Что может стать причинами мутаций

Многих супергероев объединяет одно — в их теле произошла мутация, наделившая их суперспособностями. Воплощенная в фильмах и комиксах вселенная, при всем ее очаровании, имеет один «побочный эффект» — из-за нее у многих людей сформировалось ошибочное представление о том, что такое мутации, и к чему они могут привести.

Такие разные

Все клетки человека можно разделить на две большие категории: соматические и половые. Из соматических состоят все органы. Если в такой клетке произойдет мутация, она останется в теле носителя и не передастся потомству. Половые клетки образуются в женских яичниках и мужских яичках, они нужны для продолжения рода. Если ошибка произойдет в ДНК сперматозоида или яйцеклетки, ребенок унаследует ее. Хорошо это или плохо — зависит от функции гена и характера мутации.

Хорошие, плохие и другие

Чаще всего происходят негативные и нейтральные мутации. В первом случае изменение в гене нарушает некую важную функцию организма. Негативные половые мутации опасны прерыванием беременности, пороками развития и некоторыми болезнями у детей. При негативных мутациях в соматических клетках у человека развиваются те или иные болезни, например, рак.

Однако с нейтральными мутациями не все так просто. Их можно сравнить с небольшим пятном ржавчины на корпусе автомобиля. Это пятно не влияет на работу мотора и аккумулятора, не сказывается на скорости и комфорте для пассажиров. А теперь представим, что такие «пятна» накапливаются из поколения в поколение. Нейтральная мутация незаметна на уровне организма, но она меняет геном. Если она произошла в половых клетках, носитель передаст ее некоторым своим потомкам. Нейтральные мутации могут распространяться среди большого количества людей и, теоретически, по прошествии длительного времени, способны стать причиной вымирания.

Третья разновидность мутаций — положительные, то есть такие, которые дают человеку некоторые преимущества. Например, в Италии есть люди с мутацией гена, кодирующего аполипопротеин AI — белок который удаляет из крови холестерин и растворяет атеросклеротические бляшки. Мутантный белок эффективнее выполняет свои функции, его носители лучше защищены от сердечно-сосудистых болезней — бича современного общества.

Впервые такую мутацию случайно обнаружили у молодого человека, который попал в серьезную автокатастрофу, но не получил ни одного перелома. Так работает эволюция: в генах случайным образом возникают мутации, которые либо дают некие преимущества, либо ухудшают способность выживать и размножаться. Что хорошо, а что нужно отбраковать, решает естественный отбор. Человек смог обмануть эту жестокую систему с помощью науки и медицины — но лишь отчасти.

2000 мутаций на одну клетку

Клетки человеческого тела регулярно делятся — за счет этого обновляются ткани. По некоторым данным, за всю жизнь в нашем теле происходят десятки квадриллионов (единица с 15 нулями) клеточных делений. Каждый раз должен быть скопирован весь генетический код, который включает 30 тысяч генов и 3 миллиарда «букв» — азотистых оснований.

В клетках есть специальные молекулярные механизмы, которые предотвращают, находят и исправляют «опечатки» в генах. Они работают с высокой точностью — вероятность ошибки составляет 1 на 10 миллиардов пар азотистых оснований. И все же ошибки происходят. Современная наука рассматривает постепенное накопление мутаций как естественный и неизбежный процесс по мере роста и старения организма.

Насколько велики масштабы? С каким «мутационным багажом» встречает старость среднестатистический человек? Ответить на этот вопрос в 2018 году попытались исследователи из Кембриджского университета. Они изучили образцы слизистой оболочки пищевода у девяти здоровых людей в возрасте 20–75 лет. Под микроскопом все клетки слизистой оболочки выглядели как нормальные. Но при изучении их генома ученых ждало неожиданное открытие. У двадцатилетних людей на каждую клетку приходилось по 100 мутаций, а у людей более старшего возраста — в среднем по 2000. Некоторые связаны с повышенным риском рака.

Если такая картина наблюдается в одном только пищеводе, то сколько же мутаций носит человек во всем организме? На этот вопрос еще предстоит ответить.

Какие болезни вызывают соматические мутации?

О наследственных болезнях, связанных с изменениями в генах половых клеток, знают многие. Синдром Дауна, Тернера-Шерешевского, Кляйнфельтера, фенилкетонурия, — эти слова постоянно на слуху, особенно у людей, планирующих ребенка, и у беременных.

