Мутации вредные и полезные встречаются чаще
ПостНауке 8 лет!
Лучший подарок — ваша поддержка
Оформите подписку на удобную вам сумму, чтобы мы продолжали радовать вас новыми материалами
6 фактов об ошибках при репликации и репарации ДНК, наследственных болезнях и слабовредных мутациях
Мутации происходят у всех организмов. Существует такая теорема: если бы организм постарался сделать так, чтобы мутаций совсем не было (то есть неограниченно увеличивал точность репликации и репарации ДНК), то «цена» этих процессов стремилась бы к бесконечности, поскольку ничего нельзя сделать без ошибок. Под ценой имеется в виду время, которое эти процессы занимали бы, и энергия, которая бы на них затрачивалась. Поэтому какие-то ошибки при работе клетки с генетическими текстами возникают неизбежно.
1. Причины мутаций
Мутации происходят очень редко и в основном по двум причинам. Во-первых, в связи с ошибками при репликации ДНК. Во-вторых, в связи с ошибками при репарации. ДНК нужно все время удваивать, поскольку при делении клетки обе дочерние клетки должны получить всю ДНК. И это удвоение нельзя сделать безошибочно.
Иногда ДНК ломается, поскольку это достаточно хрупкая вещь. Длина всей ДНК в каждой человеческой клетке — метр. Она достаточно компактно упакована. Поскольку ДНК — молекула совсем небольшой толщины, то она постоянно ломается даже при тепловых воздействиях. И ее надо чинить. И если ее починить неаккуратно, то возникнет мутация. При репликации ДНК вероятность, что новая буква будет «приделана» неправильно, равна всего лишь 10-10 — это один шанс на десять миллиардов.
Такой процесс происходит в два этапа: сначала ДНК «приделывает» букву, а потом сразу пытается ее оторвать. Соответственно, если буква была приделана неправильно, то, скорее всего, она будет оторвана (это так называемая 3’ > 5’-экзонуклеазная активность). Потом наступает третий этап активности — третья «линия обороны». Если буква была приделана неправильно и не оторвана, то возникает ДНК, у которой две нити содержат буквы, некомплементарные друг другу. Тогда там начинают ползать ферменты, которые распознают такие несоответствия и выкидывают неправильную новую букву, заменяя ее.
2. Мутации вредные и безвредные
Несмотря на то, что в процессе репликации ДНК идет упорная борьба за точность, какие-то ошибки неизбежны. В этом смысле человек нисколько не отличается от животных. У человека частота мутаций примерно равна 10-8 на нуклеотид за поколение. Поскольку геном человека длиной в три миллиарда нуклеотидов и у каждого из нас два генотипа, значит, 10-8 на одну букву за поколение — это примерно 60 новых мутаций на каждого новорожденного. Конечно, из этих 60 новых мутаций большая доля нейтральна. Геном человека набит различным «мусором», и если в каком-нибудь дальнем углу буква А заменилась на букву B, то человеку от этого ничего не будет. Но примерно 10% нашей ДНК важны. И если мутация затрагивает что-то важное, она, скорее всего, вредна, поскольку, когда ты меняешь что-то работающее, становится хуже.
3. История исследования вредных мутаций
Первое наблюдение мутационной изменчивости у человека появилось почти сразу после переоткрытия законов Менделя. В 1909 году английский врач Арчибальд Гаррод опубликовал работу о генетических болезнях метаболизма под названием «Врожденные ошибки метаболизма». В частности, он изучал болезнь, известную как алкаптонурия — это нарушение метаболизма тирозина, при котором в моче присутствует гомогентизиновая кислота. Гаррод заметил, что больные обычно являются потомками браков между родственниками. Это вызвано тем, что алкаптонурия — рецессивная болезнь. То есть, чтобы заболеть ею, надо получить мутантные аллели и от мамы, и от папы, что гораздо более вероятно, если мама и папа — родственники. Это было первое продвижение в изучении вредных мутаций у человека.
