Является ли теория мутаций «действительной» для сложных организмов?

Изменение генетической дисперсии

Из того, чему меня учили, естественный отбор (или даже искусственный отбор) отлично подходит для выделения благоприятных генов вида и выведения их на передний план, однако он не вносит новых генетических изменений.

Да, вы во многом правы. В данной популяции направленный отбор в конечном итоге уменьшит генетическую изменчивость (естественный отбор отбирает несколько вариантов, позволяя другим вариантам исчезнуть и, следовательно, уменьшая генетическую изменчивость), в то время как мутации возвращают изменчивость в популяцию, в которой может происходить дальнейший отбор.

Чтобы пойти немного дальше (но не слишком развивая эту часть): генетический дрейф уменьшает генетическую изменчивость (в среднем). Уравновешивающий отбор (например, отрицательный частотно-зависимый отбор или пространственно-неоднородный отбор) помогает сохранить изменчивость (но никогда не создает больше изменчивости) по сравнению с тем, что мог бы сделать только генетический дрейф. Различные виды пространственной структуры популяции также влияют на модели генетической изменчивости. Важно понимать, что в изолированной популяции мутация — единственный процесс, который может создавать новые варианты.

Мутации в многоклеточных организмах - соматические и гермалиновые мутации

Кажется, вы называете сложным организмом то, что мы обычно называем многоклеточными организмами. Вы совершенно правы в том, что некоторые мутации могут передаваться, а другие нет.

Как вы сказали, мутация, происходящая в левой ноге, никогда не будет обнаружена в ваших гаметах. Мы называем такие мутации, которые не могут передаваться соматическими мутациями . С другой стороны, мутации, которые могут передаваться, называются мутациями зародышевой линии . Конечно, у одноклеточных особей все мутации являются мутациями зародышевой линии.

[..] разве эти уже редкие мутации не передаются потомству только в том случае, если они происходят в недолговечных сперматозоидах или яйцеклетках одного из родителей

Мутации зародышевой линии — это не только мутации, происходящие в яйцеклетках или сперматозоидах (яйцеклетки и сперматозоиды называются гаметами ). Мутации зародышевой линии — это любые мутации в пределах линии гамет . Например, мутация, возникающая во время митоза во время фазы морулы в правой клетке, также является мутацией зародышевой линии. Мутация, которая происходит в яичках во время деления клетки type Ad spermatogomium, чтобы дать начало другой клетке type Ad spermatogomium, type Ap spermatogomiumтакже является мутацией зародышевой линии (см. рисунок внизу этого ответа и см.Age-specific mutation rateраздел). Таким образом, существует множество делений, во время которых мутации зародышевой линии могут происходить в больших многоклеточных организмах, в то время как мутации (зародышевой линии) могут возникать только во время одного клеточного деления в одноклеточных организмах.

Сколько новых мутаций люди передали своим потомкам?

Вообще говоря, частота мутаций зародышевой линии на нуклеотид составляет около$10^{-8} \text{or } 10^{-9}$но не придавайте этому значению слишком большого значения, поскольку частота мутаций на нуклеотид сильно различается между видами и особенно между разными областями генома. К вашему сведению, гаплоидный геном человека (просто для примера) состоит примерно из 3 миллиардов ($3\cdot 10^9$) пар оснований.

Количество новых мутаций на одно потомство у людей представляет собой распределение Пуассона со средним значением и дисперсией около 100 мутаций (эта оценка может быть весьма неточной). Возможно, это больше мутаций, чем вы могли ожидать.

Возрастная частота мутаций

Обычно в яичках происходит много клеточных делений, чтобы произвести очень важное количество сперматозоидов, которые мужчина производит за свою жизнь (см. рисунок внизу этого ответа и см. сперматогоний ). Мутации также происходят во время этих делений, поэтому мы наблюдаем корреляцию между возрастом отца и количеством новых мутаций, передаваемых потомству. Хонг и др. (2012) предлагают использовать следующую формулу. Число новых мутаций, передаваемых потомству от отца, у человека равно$25 + 2(g-20)$, куда$g$это возраст отца. Конечно, это всего лишь формула, достаточно хорошо согласующаяся с наблюдениями, но не имеющая теоретического смысла. Эта формула применима только к мужчинам старше 20 лет.

Правило Дрейка

Эмпирические наблюдения показывают, что чем выше число пар оснований$n$, тем ниже частота мутаций на пару оснований$\mu$. Эта корреляция между$n$а также$\mu$является примерно линейным с наклоном около 1. Другими словами, частота мутаций в масштабе всего генома$U = \mu \cdot n$более или менее постоянен у всех видов. Эта корреляция называется правилом Дрейка, и опять же, это грубое приближение к более сложной реальности.

