Глава тринадцатая. Крекс! Фекс! Пекс! Мутабор!

Мутацией называется стойкое изменение генома, приводящее к изменению наследственной информации. Слово «стойкое» означает, что это изменение может передаваться потомкам.

Название «мутация» произошло от латинского слова «мутацио» означающего «изменение», а это слово, в свою очередь, образовано от глагола «муто» – «изменять» или «превращать». Помните волшебное заклинание «мутабор», превращающее людей в животных и обратно из сказки Вильгельма Гауфа «Калиф-аист»? «Мутабор» означает «я изменяюсь».

Научное определение мутации звучит следующим образом: «мутация представляет собой внезапное качественное изменение структуры ДНК в одном локусе (генная мутация) или изменение числа или микроструктуры хромосом (хромосомная мутация)». Мутация может затрагивать отдельный ген или же хромосому, участок молекулы ДНК или всю молекулу.

Процесс возникновения мутаций называется мутагенезом, фактор, вызывающий мутацию, называется мутагеном, а организм, изменивший свой фенотип в результате мутации, называется мутантом. Различают естественные, самопроизвольно возникшие мутации, и индуцированные, вызванные искусственно при помощи каких-либо мутагенов. Принципиальной разницы между спонтанными и индуцированными мутациями нет, суть процесса одна и та же – изменение генов и хромосом.

Многообразие жизни на нашей планете обусловлено мутациями. Благодаря мутациям, был пройден великий путь от праклетки, зародившейся в Мировом океане, до Человека разумного – венца творения и совершенства во всех отношениях (ну, во всяком случае, на сегодняшний день более совершенного организма на Земле не существует).

Знаете ли вы, что именно благодаря мутациям ученые узнали о том, что гены существуют на самом деле, а не являются выдумкой? Мутации дали ученым возможность обоснованно предположить существование генов в то время, когда этих самых генов никто и в глаза не видел.

Одной из основных теорий генетики является мутационная теория, созданная голландским ботаником Хьюго Де Фризом в начале ХХ века.

Вот основные ее положения:

Положение первое. Мутации возникают внезапно, без всяких переходов как дискретные (прерывные) изменения признаков.

Так оно и есть, только вот существует особый тип мутаций, которые накапливаются в течение ряда поколений. Такие мутации называются прогрессирующей амплификацией в интронах.

Непонятно?

Давайте разбираться.

Интронами называются участки ДНК, которые не кодируют наследственную информацию, а играют некую вспомогательную (и до конца пока еще не изученную) роль. Когда с молекулы ДНК копируется РНК-матрица для синтеза белка, участки-интроны игнорируются.

Амплификацией называется многократное повторение участка хромосомы. По каким-то причинам отдельный участок начинает копироваться и делает это несколько раз. Условно говоря, была в молекуле последовательность нуклеотидов «-ААГ-ЦГТ-ГГГ-», но вдруг она превратилась в «-ААГ-ЦГТ-ЦГТ-ЦГТ-ЦГТ-ЦГТ-ГГГ-».

Прогрессирующая амплификация в интронах – это нарастающее повторение (копирование) определенного вспомогательного участка молекулы ДНК.

Казалось бы – раз участок вспомогательный, то какая беда от того, что он несколько раз повторится? И пусть даже это «несколько раз» увеличится в несколько раз. На синтез конкретных белков это изменение не влияет. В образовании матриц для синтеза белков интроны не участвуют.

Да, не участвуют, но при этом они для чего-то нужны, иначе их бы не было. У рачительной матери-природы ничего ненужного не существует. А если что-то и кажется нам ненужным, так это только вследствие недостатка знаний о предмете. Какую-то свою роль интроны играют и это доказывается тем, что их амплификация может приводить к развитию заболеваний. Так, например, умножение кодона ЦАГ в гене HTT свыше 36 повторов, приводит к развитию болезни Гентингтона (она же – хорея Гентингтона), тяжелого заболевания нервной системы для которого характерно сочетание прогрессирующих двигательных и психических расстройств. А многократное копирование кодона ЦТГ в гене DMPK нарушает выработку фермента миотонинпротеинкиназы, что приводит к развитию миотонической дистрофии – нарушению питания мышечных клеток.

Так что мутация мутации рознь. Подавляющее большинство мутаций возникает внезапно, но иногда мутации могут накапливаться аж в нескольких поколениях.

Положение второе. Новые формы генотипов, образовавшиеся в результате мутаций, устойчивы и могут передаваться по наследству.

Тут комментировать нечего – результаты мутаций наследуются.

