16 февраля мы отмечаем день рождения Хуго Де Фриза — голландского генетика, который придумал слово «мутация» и разработал первую мутационную теорию. По мнению ученого, именно мутации являются причиной появления новых видов, в то время как последователи Дарвина считали, что это результат постепенного увеличения изменчивости. Время показало, что Де Фриз отчасти был прав, мутации действительно лежат в основе эволюционного процесса, и количество мутаций огромно. Но организмы обладают механизмами нивелирования их действия. И только в ходе естественного отбора используется все то генетическое разнообразие, которое предоставляет нам природа при помощи мутаций.
Сам термин «мутация» в обычной жизни мы чаще всего слышим в контексте болезней, патологий, негативных изменений, ухудшающих здоровье. На самом деле, к мутациям не применимы понятия добра и зла — это просто изменения наследственного материала. А вот к чему они приведут, если, конечно, вообще окажутся замеченными — это совершенно другой вопрос. Одни мутации станут родоначальниками тяжелых заболеваний, а другие могут дать будущим поколениям сверхспособности.
MedAboutMe разбирался в «хороших» и «плохих» мутациях.
Какие бывают мутации?
Известно, что ДНК состоит из нуклеотидов. Группы нуклеотидов образуют гены. Таким образом, по всей длине молекулы ДНК расположены гены. ДНК в комплексе с белками образует хромосому. Совокупность всех хромосом составляет геном.
У человека 22 пары однотипных хромосом (аутосом) и 1 пара — половых хромосом (ХХ у женщин или ХY у мужчин). То есть, всего 46 хромосом — это диплоидный набор. В момент зачатия — сразу после слияния сперматозоида и яйцеклетки — ровно половину этого набора (1 половую и 22 аутосомы) ребёнок получает от своего отца, а вторую половину — от своей матери.
Уточним, мутации могут быть:
- спонтанные, то есть возникающие самопроизвольно, без каких-либо внешних воздействий. Такие мутации могут возникать из-за ошибок или сбоев в сложнейшей схеме процессов размножения;
- индуцированные, то есть спровоцированные какими-либо воздействиями.
Мутагенными факторами, вызывающими индуцированные мутации, могут быть:
- любые виды излучений, в том числе и инфракрасное, и ультрафиолетовое;
- различные химические вещества — природные и продукты промышленного производства, синтетические (пестициды, например) и даже некоторые соединения, вырабатываемые живыми организмами;
- биологические агенты — вирусы (например, вирусы кори и краснухи), бактерии, некоторые простейшие и даже глисты, а также так называемые мобильные генетические элементы («прыгающие гены»).
Природа не терпит жесткой стабильности и постоянства. Для продолжения эволюции ей нужны новые варианты, и в основе этих вариантов лежат мутации. Мутации в живых организмах происходят постоянно, даже у абсолютно здоровых людей, питающихся только здоровой пищей и тщательно следящих за своим здоровьем. Мы можем лишь уменьшить риск возникновения индуцированных мутаций, избегая воздействия потенциальных мутагенных факторов. Впрочем, на 100% скрыться от них невозможно. Мы гуляем под солнечными лучами, пьем воду, ежедневно контактируем с множеством патогенных микроорганизмов — и не превращаемся при этом в монстров, потому что у нас есть встроенные механизмы защиты от мутаций.
Защита тела от мутаций
Итак, мы имеем многоуровневую по организации структуру, и на каждом из этих уровней могут происходить мутации: на уровне генов, на хромосомном уровне и на уровне генома.
Во-первых, ДНК «оборудована» множеством разнообразных «ловушек мутагенов» — они защищают самые важные участки генома, принимая основной удар на себя. Это могут быть и специальные цепочки из нуклеотидов, и хитроумно свернутые особым образом участки ДНК, и т. п.
Во-вторых, клетки снабжены специальными механизмами, позволяющими полностью или частично нивелировать действие мутаций. Разнообразные репаративные механизмы способные подкорректировать ошибку в нуклеотидах, починить разрыв ДНК, исправить нарушения комплементарности нуклеотидов и др. С возрастом эти механизмы работают все хуже, мутации могут накапливаться, повышая риск развития рака и других патологий. В частности, возрастное увеличение мутаций — одна из возможных причин проблем со здоровьем у детей пожилых родителей.
