Мутации

Разнообразие не только приятная штука, возможно, это важнейшее свойство природы. Источник разнообразия - мутации. Позитивные или негативные, изменения ДНК создают вариации, обеспечивающие эволюцию путем естественного отбора.

Сама идея эволюции была принята научным сообществом после публикации в 1859 году «Происхождения видов» Дарвина. Но хотя многие считали, что этот трактат убедительно доказывает факт «происхождения в результате изменения» (т. е. существование эволюции), описанный Дарвином механизм естественного отбора ставился под сомнение. И в период «затмения дарвинизма» (1880-1930-е гг.) появилось несколько альтернативных теорий.

Одна из них — теория мутаций, главным сторонником которой был голландский ботаник Хуго де Фриз, который помог заново открыть труды Менделя. Более тринадцати лет де Фриз занимался скрещиванием примулы вечерней и обнаружил множество гибридов настолько отличных от «чистопородных» родителей, что их легко было принять за представителей другого вида. Он предположил, что виды формируются не плавным изменением под действием естественного отбора, а за счет резких внезапных переворотов, или «мутаций». Позднейшие исследования выявили изменения в хромосомах этих гибридов, но в 1900-м причина мутаций была непонятна.

Хуго де Фриз

Генетическая изменчивость

Само слово «мутация» стало ассоциироваться с генетической изменчивостью, после того как Томас Хант Морган в 1910 году доказал, что гены расположены на хромосомах. В начале своего пути генетика развивалась медленно, поскольку естественные мутации обнаруживались редко. Этот барьер преодолел ученик Моргана, Герман Меллер, первый генетик, которому удалось вызвать мутацию искусственно. В 1927 году Меллер получил более сотни мутантов, облучив семя мух рентгеновскими лучами, что привело к повторению естественных мутаций, таких как исследованные Морганом белоглазые дрозофилы, а также других измененных фенотипов. Меллер показал, что рентгеновское излучение резко повышает частоту наследуемых мутаций; среди них встречались как генные, так и хромосомные изменения.

Томас Хант Морган

Движущей силой эволюции, несомненно, была генетическая изменчивость, и к 1930-м годам без ответа оставался лишь один важный вопрос: мутации происходят до или после естественного отбора? В теории отбор мог либо действовать на уже мутировавшие организмы, либо стимулировать новые мутации. В 1943 году биологи Сальвадор Лурия и Макс Дельбрюк проверили обе версии экспериментально. Они пришли к выводу, что мутации происходят случайно, а не в результате действия естественного отбора.

Сальвадор Лурия

Макс Дельбрюк

Изменения ДНК

Мутации отличаются от повреждения ДНК одной важной чертой — относительной стабильностью результата, которая позволяет мутациям передаваться по наследству. Изменения могут быть как небольшими, так и очень значительными. Изменения, наблюдавшиеся у энотеры де Фриза, во многом были связаны со сложными хромосомными перестройками. У дрозофил Моргана исследовались самые разные мутации — от изменений отдельных генов до хромосомных перестроек. Участки хромосом могут теряться или, наоборот, удваиваться, что ведет к сокращению или увеличению числа генов и соответственно снижению или повышению концентрации определенных белков в клетке.

Изменение одной «буквы» в ДНК называется «точечной мутацией». Хотя такие мутации кажутся незначительными, их последствия могут оказаться весьма заметными. Гены считываются группами по три нуклеотида, так что добавление или удаление всего одного приводит к мутации со сдвигом «рамки считывания», который превращает всю «инструкцию» в набор бессмысленных символов, так же как исчезновение всего одной буквы превращает «кот ест сыр» в «оте стс ыр». При замене одного нуклеотида другим может произойти «нонсенс-мутация», которая включит сигнал «стоп» в процессе синтеза, или, наоборот, вместо стоп-сигнала считывание может продолжаться, в результате чего будет синтезирован неправильный, да еще и слишком длинный белок.