Положение третье. Мутации представляют собой качественные изменения.

Да, так оно и есть – мутация в гене приводит к изменению структуры белка или РНК, кодируемого данным геном. Измененный продукт обладает иными свойствами – качественное изменение налицо. Однако существуют так называемые ликовые мутации, вызывающие незначительные изменения в кодируемых продуктах. Правильнее будет сказать, что в большинстве случаев мутации приводят к качественным изменениям.

Положение четвертое. Мутации происходят в разных направлениях и могут быть как полезными, так и вредными.

Все так. Только важно понимать, что сами по себе мутации не являются «полезными», «вредными» или «нейтральными». Мутации – это материал естественного отбора, но не способ приспособления к условиям внешней среды. Все зависит от условий окружающей среды. Среда оценивает мутации, среда решает, вреден данный признак или полезный. Разные условия могут придавать одной и той же мутации различный адаптивный характер. Простейшим примером может служить появление белой окраски у животного, живущего в условиях Крайнего Севера и у животного, обитающего в тропиках. На севере эта мутация будет полезной, маскирующей, а в тропиках – наоборот.

Ни у растительных, ни у животных организмов нет механизма, целенаправленно вызывающего полезные мутации, а то ведь реально можно бы было «воспитывать» пшеницу холодами, отчего пшеница сама собой приобретала бы морозоустойчивость. Селекционерам при таком раскладе было бы очень легко работать – создай растению или животному ситуацию, из которой ему придется «выкручиваться» и пожинай плоды.

То, что мутации не возникают целенаправленно как приспособительная реакция, было доказано еще в сороковых годах прошлого века, в ходе простого, но очень убедительного эксперимента. Культуру бактерий кишечной палочки распределили мелкими порциями по сотне пробирок, выдержали некоторое время в одинаковых условиях, давая бактериям возможность размножиться в разных популяциях-пробирках, а затем подвергли воздействию одного и того же антибиотика и сразу же после этого пересчитали выживших бактерий в каждой из пробирок.

Количество выживших бактерий повсюду оказалось разным! Причем, разница эта была довольно существенной.

Что из этого следует?

То, что устойчивость к антибиотику была приобретена выжившими бактериями в случайном порядке, еще до его применения, а не возникла как реакция на его действие. Если бы устойчивость была бы следствием действия антибиотика, то количество выживших бактерий было бы примерно одинаковым во всех пробирках, потому что один и тот же фактор в одинаковых дозах оказывает на одинаковые организмы, находящиеся в одинаковых условиях одинаковое действие.

Положение пятое. Одни и те же мутации могут возникать неоднократно.

Это правило справедливо только для генных мутаций – изменений в данном конкретном гене. Изменения, касающиеся хромосом, вследствие сложного их характера, являются уникальными и неповторимыми.

Положение шестое. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей.

Тут добавить нечего. Как говорится – чем больше сеть, тем крупнее улов.

Выдающийся отечественный биолог Николай Вавилов в 1920 году сформулировал закон гомологических рядов наследственной изменчивости, названный законом Вавилова, согласно которому близким видам и родам организмов свойственны сходные ряды наследственной изменчивости. Иначе говоря, чем ближе родственные связи групп организмов, тем большее сходство наблюдается в ряду их изменчивости.

Родственники изменяются схожим образом, у близких родственников могут наблюдаться одни и те же мутации, родственники наследуют от общих предков одни и те же мутации. Именно по этой причине браки между близкими родственниками считаются нежелательными. Дело в том, что случайное совпадение по носительству одного и того же рецессивного генетического дефекта у обоих супругов, не состоящих в родстве, представляет собой весьма редкое событие. Обычно рецессивный ген, полученный от одного родителя будет подавляться в паре доминирующим геном другого родителя. Но если в брак вступают родственники, то вероятность такого совпадения резко увеличивается. И если рецессивный ген является «вредным», то совпадение по нему приведет к заболеваниям или уродствам. Чем ближе степень родства между супругами, тем выше опасность генетических осложнений для их потомства.

В Семейном кодексе РФ сказано (глава 3, статья 14): «не допускается заключение брака между… близкими родственниками (родственниками по прямой восходящей и нисходящей линии (родителями и детьми, дедушкой, бабушкой и внуками), полнородными и неполнородными (имеющими общих отца или мать) братьями и сестрами)».