Если же мутацию исправить не удалось, может спасти положение уже упоминавшаяся выше парность хромосом. При мутации на одной из парных хромосом, вторая, «здоровая» либо полностью, либо частично компенсирует этот сбой. Особая ситуация складывается с половыми хромосомами: парные они только у девочек, а у мальчиков, если мутация находится на Х-хромосоме, то компенсировать ее нечем, и она себя проявит. Поэтому многие заболевания передаются по женской линии, но болеют ими только мужчины. У женщин такие патологии проявляются только в исключительных случаях — при наличии мутаций на обоих Х-хромосомах.
Мутации и устойчивость к болезням
Известен целый ряд мутаций, обладание которых не ухудшает здоровье своего носителя, а, напротив, улучшает его, защищает от некоторых распространенных патологий. Приведем несколько примеров.
Ген PCSK9 и холестерин
Ген PCSK9, расположенный на 1-й хромосоме, кодирует пропротеиновую конвертазу субтилизин-кексинового типа 9. Если проще, то это фермент-гидролаза, который задействован в гомеостазе холестерина. Есть мутации гена, которые приводят к повышению уровня холестерина в крови. Но есть такие мутации, которые нарушают связывание кодируемой им гидролазы с липопротеинами низкой плотности, что в результате приводит к снижению уровня холестерина в крови. Как результат, люди с такой полезной мутацией реже страдают от инфарктов и других сердечно-сосудистых патологий.
Ген CCR5 и ВИЧ
Ген CCR5 находится на 3-й хромосоме и кодирует определенный белок-рецептор, имеющийся у различных иммунных клеток и клеток микроглии (центральная нервная система). Делеция (утрата части гена) CCR5 — очень ценная мутация для тех, у кого она есть на обеих 3-их хромосомах, то есть, человек гомозиготен по данной мутации. Такие люди невосприимчивы к вирусу иммунодефицита человека 1 типа, они не могут заболеть СПИДом, который вызывается именно этим вирусом.
Ген PRNP и болезнь куру
Ген PRNP находится на 20-й хромосоме и кодирует прионный белок и его изоформу. Это еще один пример гена, мутации которого могут быть как несчастьем для их носителя, так и большой удачей. Одни мутации PRNP ассоциируются с такими прионными заболеваниями, как фатальная семейная бессонница, болезнь Крейтцфельдта-Якоба, а также синдром Герстманна-Штройслера-Шейнкера. А есть мутация-полиморфизм G127V, которая защищает своего обладателя от другой, не менее опасной болезни — куру.
Мутации и сверхспособности
Встречаются мутации, которые делают из человека супермена — хотя бы в чем-то одном. Правда, мутации — это всегда палка о двух концах. Один и тот же ген, как и в случае заболеваний, в зависимости от мутации может стать причиной появления сверхспособности или, наоборот, развития патологии.
Ген DEC2 и сон
Ген DEC2 получил у генетиков название «ген короткого сна». Белок, который кодируется этим геном, подавляет активность других генов, задействованных в регуляции циркадных ритмов. Мутация гена DEC2 влияет на выработку этого белка и, как следствие, человек нуждается в меньшем количестве сна. Причем сон людей с такой мутацией был более эффективен — им вполне хватало меньшего количества времени (4-5 часов), чтобы полностью высыпаться.
Ген EPAS1 и гипоксия
Ген EPAS1 — тот случай, когда удачная мутация стала ключом к адаптации людей к экстремальным по сути условиям. Речь идет о высокогорье. Обычный человек, попав на большие высоты, сталкивается с дефицитом кислорода в воздухе. У него развивается гипоксия — нехватка кислорода в организме. Тело пытается компенсировать ее путем повышенной выработки эритроцитов. Кровь при этом сгущается и значительно возрастает риск формирования тромбов.
Определенная мутация этого гена блокирует процессы выработки повышенного количество эритроцитов — кровь носителей мутации остается жидкой, тромбы им не грозят. А проблему гипоксии тело такого человека решает другими способами.
- Мутации происходят всегда, везде, у всех. Это часть существования любого живого существа. В подавляющем большинстве случаев они появляются и исчезают. Иногда мутации передаются будущим поколениям, меняя их геном, давая пищу эволюционным изменениям.
- Разные мутации одного и того же гена могут быть полезными, вредными, смертельными, приводящими к инвалидизации или появлению новых способностей. А могут быть никакими — ничего не менять и ничего не давать. Но в сочетании с другими мутациями могут сработать совершенно неожиданным образом.
- В области коррекции генома человечество делает только самые первые шаги. Нам пока еще очень далеко до создания людей с заданным свойствами. Но несмотря на глобальные этические проблемы, рано или поздно этот момент наступит. Наука не стоит на месте и учится управлять генами, а значит — и их мутациями.
