Сегодня - 20.02.2020

Как из отдельных мутаций возникает эволюция

05 января 2017

Все знают, что ДНК — длинный текст с инструкцией сборки живого организма. Временами в этом тексте встречаются опечатки, и смысл слов меняется. О том, почему возникают мутации и как они влияют на эволюцию и даже на исторический процесс, рассказал ведущий научный сотрудник Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН доктор биологических наук Дмитрий Жарков на открытой лекции в рамках EUREKA!FEST—2016.

― Обычно, когда говорят про мутации, представляют кровавый зомби-апокалипсис, нитраты и ГМО, — объясняет Дмитрий Жарков. — У людей, которые биологией не занимаются, а школьную программу плотно и хорошо забыли, слово «мутация» ассоциируется совершенно не с тем, что есть на самом деле.
 
Дмитрий Жарков
 
Что такое мутации?
 
Говоря о них, разные учёные подразумевают разное. Для генетика — это нечто, произошедшее внутри, проявляющееся во внешнем виде или в биохимических свойствах. Горох  может быть желтый и зеленый, муха — с красными глазами или с белыми. С точки зрения цитогенетиков, мутация — это когда кусок хромосомы может выпасть, удвоиться, перевернуться или перейти с одного места на другое. Это хорошо видно на современных методах окрашивания. Наконец, есть молекулярные генетики, которым неважно, как мутация выглядит в хромосомах или на мухе. Они воспринимают ДНК в качестве длинного текста и смотрят, что в нём меняется.
 
Как проявляются мутации?
 
Для ответа на этот вопрос каждый раз приходится разбираться в молекулярных механизмах. Например, чем различаются группы крови? В эритроцитах есть белок, помогающий поддерживать правильную концентрацию СО2. На его поверхности находятся углеводные остатки олигосахаридов, которые различаются в разных группах крови. Так, если у человека группа крови — 0, его антитела привыкли к эритроцитам своего типа, но реагируют на все другие их варианты.
 

Однажды в Канаде в больницу поступил пациент с заражением крови. В его карте была указана группа крови А, но анализ перед переливанием показал группу В. Оказалось, при сепсисе в крови пациента размножилась бактерия, которая выделяла фермент, химически изменяющий состав олигосахаридов в эритроцитах, и группа крови А превращалась в В.

 
Чем интересны мутации?
 
Они происходят постоянно и могут влиять даже на исторический процесс. Например, США отделились от Британской империи, потому что король Англии Георг III подписал указ об изменении пошлин на чай, в результате чего случилось знаменитое Бостонское чаепитие. Причём тут мутации? Монарх страдал перемежающейся порфирией. Изменения произошли в одном из генов метаболизма гемоглобина, и продукты распада последнего начинали влиять на мозг. На человека, страдающего этим заболеванием, находят длительные — от дней до недель — периоды жутких болей, помешательства. В один из таких периодов король и подписал указ.
 
Более трагичная история произошла, когда мутировала чумная палочка. Эта трансформация помешала бактерии усваивать азот из нитритов, и микроорганизму для получения азота из других источников пришлось приобретать целый комплекс других белков — они сделали чумную палочку крайне инфекционной и болезнетворной. Так одна мутация дала толчок эпидемии чумы, которая в XIV веке выкосила от трети до двух третей населения Европы.
 
Как возникают мутации?
 
По правилу комплементарности в цепочке ДНК гуанин всегда образует связи с цитозином, аденин — с тимином. Во время синтеза цепи фермент-«сборщик» ДНК-полимераза сопоставляет подходящие нуклеотиды друг с другом. На этом этапе и происходят мутации — например, нуклеотид встраивается не на свое место. Сама ДНК-полимераза тоже может поместить в цепочку ДНК что-то повреждённое, тогда в следующем раунде репликации клетка не будет знать, что расположить напротив этого элемента.
 