Вы, наверное, слышали о том, что вирус гриппа отличается высокой изменчивостью. Да, так оно и есть. Если бы этот проклятый вирус не изменялся, то мы бы болели гриппом один раз в жизни. Стойкий иммунитет, развивающийся в результате перенесенного заболевания, не дает вирусу второго шанса вызвать заболевание. Но иммунитет «нацелен» на данный конкретный вирус. Если вирус изменится, точнее – если изменятся белки его оболочки, служащие опознавательными маркерами для клеток иммунной системы, то иммунная система не встретит его «в штыки» и он сможет вызвать заболевание. Вот поэтому мы и болеем гриппом многократно.

Но при этом существуют противогриппозные вакцины. Ежегодно проводятся прививки от гриппа. Вас это не удивляет? Ведь высокая изменчивость вируса гриппа делает прошлогоднюю (условно) вакцину бесполезной. А прививки проводятся перед вспышкой гриппа. «Перед», обратите внимание, а не «во время» и уж тем более не «после». Вдобавок, на создание вакцины и производство нужного количества требуется определенное время. Откуда производители вакцин могут знать, с каким вирусом гриппа человечество столкнется в будущем?

Изменчивость вируса прогнозируют ученые. Современные возможности генетики позволяют довольно точно предсказывать будущие эволюционные изменения вируса, если известна его предыдущая эволюция. Задача облегчается тем, что у вируса гриппа «всего-навсего» 11 генов. На основании научного прогноза Всемирная организация здравоохранения ежегодно рекомендует производителям новый состав противогриппозной вакцины.

Особое место среди мутаций занимают соматические мутации, возникающие не в половых клетках, а в клетках тела. Принципиальное отличие соматических мутаций заключается в том, что при половом размножении они не передаются потомству. Они могут быть переданы только при бесполом размножении, если дочерние организмы развиваются из клетки или группы клеток, с мутировавшим геном.

К слову будь сказано, что мутации, возникающие в половых клетках и передающиеся потомству, называют генеративными мутациями.

Соматические мутации, как вы понимаете, не касаются всего организма в целом и потому не могут носить приспособительного характера. Проще говоря, пользы от них никакой, а вот вред может быть огромным. Нередко соматические мутации приводят к неконтролируемому росту клеток, то есть – к развитию онкологических заболеваний. Также они могут вызвать доброкачественные опухоли и нарушение работы внутренних органов. Есть гипотеза, связывающая процесс старения с накоплением в клетках мутагенов – факторов, вызывающих мутации.

Мутагены воздействуют на молекулы ДНК, изменяя их структуру, а также могут повреждать некоторые белки, участвующие в «тиражировании» молекул ДНК или же в процессе клеточного деления.

По своей природе мутагены подразделяются на физические, химические и биологические.

Самыми известными физическими мутагенами являются различные виды ионизирующего излучения: ультрафиолетовое, нейтронное, рентгеновское, гамма-излучение и др. Эти виды излучения называются ионизирующими благодаря своей способности образовывать ионы из нейтральных атомов или молекул в тех веществах, через которые они проходят. Грубо говоря, ионизирующее излучение своей энергией «выбивает» электроны из атомов. Атом, лишившийся электрона, становится положительно заряженным ионом. Другие атомы присоединяют бесхозные выбитые электроны и превращаются в отрицательно заряженные ионы.

При ионизации в молекулах ДНК возникают разрывы. Эти разрывы восстанавливаются, но при восстановлении последовательностей нуклеотидов в цепи ДНК могут происходить ошибки, изменяющие гены. Чем больше разрывов – тем больше ошибок при их ликвидации – тем больше мутаций.

Кстати говоря, не стоит чрезмерно пугаться ультрафиолетового излучения. Оно сильно поглощается тканями и потому у многоклеточных организмов, к которым мы с вами относимся, способно вызывать мутации только в поверхностно расположенных клетках. Для того, чтобы защитить себя от вредного ультрафиолетового излучения, будет достаточно головного убора и легкой тонкой одежды.

Высокие или низкие температуры также могут вызывать мутации, но в отличие от ионизирующего излучения, мутагенное действие температур избирательно. Так, например, у ржи или пшеницы температуры никаких мутаций не вызывают, а вот у мушек-дрозофил повышение температуры окружающей среды на 10 °C увеличивает частоту мутаций в три раза. На человека и вообще на всех млекопитающих температуры мутагенного действия не оказывают. Считается, что температурные колебания действуют на молекулы ДНК не прямо, а опосредованно, вызывая биохимические изменения в окружающей их среде.