А в 1912 году немецкий врач Вильгельм Вайнберг заметил, что наследственные болезни чаще встречаются у последних детей в семье. И сделал вывод, что мутации чаще передаются детям от пожилых родителей. В 1935 году великий генетик Джон Холдейн сделал совершенно потрясающее открытие. Он изучал болезнь «гемофилия», которая сцеплена с полом. То есть ген, поломка которого может привести к гемофилии, сидит в Х-хромосоме. Чтобы болезнь возникла у девочки, нужно, чтобы обе ее Х-хромосомы несли поломанную аллель, что бывает очень редко. А у мальчика всего одна Х-хромосома. Поэтому для появления болезни достаточно одной поломанной аллели. Поэтому гемофилия встречается практически только у мальчиков. Холдейн заметил, что если мальчик болен гемофилией, то часто и его братья тоже больны. И сделал такой вывод. Представьте, что мальчик — гемофилик, потому что у его мамы возникла мутация. Тогда это была бы уникальная мутация: возникал бы только один спорадический больной. А возникают они обычно в семьях. То есть если мальчик — гемофилик, то его брат с вероятностью почти 50% тоже гемофилик. Это означает, что виновата не мама. А виноват папа этой мамы. Мама уже является гетерозиготным носителем. То есть мутация возникла не у мамы, она возникла раньше. Из этого Холдейн сделал вывод, что мужчины передают вновь возникшие мутации гораздо чаще, чем женщины. Это означает, что в половых клетках мужчин мутации возникают гораздо чаще, чем в половых клетках женщин.
Сейчас это не кажется удивительным. Мы знаем, что у девочки от зиготы до зиготы проходит примерно тридцать клеточных делений. В зародышевом пути девочки, когда она еще эмбрион, все яйцеклетки уже сформированы. А мужчины продуцируют сперму всю жизнь. И поэтому от зиготы до зиготы в мужской линии проходит не тридцать делений. Если мужчина размножается в 18 лет, то примерно 150 делений, а если в 60 лет, то даже 500 делений. И поскольку основной источник мутации — это ошибка репликации ДНК, то мы видим такое резкое различие в скоростях возникновения мутаций между мужчинами и женщинами.
4. Слабовредные мутации
Примерно 2% новорожденных детей несут какую-то четкую простую менделевскую патологию. Соответственно, 98% детей являются здоровыми — в том смысле, что менделевской болезни у них нет. До начала 30-х годов считалось, что мутации — это нечто редкое. Однако первый, кто показал, что это не так, был Тимофеев-Ресовский. В 1935 году он открыл слабовредные мутации — мутации, которые не убивают и не вызывают никакого очевидного фенотипа вроде несвертываемости крови, а просто немного снижают приспособленность. Он показал, что мутаций, которые только количественно портят муху-дрозофилу, больше, чем тех, которые можно зафиксировать и сказать, что их носитель — мутант.
Через 35 лет японец Теруми Мукаи начал изучать слабовыраженные мутации уже на очень большом материале. И оказалось, что таких мутаций больше, чем явных, не в два раза, а в сто. Выяснилось, что большая часть мутаций — это то, чего мы простыми методами не обнаруживаем. А потом появились современные методы (нового поколения) секвенирования, которые позволяют за несколько тысяч долларов полностью расшифровать генотип человека. Если мы назовем геномом человека статистическую популяционную норму, то оказывается, что генотип каждого человека несет примерно десять тысяч отклонений от генома, которые вызывают замену аминокислоты в белке.
5. Методы исследования мутаций
Есть методы, которые позволяют сказать по замене аминокислоты в белке, вредна она или безвредна. Основа этих методов тоже эволюционная. Мы сравниваем какой-то белок у человека с аналогичными белками у самых разных млекопитающих. Пусть в норме у человека на каком-то месте стоит аминокислота глицин, но у каких-то других млекопитающих там стоит аланин. Тогда, наверное, человеку аланин на этом месте тоже не вреден. Полной уверенности здесь быть не может, но это вероятно. А если глицин в каком-то месте белка стоит у всех (у человека, собаки, лошади, мыши), то его замена на аланин у человека, наверное, будет вредна, потому что никто так не делает.
Эти и другие соображения позволяют оценить, какая доля мутаций у человека вредна. Здесь полезно различать новые мутации, которые возникли сейчас, и мутации, которые возникли раньше, а сейчас тоже присутствуют в виде редких аллелей. Из десяти тысяч отличий от генетической нормы примерно тысяча вредна.
6. Последствия накопления мутаций
Значит, у каждого человека в генотипе присутствует от 900-1100 заменяющих аминокислоту слабовредных мутаций. Количество таких мутаций увеличивается примерно на одну за поколение за счет спонтанного мутационного процесса. Сейчас у человека практически не действует естественный отбор против слабовредных мутаций — он действует против только очень сильных нарушений. Если у человека, к примеру, поднялось кровяное давление на один процент, он съест лишнюю таблетку и будет счастливо жить до 70 лет. Никто не знает, что станет с человеческой популяцией из-за накопления этих слабовредных мутаций. Ясно, что ничего хорошего. Но, как быстро последствия этого накопления станут видимыми, пока никто не знает.