Например, если повреждены гены в одной из клеток эмбриона в первые недели беременности, будут затронуты многие ткани. С соматическими мутациями связаны такие врожденные пороки развития, как кисты почек и печени, фиброзная дисплазия (когда участок кости замещается соединительной тканью), сосудистые опухоли мозговой оболочки и лица (энцефалотригеминальный ангиоматоз), аневризмы (расширение участка артерии и ослабление ее стенки) головного мозга. Некоторые из этих нарушений проявляются сразу после рождения, а некоторые человек может долго носить в своем теле как «бомбу замедленного действия». Например, многие люди с аневризмами сосудов мозга не знают, что у них есть эта патология. Однажды аневризма может разорваться, это приводит к кровоизлиянию и зачастую к инвалидности или гибели.

Болезнь Дауна тоже бывает связана с соматической мутацией. Лишняя хромосома может появиться в теле зародыша на ранних стадиях развития. Возникает мозаицизм — состояние, когда часть клеток организма имеет нормальный набор хромосом, а другая часть — одну дополнительную. Обычно такая форма синдрома Дауна проявляется более легкими симптомами.

Мутации и рак

Жизнь каждой клетки в теле человека проходит строго по расписанию, благодаря многочисленным молекулярным сигналам. С помощью специальных веществ клетка получает информацию, какие гены нужно активировать, какие вещества и в каких количествах производить, когда пора размножаться и умирать. Чтобы клетка вела себя послушно, в ней должны правильно работать гены. Если в некоторых из них происходят изменения, клетка может стать раковой.

Два типа генов работают в клетках организма, как педали «газ» и «тормоз» в автомобиле. Газ — это протоонкогены. Они кодируют белки, активирующие клеточный рост. Если в протоонкогене происходит мутация, или увеличивается количество его копий, он превращается в онкоген. Клетка начинает размножаться бесконтрольно. Педаль «тормоз» представлена генами-супрессорами опухоли. Белки, которые они кодируют, замедляют размножение клеток, чинят ДНК или приказывают дефектной клетке совершить самоубийство. При различных дефектах гены-супрессоры перестают нормально выполнять свои функции, и это способствует развитию рака.

Подобные мутации могут быть и наследственными, но чаще всего онкозаболевания возникают из-за соматических мутаций, которые накапливаются в течение жизни и не передаются потомству. Причины бывают разными: вредные химические вещества (канцерогены), ультрафиолетовое излучение, некоторые вирусы, радиация, случайные ошибки при копировании ДНК.

Иммунитет и аутоиммунные болезни

Без мутаций невозможна нормальная работа иммунной системы. Организм человека и животных использует искусственные мутации, чтобы создавать новые клоны иммунных клеток. Когда организм сталкивается с незнакомым патогеном, среди этих клонов находится такой, который может распознать и уничтожить нового врага. Лимфоциты, которые хорошо показали себя в бою, сохраняются — формируется иммунологическая память. Если «чужие» решатся на повторную атаку, организм встретит их во всеоружии .

Некоторые изменения в генах приводят к тому, что иммунитет начинает воспринимать в качестве чужаков собственные ткани организма. Так возникают аутоиммунные заболевания.

Известно, что мутации накапливаются с возрастом. В случае с онкологическими заболеваниями все логично: риск рака наиболее высок у пожилых людей. Например, американские ученые установили, что средний возраст онкологических больных в США составляет 67 лет. Аутоиммунными патологиями, напротив, преимущественно страдают люди молодого и среднего возраста. Дело в том, что тут вмешивается другой фактор: с возрастом организм производит меньше иммунных клеток, поэтому вероятность ошибок уменьшается

Взаимосвязь между соматическими мутациями и аутоиммунными болезнями сложна, многое пока неизвестно. Ученые продолжают заниматься этой проблемой.

Как насчет суперспособностей?

Генетика в пух и прах разбивает представления о мутациях как о том, что помогает отращивать лишнюю пару рук, приобретать испепеляющий взгляд или другие суперспособности.

Во-первых, организм — это сложная система. Изменение одного гена приводит к многочисленным последствиям, чаще всего разрушительным. Чтобы человек получил лишнюю часть тела или полезную функцию, должно удачно сойтись слишком много факторов. Мутация должна произойти сразу во многих клетках, причем, очень удачно. В реальности вероятность такого «везения» стремится к нулю.

Например, человек рождается правшой или левшой в зависимости от эффектов 40 разных генов.

Чтобы превратиться, скажем, в спайдермена, нужно внедрить в хромосомы гены, кодирующие белки, из которых состоит паутина, а еще гены, благодаря которым под кожей вырастут паутинные железы, нервы и мышцы, с помощью которых этими железами можно будет управлять. Все эти чужеродные последовательности ДНК должны органично вписаться в «родной» геном. Не говоря уже о том, что возникновение этих многих условно полезных мутаций в один момент — явление на грани невозможного. У эволюции на подобные трансформации уходят миллионы лет. Радиоактивному пауку такое явно не под силу, сколько бы он вас ни кусал.