Половое размножение против бесполого размножения

Я не совсем понимаю, почему вы говорите о половом размножении в своем посте. Обратите внимание, что частота мутаций при мейозе (процессе, происходящем при половом размножении) намного выше, чем при митозе .

Мутационные эффекты

Эффект мутации — это эффект данной новой мутации зародышевой линии. Конечно, не все мутации имеют одинаковый эффект, и поэтому существует распределение мутационных эффектов . Самые последние исследования (часто эксперименты по накоплению мутаций ), как правило, показывают, что сильно асимметричное гамма-распределение(отрицательное экспоненциальное распределение является частным случаем гамма-распределения) хорошо подходит для моделирования распределения мутационных эффектов как полезных, так и вредных мутаций. Таким образом, оценивается, что все распределение мутационных эффектов лучше всего моделируется гамма-распределением для полезных мутаций и обратным гамма-распределением для вредных мутаций, помещенных рядом (где плотность вероятности наличия совершенно нейтральной мутации находится на пересечении два гамма-распределения). Точные параметры этих распределений, вероятно, различаются в зависимости от вида, но, скорее всего, в зависимости от конкретного рассматриваемого участка ДНК. В разных работах даны разные оценки ( работа П. Кейтлина эту тему особенно влиятельна). Возможно, вы захотите взглянуть на этот ответ , чтобы получить сводку эмпирических данных о мутационных эффектах ... Два гамма-распределения необходимо масштабировать, чтобы убедиться, что все это в сумме равно единице, и я не знаю ни одной бумаги. которые предлагают фактические параметры для этого масштабирования.

Вероятность фиксации

Фиксация - это событие, при котором данный аллель (= вариант гена) достигает частоты 1 в популяции. Другими словами, один аллель фиксируется всякий раз, когда рассматриваемый локус (= геномная область произвольного размера) больше не является полиморфным в популяции. Вероятность фиксации данной мутации является очень важным статистическим показателем. Давай позвоним$s$эффект мутации (если$s>0$, мутация выгодна). Вероятность фиксации нейтральной мутации при заданном размере популяции равна$P(s=0 | N) = \frac{1}{2N}$(предполагая диплотический жизненный цикл), как это может быть продемонстрировано из теории коалесцента, модели генетического дрейфа Райта-Фишера или модели Морана (рождение-смерть). Вероятность фиксации полезной мутации выше, а вероятность фиксации вредной мутации ниже. Эти вероятности можно оценить с помощью различных методов, в которых используются разные предположения: метод Холдейна (при условии, что количество потомков соответствует распределению Пуассона), метод Кимуры (с использованием уравнений диффузии), модели рождения-смерти и т. д. Некоторые методы предполагают небольшие значения. из$s$, некоторые другие предполагают, что$2Ns >> 1$, так далее..

Количество новых мутаций в популяции и скорость нейтральной замены

Если скорость полногеномных мутаций для нейтральных мутаций$U_n$а численность населения$N$, то существует распределение Пуассона числа новых мутаций в каждом поколении со средним значением и дисперсией$2 \cdot U_n \cdot N$(при условии дипломатического жизненного цикла). Поскольку каждая из этих мутаций имеет вероятность$\frac{1}{2N}$чтобы зафиксироваться, скорость нейтрального замещения в этой популяции равна$\frac{1}{2N}\cdot 2 U_n N = U_n$. Следовательно, скорость нейтральной замены зависит только от скорости нейтральной мутации в масштабе всего генома. Этот классический результат используется для оценки времени, прошедшего с момента последнего расхождения между сестринскими линиями (молекулярные часы).

Ты сказал Теория мутаций?

Я никогда не слышал о теории мутаций . Я почти уверен, что теория мутаций НЕ является существующей концепцией (но вопрос ясен).

Фигура сперматогония

Вы правы, что мутация должна быть в зародышевой клетке, чтобы быть переданной. Большинство ошибок возникает во время репликации ДНК (со скоростью около 10 ^-10 ), которая происходит несколько раз между стадией зиготы и зрелыми гаметами. По оценкам этой книги , существует 24 деления между ^{зиготой} и яйцеклеткой и 23n+34 деления между зиготой и сперматозоидом, где n — количество лет, прошедших после 14-летнего возраста. ~10 новых мутаций в яйцеклетке и ~90 в сперме 25-летнего мужчины. Это очень грубый подсчет, но он предсказывает около 100 мутаций на поколение.

Эта статья , основанная на фактических эмпирических данных, обнаруживает 175 мутаций на поколение.

Дело в том, что мутации происходят в зародышевых клетках и передаются потомству. Кроме того, имейте в виду, что мутации — не единственный источник изменчивости, на который действует отбор. Изменчивость также создается путем гомологичной рекомбинации и случайного спаривания.