FAQ: Вредные мутации в человеческих популяциях

Мутации происходят у всех организмов. Существует такая теорема: если бы организм постарался сделать так, чтобы мутаций совсем не было (то есть неограниченно увеличивал точность репликации и репарации ДНК), то "цена" этих процессов стремилась бы к бесконечности, поскольку ничего нельзя сделать без ошибок. Под ценой имеется в виду время, которое эти процессы занимали бы, и энергия, которая бы на них затрачивалась. Поэтому какие-то ошибки при работе клетки с генетическими текстами возникают неизбежно.

1. Причины мутаций

Мутации происходят очень редко и в основном по двум причинам. Во-первых, в связи с ошибками при репликации ДНК. Во-вторых, в связи с ошибками при репарации. ДНК нужно все время удваивать, поскольку при делении клетки обе дочерние клетки должны получить всю ДНК. И это удвоение нельзя сделать безошибочно.

Иногда ДНК ломается, поскольку это достаточно хрупкая вещь. Длина всей ДНК в каждой человеческой клетке — метр. Она достаточно компактно упакована. Поскольку ДНК — молекула совсем небольшой толщины, то она постоянно ломается даже при тепловых воздействиях. И ее надо чинить. И если ее починить неаккуратно, то возникнет мутация. При репликации ДНК вероятность, что новая буква будет «приделана» неправильно, равна всего лишь 10^-10 — это один шанс на десять миллиардов.

Такой процесс происходит в два этапа: сначала ДНК «приделывает» букву, а потом сразу пытается ее оторвать. Соответственно, если буква была приделана неправильно, то, скорее всего, она будет оторвана (это так называемая 3’ > 5’-экзонуклеазная активность). Потом наступает третий этап активности — третья «линия обороны». Если буква была приделана неправильно и не оторвана, то возникает ДНК, у которой две нити содержат буквы, некомплементарные друг другу. Тогда там начинают ползать ферменты, которые распознают такие несоответствия и выкидывают неправильную новую букву, заменяя ее.

2. Мутации вредные и безвредные

Несмотря на то, что в процессе репликации ДНК идет упорная борьба за точность, какие-то ошибки неизбежны. В этом смысле человек нисколько не отличается от животных. У человека частота мутаций примерно равна 10^-8 на нуклеотид за поколение. Поскольку геном человека длиной в три миллиарда нуклеотидов и у каждого из нас два генотипа, значит, 10^-8 на одну букву за поколение — это примерно 60 новых мутаций на каждого новорожденного. Конечно, из этих 60 новых мутаций большая доля нейтральна. Геном человека набит различным «мусором», и если в каком-нибудь дальнем углу буква А заменилась на букву B, то человеку от этого ничего не будет. Но примерно 10 % нашей ДНК важны. И если мутация затрагивает что-то важное, она, скорее всего, вредна, поскольку, когда ты меняешь что-то работающее, становится хуже.

3. История исследования вредных мутаций

Первое наблюдение мутационной изменчивости у человека появилось почти сразу после переоткрытия законов Менделя. В 1909 году английский врач Арчибальд Гаррод опубликовал работу о генетических болезнях метаболизма под названием «Врожденные ошибки метаболизма». В частности, он изучал болезнь, известную как алкаптонурия — это нарушение метаболизма тирозина, при котором в моче присутствует гомогентизиновая кислота. Гаррод заметил, что больные обычно являются потомками браков между родственниками. Это вызвано тем, что алкаптонурия — рецессивная болезнь. То есть, чтобы заболеть ею, надо получить мутантные аллели и от мамы, и от папы, что гораздо более вероятно, если мама и папа — родственники. Это было первое продвижение в изучении вредных мутаций у человека.

