Наследственность и изменчивость: зачем нужны мутации

Как бы сложна и эффективна ни была система защиты человеческого генома, она все-таки не способна полностью обезопасить его от повреждений, хотя значительно снижает вероятность молекулярных ошибок.

Ошибки, а точнее будет сказать, «изменения» в геноме называются мутациями. В соответствии с иерархической структурой генома они могут проявляться на всех его уровнях. Одни мутации затрагивают лишь один или несколько нуклеотидов — молекулярных «букв» генетического алфавита — и называются «точечными», другие нарушают большие фрагменты генов. Это генные мутации. Третьи повреждают целые хромосомы. Наконец, бывают мутации геномные — изменения числа хромосом в клетке. Одна из таких мутаций — причина синдрома Дауна, при котором в геноме присутствуют не две копии 21 хромосомы, как положено, а три.

Как было сказано выше, наш геном хранит информацию, с одной стороны, об аминокислотной последовательности каждого белка, с другой — об особенностях регуляции его активности. Мутация в кодирующей части гена может привести к изменению структуры белка и повлиять на его способность выполнять свои функции. Классическим примером такой мутации является повреждение белка гемоглобина при серповидноклеточной анемии в результате замены одного аминокислотного остатка. Мутация в регулирующей части генома может привести к тому, что нормальный с точки зрения аминокислотной последовательности белок начнет синтезироваться в количестве большем (или меньшем), чем это необходимо, что также нарушит нормальную жизнедеятельность клетки.

Кроме объема генетического материала, задетого мутацией (один ген или целая хромосома), имеет значение и в какой клетке — соматической или половой — произошло нарушение. Соматические клетки — это все клетки человеческого организма, кроме половых (сперматозоидов и яйцеклеток). Мутация, случившаяся в соматической клетке, затрагивает только ее саму и ее потомков (если эта клетка, несмотря на повреждения, продолжает делиться). Остальные клетки организма останутся здоровыми и могут компенсировать дефекты своей поврежденной соседки. Совсем другое дело, когда мутация важного гена или даже хромосомы присутствует в половых клетках — тогда зародыш, который образуется при участии мутировавшей яйцеклетки или мутировавшего сперматозоида, будет нести это нарушение во всех клетках своего организма (в том числе и в половых). Такие мутации называются генеративными, и именно они ответственны за проявление большинства заболеваний, которые мы называем «наследственными». Одно из таких заболеваний — гемофилия, болезнь, передающаяся по женской линии (нарушение, приводящее к ней, присутствует в Х-хромосоме). При этой болезни у человека с рождения нарушена свертываемость крови и даже небольшая рана может привести к тому, что он потеряет много крови. От гемофилии страдал сын последнего российского императора царевич Алексей. Дефектную хромосому он, по всей видимости, получил от своей матери Александры, в роду которой неоднократно отмечались случаи этого заболевания.

Накопление мутаций в половых клетках с возрастом приводит к повышенному риску развития генетических аномалий у детей родителей старшего возраста. Причем если раньше акцент делался только на возраст матери, то исследования последних десятилетий показали, что возраст отца также имеет большое значение для формирования здорового зародыша. Социально одобряемая стратегия современного человека отложить рождение детей «на потом» входит в серьезное противоречие с его биологической природой и рано или поздно может обернуться не только медицинскими, но и общественными проблемами.

Мутации соматических клеток при половом размножении не наследуются, вот если бы люди размножались почкованием — тогда другое дело! Впрочем, и соматические мутации, как мы увидим дальше, «безвредны» лишь до какого-то предела. Именно они — основная причина ракового перерождения клеток.

Поскольку в этой книге мы будем говорить, главным образом, о нарушениях генома, приводящих к появлению злокачественных опухолей, у читателя может возникнуть превратное представление, будто всякая мутация — зло. Но это не так. Совсем не так. Мутация — это изменение. А изменения возможны не только к худшему, но и к лучшему. Эволюция конструирует новые виды и совершенствует старые неэкономным, но эффективным методом — проб и ошибок. Чтобы жизнь могла развиваться, живым системам присуща не только наследственность — способность сохранять генетический материал и передавать его потомкам, но и изменчивость — не 100-процентная точность этого сохранения и этой передачи. Мерой изменчивости является частота мутаций. Благодаря ей у потомков могут появиться какие-то новые свойства, которых раньше у вида не было, — более темная кожа, чтобы лучше чувствовать себя в жарком климате, или способность переваривать молоко не только в младенчестве, но и в зрелом возрасте, которая отсутствует у животных, но имеется у большинства людей. Мутационный процесс — это рулетка, но иногда в нее можно выиграть.

Материалом для естественного отбора и эволюции вида служит, прежде всего, изменчивость сперматозоидов и яйцеклеток. Однако, поскольку механизмы защиты генома примерно одинаковы во всех клетках человеческого тела, за возможность эволюционировать нам приходится расплачиваться риском соматических мутаций, и некоторые из них приводят к раку.

В настоящее время считается, что все современное человечество происходит от небольшой группы людей, вышедшей из Африки. Разнообразие типов, которое мы наблюдаем сейчас: светлокожие и темнокожие, высокие и миниатюрные, кудрявые и с гладкими волосами, — результат неравномерного накопления мутаций в разных человеческих группах, плод эволюции. А такие неприятные вещи, как рак и наследственные заболевания, суть «эволюционная плата» позвоночных за достижения — развитие мозга и большую продолжительность жизни, которые тоже когда-то выглядели как «ошибки» относительно более ранних генетических программ наших червеобразных предков.

 ФАКТ: в нарушениях генома заложена не только опасность, но и потенциал к развитию. Они — наша «эволюционная плата» за возможность усложнения и эволюционирования. К сожалению, из-за того, что «ломать — не строить», шанс заполучить вредную мутацию для отдельно взятого человека (или отдельной клетки) гораздо выше, чем вероятность приобрести полезное изменение.