Источник
Рудиментарные структуры и компромиссные конструкции все еще могут быть обнаружены в организме человека, которые являются вполне определенными свидетельствами того, что у нашего биологического вида длинная эволюционная история, и что он не просто так появился из ничего.
Также еще одной серией свидетельств этого являются продолжающиеся мутации в человеческом генофонде. Большинство случайных генетических изменений нейтральные, некоторые вредные, а некоторые, оказывается, вызывают положительные улучшения. Такие полезные мутации являются сырьем, которое может быть со временем использовано естественным отбором и распределено среди человечества.
В этой статье некоторые примеры полезных мутаций …
Аполипопротеин AI-Milano
Болезнь сердца является одним из бичей промышленно развитых стран. Она досталась нам в наследство из эволюционного прошлого, когда мы были запрограммированы на стремление к получению богатых энергией жиров, в то время бывших редким и ценным источником калорий, а теперь являющихся причиной закупорки артерий. Однако существуют доказательства того, что у эволюции имеется потенциал, который стоит изучать.
У всех людей есть ген белка под названием аполипопротеин AI, являющийся частью системы, транспортирующей холестерин по кровотоку. Apo-AI является одним из липопротеинов высокой плотности (ЛВП), о которых уже известно, что они являются полезными, поскольку удаляют холестерин со стенок артерий. Известно, что среди небольшого сообщества людей в Италии присутствует мутировавшая версия этого белка, которая называется аполипопротеин AI-Milano, или, сокращенно, Apo-AIM. Apo-AIM действует еще более эффективно, чем Apo-AI во время удаления холестерина из клеток и рассасывания артериальных бляшек, а также дополнительно действуя как антиокислитель, предотвращающий некоторый вред от воспаления, которое обычно возникает при артеросклерозе. По сравнению с другими людьми у людей с геном Apo-AIM значительно ниже степень риска развития инфаркта миокарда и инсульта, и в настоящее время фармацевтические компании планируют выводить на рынок искусственную версию белка в виде кардиозащитного препарата.
Также производятся другие лекарственные препараты, основанные на еще одной мутации в гене PCSK9, производящей подобный эффект. У людей с этой мутацией на 88% снижен риск развития болезни сердца.
Увеличенная плотность костей
Один из генов, который отвечает за плотность кости у людей, называется ЛПНП-подобный рецептор малой плотности 5, или, сокращенно, LRP5. Мутации, ослабляющие функцию LRP5, как известно, вызывают остеопороз. Но другой вид мутации может усилить его функцию, вызывая одну из самых необычных известных мутаций у человека.
Эта мутация была обнаружена случайно, когда молодой человек со своей семьей со Среднего Запада попали в серьезную автокатастрофу, и с места ее происшествия они ушли сами без единой сломанной кости. Рентген выявил, что у них, так же как и у других членов этой семьи, кости были значительно крепче и плотнее, чем это обычно бывает. Занимающийся этим случаем врач, сообщил, что «ни один из этих людей, у которых возраст колебался от 3 до 93 лет, никогда не ломал кости». Фактически оказалось, что они являются не только невосприимчивыми к травмам, но и к обычной возрастной дегенерации скелета. У некоторых из них имелся доброкачественный костистый нарост на небе, но кроме этого у болезни не было других побочных эффектов – кроме того, как сухо было отмечено в статье, что это затрудняло плавание. Как и в случае с Apo-AIM некоторые фармацевтические фирмы исследуют возможность использования этого в качестве исходной точки для терапии, которая могла бы помочь людям с остеопорозом и другими болезнями скелета.
Устойчивость к малярии
Классическим примером эволюционного изменения у людей является мутация гемоглобина под названием HbS, заставляющая эритроциты принимать изогнутую, серповидную форму. Наличие одной копии дарит устойчивость к малярии, наличие же двух копий вызывает развитие серповидноклеточной анемии. Но мы сейчас говорим не об этой мутации.
