Мутації хороші і погані: від хвороб до надздібностей

16 лютого ми відзначаємо день народження Гуго Де Фріза – голландського генетика, який придумав слово «мутація» і розробив першу мутаційну теорію. На думку вченого, саме мутації є причиною появи нових видів, в той час як послідовники Дарвіна вважали, що це результат поступового збільшення мінливості. Час показав, що Де Фриз частково мав рацію, мутації дійсно лежать в основі еволюційного процесу, і кількість мутацій величезна. Але організми володіють механізмами нівелювання їх дії. І тільки в ході природного відбору використовується вся та генетична різноманітність, яка надає нам природа за допомогою мутацій.

Сам термін «мутація» в звичайному житті ми найчастіше чуємо в контексті хвороб, патологій, негативних змін, які погіршують здоров’я. Насправді, до мутацій не застосовні поняття добра і зла – це просто зміни спадкового матеріалу. А ось до чого вони призведуть, якщо, звичайно, взагалі виявляться поміченими – це зовсім інше питання. Одні мутації стануть родоначальниками важких захворювань, а інші можуть дати майбутнім поколінням надздібності.

Які бувають мутації?

Відомо, що ДНК складається з нуклеотидів. Групи нуклеотидів утворюють гени. Таким чином, по всій довжині молекули ДНК розташовані гени. ДНК в комплексі з білками утворює хромосому. Сукупність усіх хромосом становить геном.

Факт!

У людини 22 пари однотипних хромосом (аутосом) і 1 пара – статевих хромосом (ХХ у жінок або ХY у чоловіків). Тобто, всього 46 хромосом – це диплоїдний набір. У момент зачаття – відразу після злиття сперматозоїда і яйцеклітини – рівно половину цього набору (1 статеву і 22 аутосоми) дитина отримує від свого батька, а другу половину – від своєї матері.

Уточнимо, мутації можуть бути:

  • спонтанні, тобто виникають спонтанно, без будь-яких зовнішніх впливів. Такі мутації можуть виникати через помилки або збої в складній схемі процесів розмноження;
  • індуковані, тобто спровоковані якимись діями.

Мутагенними чинниками, що викликають індуковані мутації, можуть бути:

  • будь-які види випромінювань, в тому числі й інфрачервоне, й ультрафіолетове;
  • різні хімічні речовини – природні та продукти промислового виробництва, синтетичні (пестициди, наприклад) і навіть деякі сполуки, що виробляються живими організмами;
  • біологічні агенти – віруси (наприклад, віруси кору і краснухи), бактерії, деякі найпростіші і навіть глисти, а також так звані мобільні генетичні елементи («стрибаючі гени»).

Природа не терпить жорсткої стабільності і сталості. Для продовження еволюції їй потрібні нові варіанти, і в основі цих варіантів лежать мутації. Мутації в живих організмах відбуваються постійно, навіть у абсолютно здорових людей, що харчуються тільки здоровою їжею і ретельно стежать за своїм здоров’ям. Ми можемо лише зменшити ризик виникнення індукованих мутацій, уникаючи впливу потенційних мутагенних чинників. Втім, на 100% сховатися від них неможливо. Ми гуляємо під сонячними променями, п’ємо воду, щодня контактуємо з безліччю патогенних мікроорганізмів – і не перетворюємося при цьому в монстрів, тому що у нас є вбудовані механізми захисту від мутацій.

Захист тіла від мутацій

Отже, ми маємо багаторівневу по організації структуру, і на кожному з цих рівнів можуть відбуватися мутації: на рівні генів, на хромосомному рівні і на рівні генома.

По-перше, ДНК «обладнана» безліччю різноманітних «пасток мутагенів» – вони захищають найважливіші ділянки геному, приймаючи основний удар на себе. Це можуть бути і спеціальні ланцюжки з нуклеотидів, і хитромудро згорнуті особливим чином ділянки ДНК, і т. і.

По-друге, клітини забезпечені спеціальними механізмами, що дозволяють повністю або частково нівелювати дію мутацій. Різноманітні репаративні механізми здатні підкоригувати помилку в нуклеотидах, починають розрив ДНК, виправити порушення комплементарності нуклеотидів та ін. З віком ці механізми працюють все гірше, мутації можуть накопичуватися, підвищуючи ризик розвитку раку та інших патологій. Зокрема, вікове збільшення мутацій – одна з можливих причин проблем зі здоров’ям у дітей немолодих батьків.