Одним словом, супергерои и суперзлодеи из комиксов реальному миру в обозримом будущем не грозят. Возможно, это и к лучшему.

Читайте также: 

Причины появления

Геномы животных и человека относительно стабильны, что сохраняет видовую структуру и возможность нормального развития. Для поддержания этого процесса в клетках работают репарационные системы, они исправляют нарушения в цепи ДНК. Но если бы изменения вообще не могли сохраняться, то живые организмы не приспособились бы к новым условиям обитания. Процесс эволюции остановился бы. Большое значение для создания должного уровня наследственной изменчивости имеют мутации.

Термин впервые встречается в работе де Фриза «Мутационная теория». В этом труде ученый выявил прерывистые скачкообразные изменения в цепи ДНК. Он выделил основные особенности мутации:

• формы константы;
• возможность вторичного возникновения;
• разделение на полезные и вредные;
• зависимость от количества исследованных видов.

Основа мутации — это изменения ДНК или хромосомы, передающиеся по наследству. Изменчивость универсальна — она наблюдается у животных, людей, растений, бактерий, вирусов.

Существует два типа мутаций — индуцированные и спонтанные. В первом случае изменения возникают из-за наследственности, а у предков они появлялись из-за неблагоприятных условий окружающей среды или в результате экспериментов. Спонтанные зарождаются самопроизвольно в течение всей жизни даже при нормальных условиях обитания. Они встречаются с довольно маленькой частотой на нуклеотид за клеточную генерацию.

Связь с процессами в ДНК

Мутации возникают периодически из-за процессов, которые осуществляются в клетках живых организмов. Основные из них:

• репликация;
• рекомбинация;
• репарация.

При репликации происходят спонтанные изменения нуклеотидов. К примеру, при дезаминировании цитониза в структуру ДНК напротив гуанина включается урацил, то есть вместо канонической пары Ц-Г образуется У-Г. В новую цепь добавляется аденин, появляется У-А, а после следующей репликации — Т-А. В этом случае наблюдается транзиция — так называют точечную замену одного пиримидина или пурина другим.

Если мутация связана с рекомбинацией, то она образована на основе неравного кроссинговера. Это происходит только в тех случаях, когда хромосома содержит сразу несколько дуплицированных генных копий, которые сохранили похожую нуклеотидную последовательность. В итоге в одной рекомбинантной хромосоме происходит делеция, а в другой — дупликация.

Часто можно встретить спонтанные повреждения цепи ДНК. Их можно устранить путем удаления ошибочного участка и внедрения на его место нового, правильного. Мутации проявляются, когда репарационный механизм не может справиться с повреждениями или просто не работает.

Если нарушения появились в генах, которые генерируют белки, то они приводят к увеличению или снижению числа других мутирующих частиц.

Модели мутагенеза

Ученые пытаются обосновать природу и особенности появления мутаций. Сегодня в исследованиях используется полимеразная модель, но есть и иные виды. Характеристика основной модели базируется на единственной причине образования отклонений — случайных ошибках ДНК-полимеразы. Биологи Уотсон и Крик предложили еще одну модель — таутомерную. Они считали мутацию обыкновенным физико-химическим явлением.

Полимеразную модель впервые выстроил Бреслер. Он предположил, что единственная причина мутаций — это ошибки ДНК-полимераз. В цепи они иногда встраивают напротив фотодимеров некомплементарные нуклеотиды. На основе этих утверждений было создано А-правило. Оно звучит так: ДНК-полимераза добавляет аденины напротив поврежденных участков.

Таутомерная модель основывается на работах других ученых. По мнению Крика и Уотсона, основания ДНК-структуры при неблагоприятных условиях переходят в неканонические виды, которые изменяют характер их спаривания. Кристаллы нуклеиновых кислот ученые облучали ультрафиолетом и выявили редкие таутомерные соединения цитозина. Этот опыт повторялся неоднократно, но все же аргументы и эксперименты Уотсона с Криком многие биологи ставили под сомнение.

Ученый Полтев вместе с другими авторами определил ещё одну модель мутагенеза. Он выявил молекулярный механизм, позволяющий распознать пары оснований нуклеиновых кислот с помощью полимеразы. В итоге выяснилось, что отклонения в ДНК вызваны дезаминированием 5-метилцитозином, а это приводит к транзиции от цитозина к тимину.