Предположим, произошла такая вставка: аденин напротив аденина. Тогда один из них видит в цепочке напротив комплементарный тимин, выталкивает два стоящих рядом нуклеотида и строит связь с тимином наискосок. «Лишние» два нуклеотида образуют петельку, и дальше синтез идет нормально. Но на следующем цикле деления одна из цепочек окажется укороченной на эти два звена. Клетка читает текст в нуклеиновых кислотах по три буквы за раз, и если одна или две выпадают, чтение сбивается, понять текст становится невозможно.  Такие сбои называются мутациями сдвига рамки считывания. В результате собираемый по неверной инструкции белок станет нерабочим — так, например, произошло у людей с группой крови 0, когда из гена, кодирующего белок, который синтезирует олигосахариды, выпал один гуанин.
 
 
Почему мутации не происходят постоянно?
 
Если бы они случались на каждом шагу, мы не прожили бы и пятнадцати минут, но у клетки есть специальные методы, чтобы этого избежать. Отчасти помогают водородные связи, возникающие между комплементарными нуклеотидами. Однако не только они, иначе в каждой десятой паре была бы ошибка.
 
Точности добавляет и селективность белка ДНК-полимеразы, структура которого напоминает боксёрскую перчатку. Его части так и называют — большой палец, пальцы и ладонь. На стыке большого пальца и ладони расположен активный центр белка, где происходит реакция добавления следующего нуклеотида. Этот центр очень тесный, и в него физически могут войти только правильные пары оснований: А-Т, Т-А, Г-Ц и Ц-Г. Кроме того, есть механизм редактирования: если в цепочку попадает неправильный нуклеотид, ДНК-полимераза его  вырезает.
 
Тем не менее, мутации происходят постоянно. Представим ДНК одной человеческой клетки в виде Транссибирской магистрали — длиной более девяти тысяч километров, — то за один день в ней возникает столько повреждений, что соответствует одной аварии на каждые сто метров железной дороги.
 
― Считается, если мы будем вести правильный образ жизни, не будем пить и курить, то мутации у нас будут происходить  реже и ниже будет шанс заболеть раком. Это не так, —  говорит Дмитрий Жарков. — Главный мутаген внутри нас — вода. Под ее влиянием цитозин переходит в урацил, которого в ДНК в норме быть не должно. Другой мутаген — это кислород, из-за которого основания в ДНК охотно окисляются. Мой любимый пример: чашка кофе содержит около 1000 разных веществ, из которых 500 —  мутагены.
 
Как в результате мутаций рождается эволюция?
 
Главный двигатель последней — хромосомные изменения, они происходят из-за неправильной рекомбинации в клетке. ДНК там собрана очень плотно, и когда происходят разрывы, вероятность сшиться не с той хромосомой высока.
 
Например, у человека система цветового видения разнесена на две хромосомы. Рецептор для синего цвета находится на седьмой, и с ним ничего интересного не случается. А рецепторы для красного и зеленого — на половой Х-хромосоме, поэтому, если в них есть мутация, то на женщин это не влияет, потому что у них практически всегда есть здоровый дубликат. Зато у мужчин выпадает соответствующий цвет спектра, возникает дальтонизм.
 
В последние несколько лет появились данные о том, что мутации сплошь и рядом происходят в нашем мозге. Эти изменения связаны с транспозонами, или «прыгающими генами» — остатками вирусов и других мобильных элементов, давно внедрившихся в ДНК, время от времени они размножаются и перескакивают в другое место.  Транспозонов в человеческой ДНК много — до 45 %.
 
Когда мозг развивается, в клетках начинается бум перемещений таких конструкций,  и практически в каждой клетке нашего мозга записан разный набор их позиций. Если транспозон встраивается поблизости от работающего гена, это может сильно сказаться на его активности.
 
Поэтому существует  не общепринятая, но красивая гипотеза о том, что мутагенез в мозге определяет различия в нашем сознании. То есть в норме есть определённый необходимый уровень прыгающего мутагенеза, который может колебаться. Но иногда транспозоны могут взбеситься и начать прыгать, а это, как  подозревают учёные, приводит к развитию многих психиатрических заболеваний. Иногда же транспозоны перемещаются настолько активно, что нейроны в мозге погибают — и  это уже связано с нейродегенерацией и старением.
 
Александра Евтушенко
 
Фото Анастасии Федоровой, Фотоклуб НГУ, из открытых источников (анонс)
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (2 votes)
Поделись с друзьями: 

Система Orphus