А в 1912 году немецкий врач Вильгельм Вайнберг заметил, что наследственные болезни чаще встречаются у последних детей в семье. И сделал вывод, что мутации чаще передаются детям от пожилых родителей. В 1935 году великий генетик Джон Холдейн сделал совершенно потрясающее открытие. Он изучал болезнь "гемофилия", которая сцеплена с полом. То есть ген, поломка которого может привести к гемофилии, сидит в Х-хромосоме. Чтобы болезнь возникла у девочки, нужно, чтобы обе ее Х-хромосомы несли поломанную аллель, что бывает очень редко. А у мальчика всего одна Х-хромосома. Поэтому для появления болезни достаточно одной поломанной аллели. Поэтому гемофилия встречается практически только у мальчиков. Холдейн заметил, что если мальчик болен гемофилией, то часто и его братья тоже больны. И сделал такой вывод. Представьте, что мальчик — гемофилик, потому что у его мамы возникла мутация. Тогда это была бы уникальная мутация: возникал бы только один спорадический больной. А возникают они обычно в семьях. То есть если мальчик — гемофилик, то его брат с вероятностью почти 50 % тоже гемофилик. Это означает, что виновата не мама. А виноват папа этой мамы. Мама уже является гетерозиготным носителем. То есть мутация возникла не у мамы, она возникла раньше. Из этого Холдейн сделал вывод, что мужчины передают вновь возникшие мутации гораздо чаще, чем женщины. Это означает, что в половых клетках мужчин мутации возникают гораздо чаще, чем в половых клетках женщин.

Сейчас это не кажется удивительным. Мы знаем, что у девочки от зиготы до зиготы проходит примерно тридцать клеточных делений. В зародышевом пути девочки, когда она еще эмбрион, все яйцеклетки уже сформированы. А мужчины продуцируют сперму всю жизнь. И поэтому от зиготы до зиготы в мужской линии проходит не тридцать делений. Если мужчина размножается в 18 лет, то примерно 150 делений, а если в 60 лет, то даже 500 делений. И поскольку основной источник мутации — это ошибка репликации ДНК, то мы видим такое резкое различие в скоростях возникновения мутаций между мужчинами и женщинами.

4. Слабовредные мутации

Примерно 2 % новорожденных детей несут какую-то четкую простую менделевскую патологию. Соответственно, 98 % детей являются здоровыми — в том смысле, что менделевской болезни у них нет. До начала 30-х годов считалось, что мутации — это нечто редкое. Однако первый, кто показал, что это не так, был Тимофеев-Ресовский. В 1935 году он открыл слабовредные мутации — мутации, которые не убивают и не вызывают никакого очевидного фенотипа вроде несвертываемости крови, а просто немного снижают приспособленность. Он показал, что мутаций, которые только количественно портят муху-дрозофилу, больше, чем тех, которые можно зафиксировать и сказать, что их носитель — мутант.

Через 35 лет японец Теруми Мукаи начал изучать слабовыраженные мутации уже на очень большом материале. И оказалось, что таких мутаций больше, чем явных, не в два раза, а в сто. Выяснилось, что большая часть мутаций — это то, чего мы простыми методами не обнаруживаем. А потом появились современные методы (нового поколения) секвенирования, которые позволяют за несколько тысяч долларов полностью расшифровать генотип человека. Если мы назовем геномом человека статистическую популяционную норму, то оказывается, что генотип каждого человека несет примерно десять тысяч отклонений от генома, которые вызывают замену аминокислоты в белке.

5. Методы исследования мутаций

Есть методы, которые позволяют сказать по замене аминокислоты в белке, вредна она или безвредна. Основа этих методов тоже эволюционная. Мы сравниваем какой-то белок у человека с аналогичными белками у самых разных млекопитающих. Пусть в норме у человека на каком-то месте стоит аминокислота глицин, но у каких-то других млекопитающих там стоит аланин. Тогда, наверное, человеку аланин на этом месте тоже не вреден. Полной уверенности здесь быть не может, но это вероятно. А если глицин в каком-то месте белка стоит у всех (у человека, собаки, лошади, мыши), то его замена на аланин у человека, наверное, будет вредна, потому что никто так не делает.

Эти и другие соображения позволяют оценить, какая доля мутаций у человека вредна. Здесь полезно различать новые мутации, которые возникли сейчас, и мутации, которые возникли раньше, а сейчас тоже присутствуют в виде редких аллелей. Из десяти тысяч отличий от генетической нормы примерно тысяча вредна.

6. Последствия накопления мутаций

Значит, у каждого человека в генотипе присутствует от 900-1100 заменяющих аминокислоту слабовредных мутаций. Количество таких мутаций увеличивается примерно на одну за поколение за счет спонтанного мутационного процесса. Сейчас у человека практически не действует естественный отбор против слабовредных мутаций — он действует против только очень сильных нарушений. Если у человека, к примеру, поднялось кровяное давление на один процент, он съест лишнюю таблетку и будет счастливо жить до 70 лет. Никто не знает, что станет с человеческой популяцией из-за накопления этих слабовредных мутаций. Ясно, что ничего хорошего. Но, как быстро последствия этого накопления станут видимыми, пока никто не знает.