Химических мутагенов существует великое множество. Счет им идет на тысячи. У всех химических мутагенов есть одно общее свойство – это активные вещества, охотно вступающие в реакцию с другими веществами. Неактивное вещество не вызовет разрыва молекулы ДНК и ничего от нее не отщепит, то есть – не вызовет необходимости «починки» молекулы, а также не сможет нарушить нормальное течение какого-то клеточного процесса.

Давайте рассмотрим действие колхицина, одного из самых известных химических мутагенов.

Колхицин представляет собой азотсодержащее органическое вещество природного происхождения, обладающее свойствами слабого основания.

Структурная формула колхицина

Колхицин способен связываться с белком тубулином из которого состоят микротрубочки, клеточные органеллы, принимающие активное участие в процессе деления. Вспомните, что во время деления клеток из микротрубочек формируются нити, которые протягиваются от центриолей к ядру. Эти нити растаскивают хромосомы по дочерним клеткам так, чтобы каждая из них получила бы одинаковый набор хромосом.

В больших дозах колхицин полностью блокирует процесс клеточного деления, а в малых – нарушает процесс равномерного распределения хромосом между дочерними клетками в результате чего образуются клетки с удвоенным количеством хромосом. Селекционеры, работающие с некоторыми видами растений (например – с орхидеями), используют колхицин для получения особей с бо́льшим количеством хромосом.

Химические мутагены подразделяются на мутагены прямого действия, у которых достаточно сил (химики называют силу вещества «реакционной способностью») для повреждения молекул ДНК, РНК и клеточных белков, а также на мутагены непрямого действия, которые сами по себе мутагенного действия оказывать не способны, но превращаются в мутагены после поступления в организм.

Как происходит подобное превращение?

Да очень просто – мутагены непрямого действия вступают в химическую реакцию с каким-нибудь веществом, имеющимся в организме, и в результате образуют вещество мутагенными свойствами.

У подавляющего большинства мутагенных факторов мутагенность сочетается с канцерогенностью. Иными словами, почти все, что вызывает мутации, способно вызывать онкологические заболевания. Это закономерно, ведь способность к неукротимому (неконтролируемому) делению, которая лежит в основе всех онкологических процессов, нормальные соматические клетки приобретают в результате мутаций.

А как по-вашему – есть ли разница между мутациями, вызываемыми физическими факторами и мутациями, вызываемыми химическими факторами?

Никакой разницы нет. Мутация есть мутация. Как говорится – что в лоб, что по лбу.

К биологическим мутагенам относят некоторые белки и продукты окисления жиров, а также некоторые вирусы, например – вирусы кори и краснухи. Мутагенным фактором вирусов являются их нуклеиновые кислоты – ДНК или РНК. Именно мутагенное действие обуславливает канцерогенный эффект вирусов (не всех, а только лишь немногих).

Известно ли вам, что существуют прыгающие гены?

Нет, это не шутка – такие гены действительно существуют. По-научному они называются транспозонами. По самым нескромным оценкам транспозоны составляют около половины человеческой ДНК, а по скромным – примерно треть. Транспозоны обладают способностью менять свою локализацию, то есть они способны перепрыгивать с одного места в молекуле ДНК на другое.

Эти «попрыгунчики» делятся на два типа в зависимости от механизма прыжка. Одни транспозоны вырезаются из одного места и врезаются в другое («вырезать и вставить»), а другие создают РНК-матрицу для самокопирования («копировать и вставить»). Пока транспозоны «скачут» по тем участкам молекул ДНК, которые не кодируют синтез белка, они не вызывают мутаций. Но вставка транспозона в ген вызовет мутацию.

Зачем нужны прыгающие гены ученые еще не установили. Гипотез существует множество, одна другой интереснее. Есть мнение, что транспозоны помогают клетке отрабатывать механизмы для борьбы с вирусами, которые ведут себя схожим образом – встраивают свою нуклеиновую кислоту в молекулу клеточной ДНК. Клетки вырабатывают особые небольшие молекулы РНК, которые подавляют активность транспозонов, и таким образом «тренируются» для борьбы с вирусами.

Согласно другой гипотезе, прыгающие гены нужны для уничтожения РНК-матриц, доставшихся эмбриону от матери. На ранних этапах развития эмбриона, когда его собственные гены еще не включились в работу, белки синтезируются на РНК-матрицах, считанных заранее с генов матери. Но в определенный момент, когда эмбрион начинает производить свои матрицы, материнские матрицы должны быть уничтожены, иначе начнется крайне нежелательная путаница в синтезе белков.

Некоторые ученые «зрят в корень» – считают, что прыгающие гены нужны для создания мутаций. Ведь чем больше мутаций, тем выше вероятность получения полезных приспособительных признаков.

