О мутантах среди нас⁠⁠

Благодаря Голливуду при слове "мутанты" большинство людей вспоминают героев комиксов

Или же кунсткамеру с заспиртованными младенцами и волосатых людей

Сегодня мы поговорим не о киношных, а о настоящих мутантах с точки зрения биологии и попробуем разобраться, как часто они встречаются среди нас.

Итак, мутант это биологический организм, отличающийся от исходного типа каким-либо наследственным отклонением, возникшим в результате мутации.

Так уж получилось, что слово мутация в обиходе имеет негативный смысл и подразумевает болезнь и уродство. Однако с точки зрения генетики это всего лишь отличие генетического кода организма от кода его родителя или родителей. Выглядит оно примерно так:

На картинке один нуклеотид заменятся другим - самый типичный вид мутации, который называют однонуклеотидной заменой. Есть и другие виды мутаций типа вставок, перестановок, дупликаций, или хромосомных мутаций, приводящих к серьёзным отклонениям (синдром Дауна итд), но они встречаются гораздо реже замен. А какие могут быть последствия однонуклеотидных замен с точки зрения генетического кода?

Ну, сначала можно взглянуть на саму последовательность нуклеотидов:

Пока что это ничего нам не даёт - видно только, что изменилась одна буква-нуклеотид. Для полноты картины придётся расшифровать генетический год, в котором "словами" являются кодоны - участки из 3 нуклеотидов, отвечающие за строительный кирпичик всего живого - аминокислоту. Тогда мы увидим всю цепочку - замена буквы влияет на анимокислотный состав белка. Состав белка в свою очередь влияет на его структуру (как говорят биологи - укладку) и, как следствие, на химические и физические свойства.

На картинке этот принцип показан максимально наглядно (Сер, Лей, Асп, Гис это аминокислоты серин, лейцин, аспарагин, гистидин, те самые строительные кирпичики белков):

Белки выполняют в организме огромный спектр функций, это и транспортные единицы, и ферменты, и стройматериал. Замечательный пример белка - гемоглобин, который отвечает за перенос кислорода:

Теперь рассмотрим условную мутацию - однонуклеотидную замену, произошедшую в человеческой ДНК. Тут есть несколько вариантов, какой эффект она может произвести на организм в зависимости от её местонахождения:

1. Мутация произошла в некодирующей части ДНК

Для понимания дальнейшего текста важно знать, что большая часть ДНК человека и вообще эукариот состоит из участков, которые не никак не участвуют в синтезе белка, причём некоторые из них могут "сидеть" прям внутри гена (так называемые интроны).

Последние исследования показали, что эти участки выполняют кое-какие биохимические функции, но именно при непосредственном синтезе белка они отбрасываются как ненужные (на картинке интроны показаны серым цветом).

Можно с высокой долей вероятности утверждать, что мутация произошедшая в некодирующей части на наследственные свойства организма не повлияет.

2. Мутация произошла в кодирующей части ДНК.

Казалось бы мутация, происходящая в кодирующей части ДНК должна приводить к определённым изменениям. Однако тут есть один очень интересный нюанс, который станет понятен если взглянуть на таблицу генетического кода:

Мы увидим, что код избыточен - то есть разные сочетания нуклеотидов читаются "одинаково". Например, аминокислота (т.е. строительный кирпичик белков) валин это и GUU, и GUC, и GUA, и GUG.

Так вот, мутация, которая не приводит к замене аминокислоты (GUU изменилось на GUA), называется синонимичной и вообще никак не влияет на организм. Многие очень важные белки у разных видов млекопитающих могут быть абсолютно одинаковыми (это значит что любое их изменение привело к печальным последствиям для организма), но при этом иметь в генетическом коде множество синонимичных замен, и это абсолютно нормально и абсолютно нормально себя чувствовать.