И, разумеется, замена одного нуклеотида может привести к производству неверной аминокислоты. Такая «опечатка» может, например, произойти в гене, отвечающем за синтез гемоглобина человека: вместо гидрофобной молекулы синтезируется гидрофильная, молекулы белка слипаются в сгусток, а красные кровяные тельца вместо нормальной формы диска приобретают форму полумесяца — в результате возникает серповидно-клеточная анемия, тяжелое заболевание. Если у индивида оказываются две копии мутантного гена, его кровяные клетки переносят меньше кислорода и забивают сосуды, что повышает риск сердечного приступа или инсульта. Впрочем, в определенных условиях анемия может оказаться даже полезной: наличие только одного мутантного гена защищает от малярии, так что в популяциях, живущих в районах, где распространена малярия, естественный отбор работает в пользу серповидно-клеточной анемии.

Мутагены

Частоту мутаций могут повышать физические, химические и биологические мутагены. Ультрафиолетовое излучение, например, вызывает фотохимические повреждения соседних пиримидинов ДНК; ошибки при их репарации могут приводить к характерным заменам оснований. При пигментной ксеродерме нарушено восстановление повреждений ДНК, вызванных ультрафиолетом, поэтому риск рака кожи чрезвычайно высок, особенно без строгой защиты от солнечного света. Активные формы кислорода («свободные радикалы») образуются и в ходе нормальной жизнедеятельности клетки. Антиоксидантные системы и механизмы репарации уменьшают повреждения, но не предотвращают их полностью. Канцерогены — вещества, повышающие риск развития раковых заболеваний, — самые известные химические мутагены. Одним из первых химических мутагенов, действие которых было экспериментально показано, стал иприт (горчичный газ), использовавшийся как химическое оружие в Первой мировой войне. Его мутагенные свойства обнаружили в 1942 году генетики Шарлотта Ауэрбах и Дж.М. Робинсон.

«Мутации генов создают фундамент эволюции органической жизни и, следовательно, невиданного разнообразия живых существ» Герман Меллер

Шарлотта Ауэрбах

Самые важные с точки зрения эволюции мутации вызываются воздействием организмов и генетических паразитов. Вирусы, например, могут переносить участки ДНК в другое место. Мутации также возникают в результате ошибок при репликации. Спонтанные мутации необходимы для эволюции, но могут оказаться опасны или даже смертельны для индивида — именно поэтому в клетках существует механизм исправления и «гарантийного обслуживания» ДНК.

Эксперимент Лурия—Дельбрюка

Действует ли естественный отбор на уже случившиеся мутации или вызывает их? Если мутации происходят до воздействия отбора, колонии бактерий, иммунных к вирусу (черные), должны быть распределены случайно и их количество в разных пробирках будет сильно различаться. Если мутации происходят уже после отбора, распределение устойчивых бактерий должно быть более неоднородным. Эксперимент Сальвадора Лурия и Макса Дельбрюка доказывает спонтанность мутаций.

Частота мутаций у человека

Как часто возникают новые мутации? Сравнив ДНК членов одной семьи, генетики выяснили, что частота точечных мутаций составляет 0,000000012 на нуклеотид на поколение, - иными словами, мутирует одна из 83 миллионов «букв». Учитывая, что в геноме человека их более 3 миллиардов, можно достаточно уверенно сказать, что, помимо уникальной комбинации хромосом, вы унаследовали по меньшей мере 40 новых мутаций. Мутации наследуются, только если происходят в половых клетках, а не в клетках самого организма. (Вот почему соматические гипермутации - изменения в генах антител, обеспечивающие приобретенный иммунитет, - не передаются по наследству.) В 1947 году британский биолог Дж. Б. С. Холдейн предположил, что у самцов мутации происходят чаще. В сперматозоидах мутаций в три-четыре раза больше, чем в яйцеклетках, потому что в отличие от яйцеклеток сперматозоиды постоянно делятся, что приводит к появлению новых мутаций при репликации ДНК.