Не стоит думать, что мутации происходят только под действием мутагенных факторов. Ошибки в репликации ДНК происходят и «сами по себе», без действия каких-то внешних факторов и без участия прыгающих генов. Разумеется, при действии мутагенов частота возникновения подобных ошибок возрастает, но не стоит думать, что в отсутствие мутагенов мутаций не будет совсем.

Не так давно ученым удалось выяснить, что большинство мутагенов взаимодействует со строго определенными фрагментами молекулы ДНК. Более того, в ряде случаев удалось установить конкретное азотистое основание, на которое действует конкретный мутаген – аденин, тимин, гуанин или цитозин. Недалек тот день, когда генетики смогут вызывать строго направленные, «прицельные» мутации – вносить заранее спланированное изменение в конкретный фрагмент ДНК.

«Не нужны нам эти прицельные мутации! – строго скажут сейчас убежденные противники продуктов питания, полученные из генетически модифицированных организмов. – Жили тысячи лет без них – и еще проживем!».

Да – жили, как жили без электричества и без автомобилей.

Но давайте вникнем в суть вопроса.

Начнем с того, для чего в сельском хозяйстве изменяют генотип растений и животных?

Для того, чтобы получить быстрый рост, лучший вкус и высокую устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды, например – к холодам или к вредителям. Пересаживают кукурузе ген, взятый у лосося (условно), и кукуруза начинает расти в два раза быстрее. Или пересаживают капусте ген от подснежника и капусте становятся нипочем майские заморозки. Что в этом плохого? То, что продукты питания в результате таких «манипуляций» будут стоить дешевле?

В общественном сознании употребление генетически модифицированных продуктов настолько же опасно, как и действие ионизирующего излучения, которое вызывает мутации. Но на самом деле употребление в пищу генетически модифицированных организмов совершенно безопасно и никаких проблем вызвать не может. Мы постоянно занимаемся тем, что поглощаем чужую ДНК. Если можно съесть кусок лосося к которому в качестве гарнира прилагается вареная кукуруза, то что плохого в кукурузе, которой пересадили лососиный ген? Разве этот ген сможет «встроиться» в вашу ДНК? Нет, не сможет! Вся проглоченная ДНК в нашем пищеварительном тракте переваривается, расщепляется на мельчайшие составные части.

Под действием содержащейся желудочном соке соляной кислоты, разрушаются хромосомы, представляющие собой соединение ДНК с белками. Затем за высвобожденную ДНК, а также за РНК, принимаются ферменты, содержащиеся в секрете поджелудочной железы. Завершают процесс ферменты, вырабатываемые клетками слизистой оболочки кишечника. В кровь могут всасываться только нуклеозиды, состоящие из азотистого основания, связанного с сахаром, или же продукты расщепления этих нуклеозидов. Помните, мы говорили о том, что молекулы ДНК и РНК состоят из повторяющихся блоков, которые называются нуклеотидами. Так вот – нуклеозид еще меньше, чем нуклеотид, это нуклеотид от которого отщепили фосфатный остаток. Если сравнить нуклеотиды с кирпичиками, из которых выстраиваются молекулы ДНК и РНК, то нуклеозиды – это половинки кирпичиков. И еще надо учесть, что все многообразие ДНК и РНК на нашей планете составлено пятью разновидностями нуклеотидов и таким же количеством нуклеозидов. Нуклеиновые кислоты любого продукта питания, вне зависимости от того, оказывалось воздействие на его геном или нет, при переваривании дадут набор из пяти мономерных остатков. Нашему организму совершенно безразлично какие нуклеиновые кислоты переваривать.

Генетически модифицированные продукты более конкурентоспособны на рынке за счет низкой цены и хорошего качества. Да-да, и качества тоже, ведь одной из целей генетического модифицирования является повышение потребительских свойств продукта. Но генетическая модификация – дело дорогое и оплачивать услуги генных инженеров могут только крупные производители. Да и окупаются эти затраты только на больших объемах. Мелкие хозяйства не могут конкурировать с крупными структурами напрямую, снижая цены и повышая качество продукции. Но зато они могут постоянно говорить о мнимом вреде генетически модифицированных продуктов и противопоставлять недорогой генетически модифицированной продукции свою, более дорогую, но зато якобы «полезную». «Полезная продукция от мелкого фермерского хозяйства» нынче в тренде.

Но в конечном итоге из любых съеденных нуклеиновых кислот получается набор из пяти разновидностей мономеров. Только так и никак иначе.