Как стало известно в 2001 году, итальянские исследователи, изучающие население африканской страны Буркина-Фасо, открыли защитный эффект, связанный с другим вариантом гемоглобина, названного HbC. Люди со всего одной копией этого гена на 29% меньше рискуют заразиться малярией, в то время как люди с двумя его копиями могут наслаждаться 93%-ым сокращением риска. К тому же этот вариант гена вызывает, в худшем случае, легкую анемию, а отнюдь не изнурительную серповидноклеточную болезнь.
Тетрохроматическое зрение
У большинства млекопитающих хроматическое зрение несовершенно, поскольку у них имеется только два вида колбочки сетчатки, ретинальных клеток, различающих различные оттенки цвета. У людей, как и у других приматов, имеются три таких вида, наследство прошлого, когда хорошее хроматическое зрение использовалось для поиска спелых, ярко окрашенных фруктов и давало преимущество для выживания вида.
Ген для одного вида колбочки сетчатки, в основном отвечающий за синий оттенок, был найден в хромосоме Y. Оба других вида, чувствительные к красному и зеленому цвету, находятся в X-хромосоме. В силу того, что у мужчин имеется только одна X-хромосома, мутация, повреждающая ген, отвечающий за красный или зеленый оттенок, приведет к красно-зеленой цветовой слепоте, в то время как у женщин сохранится резервная копия. Это объясняет факт, почему это заболевание почти исключительно присуще мужчинам.
Но возникает вопрос: что происходит, если мутация гена, отвечающего за красный или зеленый цвет, не повредит его, а переместит цветовую гамму, за которую он отвечает? Гены, отвечающие за красный и зеленый цвета, именно так и появились, как следствие дупликации и дивергенции одиночного наследственного гена колбочки сетчатки.
Для мужчины это не было бы существенной разницей. У него все так же имелись бы три цветных рецептора, только набор отличался бы от нашего. Но если бы это произошло с одним из генов колбочки сетчатки женщины, тогда гены, отвечающие за синий, красный и зеленый цвета, находились бы в одной X-хромосоме, а видоизмененный четвертый – в другой…, что означает, что у нее было бы четыре различных цветных рецептора. Она являлась бы, как птицы и черепахи, настоящим «тетрахроматом», теоретически способным различать оттенки цвета, которые все остальные люди не могут видеть отдельно. Означает ли это, что она могла бы видеть совершенно новые цвета, невидимые для всех остальных? Это открытый вопрос.
Также у нас имеются доказательства того, что в редких случаях это уже происходило. Во время исследования по различению цветов, по крайней мере, одна женщина точно показала результаты, которые можно было ожидать от настоящего тетрахромата.
Мы уже обсуждали с вами Кончетту Антико – художницу из Сан-Диего, она тетрахромат.
Меньшая потребность во сне
Восьмичасовой сон нужен не всем: ученые из Пенсильванского университета обнаружили мутацию малоизученного гена BHLHE41, которая, по их мнению, позволяет человеку полноценно отдыхать за более короткое время сна. В ходе исследования ученые попросили пару неидентичных близнецов, один из которых имел вышеупомянутую мутацию, воздерживаться от сна на протяжении 38 часов. «Близнец-мутант» и в повседневной жизни спал всего пять часов — на час меньше, чем его брат. А после депривации он совершил на 40% меньше ошибок в тестах и ему потребовалось меньше времени на то, чтобы полностью восстановить когнитивные функции.
По мнению ученых, благодаря такой мутации человек проводит больше времени в состоянии «глубокого» сна, необходимого для полноценного восстановления физических и умственных сил. Конечно, эта теория требует более основательного изучения и дальнейших экспериментов. Но пока что она выглядит очень заманчиво — кто не мечтает, чтобы в сутках было больше часов?
Гиперэлластичная кожа
Синдром Элерса — Данлоса — генетическое заболевание соединительных тканей, поражающее суставы и кожу. Несмотря на ряд серьёзных осложнений, люди с этим недугом способны безболезненно сгибать конечности под любыми углами. Образ Джокера в фильме Кристофера Нолана «Тёмный рыцарь» частично основан на этом синдроме.
Эхолокация
Одна из способностей, которой любой человек владеет ей в той или иной степени. Слепые люди учатся пользоваться ей в совершенстве, и на этом во многом основан супергерой Сорвиголова. Свой навык можно проверить, встав с закрытыми глазами в центре комнаты и громко щёлкая языком в разных направлениях. Если вы мастер эхолокации, то сможете определить расстояние до любого объекта.