Якщо ж мутацію виправити не вдалося, може врятувати становище вже згадуване вище – парність хромосом. При мутації на одній з парних хромосом, друга, «здорова» або повністю, або частково компенсує цей збій. Особлива ситуація складається зі статевими хромосомами: парні вони тільки у дівчаток, а у хлопчиків, якщо мутація перебуває на Х-хромосомі, то компенсувати її нічим, і вона себе проявить. Тому багато захворювань передаються по жіночій лінії, але хворіють на них тільки чоловіки. У жінок такі патології проявляються лише у виняткових випадках – за наявності мутацій на обох Х-хромосомах.

Мутації і стійкість до хвороб

Відомий цілий ряд мутацій, володіння яких не погіршує здоров’я свого носія, а, навпаки, покращує його, захищає від деяких поширених патологій. Наведемо кілька прикладів.

Ген PCSK9 і холестерин

Ген PCSK9, розташований на 1-й хромосомі, кодує пропротеінову конвертазу субтлізин-кексинового типу 9. Якщо простіше, то це фермент-гідролаза, який задіяний в гомеостазі холестерину. Є мутації гена, які призводять до підвищення рівня холестерину в крові. Але є такі мутації, які порушують зв’язування кодуюмої гідролази з ліпопротеїнами низької щільності, що в результаті призводить до зниження рівня холестерину в крові. Як результат, люди з такою корисною мутацією рідше страждають від інфарктів та інших серцево-судинних патологій.

Ген CCR5 і ВІЛ

Ген CCR5 знаходиться на 3-й хромосомі і кодує певний білок-рецептор, наявний у різних імунних клітин і клітин мікроглії (центральна нервова система). Делеція (втрата частини гена) CCR5 – дуже цінна мутація для тих, у кого вона є на обох 3-х хромосомах, тобто, людина гомозиготен по даній мутації. Такі люди несприйнятливі до вірусу імунодефіциту людини 1 типу, вони не можуть захворіти на СНІД, який викликається саме цим вірусом.

Ген PRNP і хвороба куру

Ген PRNP знаходиться на 20-й хромосомі і кодує пріонний білок і його ізоформу. Це ще один приклад гена, мутації якого можуть бути як нещастям для їх носія, так і великою удачею. Одні мутації PRNP асоціюються з такими пріонними захворюваннями, як фатальна сімейна безсоння, хвороба Крейтцфельдта-Якоба, а також синдром Герстманна-Штройслера-Шейнкера. А є мутація-поліморфізм G127V, яка захищає свого власника від іншої, не менш небезпечної хвороби – куру.

Мутації і надздібності

Зустрічаються мутації, які роблять з людини супермена – хоча б в чомусь одному. Правда, мутації – це завжди палиця з двома кінцями. Один і той же ген, як і в разі захворювань, в залежності від мутації може стати причиною появи надздібностей або, навпаки, розвитку патології.

Ген DEC2 і сон

Ген DEC2 отримав у генетиків назву «ген короткого сну». Білок, який кодується цим геном, пригнічує активність інших генів, задіяних у регуляції циркадних ритмів. Мутація гена DEC2 впливає на вироблення цього білка і, як наслідок, людина має потребу в меншій кількості сну. Причому сон людей з такою мутацією був більш ефективний – їм цілком вистачало меншої кількості часу (4-5 годин), щоб повністю висипатися.

Ген EPAS1 і гіпоксія

Ген EPAS1 – той випадок, коли вдала мутація стала ключем до адаптації людей до екстремальних по суті умов. Йдеться про високогір’є. Звичайна людина, потрапивши на великі висоти, стикається з дефіцитом кисню в повітрі. У неї розвивається гіпоксія – брак кисню в організмі. Тіло намагається компенсувати її шляхом підвищеного вироблення еритроцитів. Кров при цьому згущується і значно зростає ризик формування тромбів.

Певна мутація цього гена блокує процеси вироблення підвищеної кількості еритроцитів – кров носіїв мутації залишається рідкою, тромби їм не загрожують. А проблему гіпоксії тіло такої людини вирішує іншими способами.

Висновки

Мутації відбуваються завжди, всюди, у всіх. Це частина існування будь-якої живої істоти. У переважній більшості випадків вони з’являються і зникають. Іноді мутації передаються наступним поколінням, змінюючи їх геном, даючи їжу еволюційним змінам.

Різні мутації одного і того ж гена можуть бути корисними, шкідливими, смертельними, що приводять до інвалідизації або появи нових здібностей. А можуть бути ніякими – нічого не міняти і нічого не давати. Але в поєднанні з іншими мутаціями можуть спрацювати зовсім несподіваним чином.

В області корекції генома людство робить тільки перші кроки. Нам поки що дуже далеко до створення людей із заданими властивостями. Але незважаючи на глобальні етичні проблеми, рано чи пізно цей момент настане. Наука не стоїть на місці і вчиться керувати генами, а значить – і їх мутаціями.
Стаття про Гуго де Фріза на Вікіпедії