Ну и самый важный для нашего повествования расклад - когда мутация приводит к замене аминокислоты. И здесь тоже не всё так однозначно. Посмотрим на ту же самую молекулу гемоглобина:

Отдельные её участки различаются по важности. Те, которые отвечают за присоединение кислорода и взаимодействие с клетками самые важные (именно поэтому они одинаковые у всех животных - другие варианты просто отбраковывались естественным отбором). Далее есть участки, которые отвечают за устойчивость молекулы, её взаимодействие с водой, и прочее прочее. Соответственно, мутация в генах гемоглобина не всегда приведёт к смерти зародыша или какой-либо болезни (хотя чаще всего приведёт). Она может быть слабовредной или нейтральной, и тогда её носитель будет с виду обычным человеком.

Ну вот, вроде мы разобрались с мутациями (кстати очень поверхностно - просто сейчас у меня немного другая цель). Теперь можно подобраться к самой важной части, а именно к мутантам среди нас.

Тут работает довольно простая математика: частота мутаций у человека (и она примерно одинакова для всех млекопитающих) примерно равна 1/100 000 000 на нуклеотид за поколение. Поскольку геном человека длиной в 3 000 000 000 (три миллиарда) и у каждого из нас два генотипа, 1/100 000 000 на букву за поколение означает примерно 60 новых мутаций на новорожденного.

Эти новые мутации, уникальные для данного сперматозоида или яйцеклетки, были приобретены в то время, пока эти клетки находились в гонадах (органах, продуцирующих половые клетки) родителей.

"Вклад" родителей при этом не одинаков, так как мужчины передают вновь возникшие мутации гораздо чаще, чем женщины. Это означает, что в половых клетках мужчин мутации возникают чаще, чем в половых клетках женщин. Сейчас это не кажется удивительным. Мы понимаем, что у девочки от зиготы до зиготы проходит примерно тридцать клеточных делений. В зародышевом пути девочки, когда она еще эмбрион, у нее уже сформированы все яйцеклетки. Мужчины же продуцируют сперму всю жизнь. Поэтому статистически самый важный фактор, который влияет на количество мутаций у потомства - это возраст отца.

Но вернёмся к цифрам. Итак, 60 мутаций сначала кажутся огромной цифрой, но мы уже знаем, что мутации могут во-первых происходить в несмысловой части генома, во-вторых приводить к синонимичным заменам без последствий для организма, и в третьих быть нейтральными (или совсем немного вредными).

Так вот, статистика утверждает, что из этих 60 мутаций около четырех являются значимыми, то есть меняют аминокислоты в белках. И из этих четырех меняющих смысл мутаций примерно три окажутся вредоносными. Или, выражаясь точнее, они окажут влияние на окончательный репродуктивный успех организма.

Казалось бы 3 мутации это не слишком много, однако мы не учли ещё один важный момент. Дело в том, что каждый из нас отягощен не только своим собственным уникальным набором вредных мутаций, но должен справляться с тем, что мы унаследовали от родителей, а они - от своих родителей и так далее.

Каков общий груз мутаций, испытываемый в среднем человеком? Продолжительность периода времени, в течение которого данная мутация будет передаваться от одного поколения к другому, зависит от тяжести ее воздействия на организм. Если предположить, что средняя мутация оказывает лишь незначительный вредоносный эффект на репродуктивный успех и поэтому сохраняется в течение сотен поколений (по настоящему вредная мутация была бы ранее отсеяна естественным отбором), то оценка в три новых мутации на поколение приведет нас к довольно-таки печальному выводу, что любое вновь зачатое человеческое существо в среднем несет в себе триста мутаций, которые в той или иной степени ухудшают его здоровье.

Получается, ни один из нас полностью не свободен от этой мутационной бури - однако и не все мы в равной степени подвержены ее воздействию. Некоторые из нас рождаются с необычно большим числом умеренно вредных мутаций, тогда как у других их довольно мало.

Так кто же в таком случае они такие - мутанты? Ответ после всего написанного довольно очевиден: по определению мы все мутанты, но некоторые из нас в большей степени, чем другие.

PS Пост написан по мотивам книги "Мутанты" Арман Мари Леруа (сслылка на описание)