Принятая классификация

По разным параметрам выделяют определенные классификации мутаций. Ученый Меллер выделял их по особенностям изменения генов на аморфные, гипоморфные и антиморфные. При первых синтезируется меньше белка, вторые характеризуются полной потерей генной функции, а при третьих изменяется признак отклонения. Но современная классификация отличается. Мутации бывают разными:

• геномными;
• хромосомными;
• генными.

Геномные делятся на полиплоидизацию, то есть образование клеток с двумя и более наборами хромосом, и анеуплоидию — изменение их количества. При хромосомных мутациях перестраиваются отдельные участки цепи. Тогда можно наблюдать потерю или удвоение генов, изменение сегментов в структурной таблице ДНК, перенос части генетического материала с одной клетки на другую. Иногда объединяются целые хромосомы.

На генном уровне изменения не так заметны, как при других видах мутации, но встречаются такие отклонения чаще. Обычно происходят делеции, вставки или замены нуклеотидов, дупликации и инверсии других частей цепи. Если изменяется только одна составляющая, то говорят о точечном виде. По характеру действия гена мутанта выделяют еще три вида отклонений:

• физиологические;
• морфологические;
• биохимические.

Первый тип понижает жизнеспособность организма, приводит к серьезным болезням и даже к летальному исходу. Примерами можно назвать гемофилию у человека, дыхательные функции у дрожжей, хлорофилльные мутации у растений.

Морфологические отклонения заставляют изменяться органы, затормаживают рост. В результате получаются карликовые растения и коротконогие животные, люди с брахидактилией. Биохимические мутации нарушают синтез веществ из-за отсутствия необходимого фермента. Организмы, страдающие от этого вида, могут жить только в той среде, где есть подобное вещество.

Также разделяют мутации в биологии и медицине на соматические и генеративные. Первые не наследуются организмами, поэтому не имеют никакой ценности для эволюции. Вторые начинают появляться на этапе развития клеток половой системы. Чем раньше они разовьются, тем больше вероятность того, что отклонения передадутся потомству.

Практически все мутации являются рецессивными. Нарушения в ДНК считаются вредными, а подобный характер позволяет им сохраняться в гетерозиготном состоянии. Проявляются они только в случаях, когда благотворно влияют на организм.

Последствия для организма

Обычно мутации отрицательно сказываются на многоклеточном организме. Они приводят к отмиранию клеток — апоптозу. Если внутренние и внешние защитные механизмы не смогли обнаружить отклонение, то ген получат все потомки, что полностью изменит функционирование пораженных частей.

Мутации в соматических клетках часто приводят к образованию злокачественных опухолей. Так возникают фибромы, наросты на мягких тканях, онкология. Нарушения в половых структурах вызывают изменения у организмов-потомков.

Если условия проживания стабильны или изменяются практически незаметно, то у большинства существ генотип стремится к оптимальному уровню. Мутации в этом случае нарушают функции организма, снижают его иммунитет и способность приспосабливаться к новой окружающей среде. Но в редких случаях свойства отклонений оказываются полезными — они позволяют человеку или животному быстрее адаптироваться.

Роль в эволюции

Мутация считается хорошим фактором при эволюционном отборе. Если условия существенно изменились, то вредные ранее отклонения могут стать полезными. При изучении березовых пядениц в Англии XIX века ученые обнаружили меланистов — темноокрашенных бабочек. Такую расцветку они приобрели из-за мутации гена. Светлые крылья позволяют им прятаться на стволах деревьев, покрытых лишайниками.

Из-за развития промышленности и выбросов загрязнений в атмосферу березки покрылись копотью и стали темными. Мутировавшие бабочки легко прятались на их стволах от птиц, ведь в районах, над которыми держится смог, хищники активно выедали светлых пядениц.

Если мутация касается пассивных структур ДНК, то в фенотипе она не проявляется. Но ее можно обнаружить с помощью генного анализа. Так как отклонения обычно происходят по естественным причинам, то, согласно исследованиям, их частота должна быть почти постоянной.

Это используется при анализе филогении, с помощью которой изучают родственные связи таксонов живых организмов. Мутации в «молчащих» генах используются в качестве молекулярных часов. Организация этой теории исходит из того, что отклонения ДНК в большинстве нейтральны, а накапливаются они независимо от естественного отбора. Изменения в течение длительного времени остаются постоянными. Значительная роль, какую играют мутации в процессе эволюции, заключается в том, какие именно клетки ДНК-структуры они поражают. Оказывают свое влияние на этот процесс и условия окружающей среды.