Вечная молодость
Звучит гораздо лучше, чем является на самом деле. Таинственная болезнь, которую окрестили «Синдром X» предотвращает у человека любые признаки взросления. Известный пример — Брук Меган Гринберг, дожившая до 20 лет и при этом телесно и умственно оставшаяся на уровне двухлетнего ребёнка. Известны лишь три случая этого заболевания.
Нечувствительность к боли
Данную способность демонстрировал супергерой Пипец, — это реальное заболевание, не позволяющее организму ощущать боль, жар или холод. Способность вполне героическая, но благодаря ей человек может легко навредить себе, не осознавая этого и вынужден жить очень осторожно.
Суперсила
Одна из самых популярных способностей у супергероев, но одна из самых редких в реальном мире. Мутации, связанные с недостатком белка миостатина, приводят к значительному увеличению мышечной массы человека с отсутствием роста жировой ткани. Известно всего два случая подобных дефектов среди всех людей, и в одном из них двухлетний ребёнок обладает телом и силой бодибилдера.
Золотая кровьКровь с нулевым резус-фактором, наиредчайшая в мире. За последние полвека было найдено лишь сорок человек с этим типом крови, на данный момент в живых существует лишь девять. Резус-ноль подходит абсолютно всем, так как в нём отсутствуют любые антигены в системе Rh, но самих его носителей может спасти только такой же «брат по золотой крови».
Так как ученые уже достаточно долго занимаются подобными вопросами, стало известно, что можно получить нулевую группу. Это делается за счет специальных кофейных бобов, которые способны удалять агглютиноген В эритроцитов. Такая система работала сравнительно не долго, так как были случаи несовместимости таковой схемы. После этого стала известна еще одна система, которая была основана на работе двух бактерий – фермент одной из них убивал агглютиноген А, а другой В. Поэтому ученые сделали вывод, что второй метод образования нулевой группы наиболее эффективен и безопасен. Поэтому, американская компания до сих пор усердно работает над разработкой специального аппарата, который будет эффективно и качественно преобразовывать кровь с одной группы крови в нулевую. А такая нулевая кровь будет подходить идеально для всех остальных переливаний. Таким образом, вопрос донорства будет не так глобален, как сейчас и всем реципиентам не придется столько долго ждать, чтоб получить свою кровь.
Ученые не одно столетие уже давно ломают голову о том, как сделать одну единственную универсальную группу, у людей с которой будет минимум риска для различных заболеваний и недостатков. Поэтому на сегодняшний день стало возможным «обнулить» любую группу крови. Это позволит в ближайшем будущем значительно уменьшить риск различных осложнений и заболеваний. Таким образом, исследования показали, что и у мужчин и у женщин наименьший риск развития ИБС. Подобные наблюдения проводили больше 20-и лет. Эти люди на протяжении определенного периода времени отвечали на определенные вопросы о своем здоровье и образе жизни.
Все существующие данные опубликовали на различных источниках. Все исследования привели к тому, что люди с нулевой группой действительно меньше болеют и имеют самую малую вероятность заболевания ИБС. Так же стоит отметить, что резус-фактор не имеет никакого определенного воздействия. Поэтому нулевая группа крови не имеет никакого резус-фактора, что может разделять ту ли иную группу. Одной из наиболее важных причин оказалось то, что у каждой крови ко всему этому еще и разная свертываемость. Это еще больше усложняет ситуацию и вводит в заблуждение ученых. Если смешивать нулевую группу с какой-либо другой и не учитывать уровень свертываемости, это может привести развитию у человека атеросклероза и смерти. На данный момент технология превращения одной группы крови в нулевую не настолько распространена, что каждая больница может этим пользоваться. Поэтому во внимание берутся исключительно те распространенные медицинские центры, которые работают на высоком уровне. Нулевая группа является новым достижением и открытием медицинских ученых, что на сегодняшний день не всем даже знакома.
А вот вы знали, что существует еще Бомбейская группа крови
[источники]источники
Источник: BigThink.com, Перевод: Ярослав Пастух специально для проекта Популярная Генетика
https://hnb.com.ua/articles/s-zdorovie-evolyutsiya_vse_eshche_proiskhodit-4117
https://krasnayakrov.ru/gruppy-krovi/nulevaya.html
Могу вам еще напомнить про Семь смертельных болезней, которые изменили мир или например про Великое витаминное надувательство. А вот все же существуют Сверхсекретные биолаборатории Пентагона и есть причина, почему Почему инопланетяне нас не завоюют
Источник