Пенсильванию в 1744 году. Два члена новой колонии несли рецессивный аллель, ответственный за синдром Эллиса-Вана Кревельда. Члены колонии и их потомки, как правило, являются религиозными изолятами и сохраняют относительную обособленность. В результате многократных инбридингов синдром Эллиса-Вана Кревельда сейчас гораздо чаще встречается среди амишей, чем в общей популяции. Различия в частотах генов между исходной популяцией и колонией также могут привести к значительному расхождению между этими двумя группами на протяжении многих поколений. По мере увеличения различий, или генетического расстояния, две обособленные популяции могут стать различными как генетически, так и фенотипически, хотя к этому расхождению способствуют не только генетический дрейф, но и естественный отбор, генный поток и мутации. Этот потенциал для относительно быстрых изменений в частоте генов колонии заставил большинство ученых рассматривать эффект основателя (и, как следствие, генетический дрейф) как значимую движущую силу в эволюции новых видов. Сьюолл Райт первым придал этому значение, связав случайный дрейф и небольшие, недавно изолированные популяции со своей теорией смещения баланса в видообразовании. После Райта Эрнст Майр разработал множество убедительных моделей, демонстрирующих, что снижение генетической вариации и небольшая численность популяции после эффекта основателя критически важны для развития новых видов. Однако в настоящее время эта точка зрения имеет меньше поддержки, поскольку гипотеза неоднократно проверялась экспериментальными исследованиями, результаты которых были в лучшем случае неоднозначными.

История

Роль случайного фактора в эволюции была впервые описана Арендом Л. Хагедорном и А. С. Хагедорном Ворстеувелом Ла Брендом в 1921 году. Они подчеркнули, что случайное выживание играет ключевую роль в утрате изменчивости популяциями. Фишер (1922) ответил на это первым, хотя и несколько неточным, математическим анализом «эффекта Хагедорна». Важно отметить, что он полагал, что многие естественные популяции слишком велики (N ~ 10 000), чтобы эффекты дрейфа были значительными, и считал, что дрейф окажет незначительное влияние на эволюционный процесс. Более точная математическая разработка и термин «генетический дрейф» были позже предложены одним из основоположников популяционной генетики, Сеуоллом Райтом. Он впервые использовал термин «дрейф» в 1929 году, хотя в то время понимал под ним направленный процесс изменения, или естественный отбор. Случайный дрейф, обусловленный ошибкой выборки, стал известен как «эффект Сеуолла-Райта», хотя он никогда не был полностью доволен тем, что его имя было связано с ним. Райт определял все изменения частоты аллелей как «стабильный дрейф» (например, отбор) или «случайный дрейф» (например, ошибка выборки). Термин «дрейф» стал использоваться в качестве технического термина исключительно в стохастическом смысле. Сегодня он обычно определяется еще более узко, в терминах ошибки выборки, хотя это узкое определение не является общепринятым. Райт писал, что «ограничение «случайного дрейфа» или даже «дрейфа» только одним компонентом – эффектами случайности при отборе образцов – имеет тенденцию приводить к путанице». В первые годы развития современной эволюционной синтеза ученые начали объединять новую науку популяционной генетики с теорией естественного отбора Чарльза Дарвина. В этом контексте Райт сосредоточился на влиянии инбридинга на небольшие, относительно изолированные популяции. Он ввел концепцию адаптивного ландшафта, в которой такие явления, как кроссбридинг и генетический дрейф в небольших популяциях, могут отталкивать их от адаптивных пиков, что, в свою очередь, позволяет естественному отбору направлять их к новым адаптивным пикам. Райт считал, что небольшие популяции больше подходят для естественного отбора, поскольку «инбридинг был достаточно интенсивным, чтобы создавать новые системы взаимодействий посредством случайного дрейфа, но недостаточно интенсивным, чтобы вызвать случайную неадаптивную фиксацию генов». Взгляды Райта на роль генетического дрейфа в эволюционной схеме были спорными практически с самого начала. Одним из наиболее резких и влиятельных критиков был его коллега Рональд Фишер. Фишер признавал, что генетический дрейф играет определенную роль в эволюции, но незначительную. Фишера обвиняли в непонимании взглядов Райта, поскольку в своей критике он, казалось, утверждал, что Райт практически полностью отверг отбор. Для Фишера рассмотрение процесса эволюции как длительного, устойчивого, адаптивного прогресса было единственным способом объяснить постоянно возрастающую сложность, возникающую из более простых форм. Но дебаты между «градуалистами» и сторонниками модели эволюции Райта, где отбор и дрейф играют важную роль вместе, продолжаются. В 1968 году Мотоо Кимура вновь разжег дискуссию своей нейтральной теорией молекулярной эволюции, которая утверждает, что большинство генетических изменений вызывается генетическим дрейфом, действующим на нейтральные мутации, и Уильям Б. Провайн, которые утверждают, что отбор на сцепленных локусах является более важной стохастической силой.