Книга Таинственный геном человека - Фрэнк Райан

В 1920–1930-х годах существование мутаций было подтверждено экспериментально эволюционными биологами Томасом Хантом Морганом, Барбарой Макклинток и Германом Дж. Мёллером. Мутация больше не была теоретической возможностью, но превратилась в факт, причем настолько распространенный, что его оказалось возможным предсказать математически. Исследователи со всего света, среди которых были Рональд Эйлмер Фишер и Джон Бердон Сандерсон Холдейн из Британии, Сьюэл Райт и Феодосий Добржанский из США и Сергей Сергеевич Четвериков из СССР, начали работать над математическими моделями проявления естественного отбора через мутации в зародышевых линиях.

Со временем генетики выяснили, что большинство мутаций в последовательностях ДНК, возникающих в процессе формирования яйцеклеток и сперматозоидов человека, не имеют почти никакого влияния на функционирование белков, а значит, и на развитие заболеваний или эволюционный процесс. Мутации, вносившие изменения в строение белков или регулирующую функцию, обычно приводили к отрицательным последствиям, но небольшой процент мутаций изменял наследственность потомства, потенциально увеличивая шансы на выживание. Например, существуют многочисленные доказательства того, что ряд мутаций в гене Prx1 мог привести к удлинению костей передних конечностей летучих мышей, благодаря чему у них могли развиться кожистые крылья.

С медицинской точки зрения мутации в ДНК также могут возникать в ходе деления клеток, которое является обычным элементом процесса обновления органов и тканей в течение жизни организма. Эти так называемые соматические мутации могут вызывать некоторые виды рака — от лейкемии и лимфомы крови и лимфатических узлов до рака груди, кожи, почек, кишечника и т. д. На самом деле все немного сложнее. Геномы эукариотических форм жизни (то есть тех, в клетках которых есть ядра, в том числе растений и животных) имеют механизмы для исправления ошибок по мере возникновения, но эти механизмы иногда дают сбой или оказываются недостаточно эффективными.

Сегодня медицинские генетики могут назвать тысячи мутаций зародшевой линии, которые приводят к возникновению разнообразных врожденных недугов, влияющих на химические процессы в организме потомства. Многие из «ошибок обмена веществ» появляются в результате мутаций отдельных генов, но некоторые вызываются мутациями кластеров генов, отклонениями в отдельных секциях хромосом, утратой или приобретением целой хромосомы. Выше мы уже говорили о том, как рецессивная мутация бета-глобина может привести к развитию серповидно-клеточной анемии. Давайте снова сядем в наш волшебный поезд, посмотрим поближе на геном человека, которому не повезло наследовать доминантную мутацию, и разберемся, как именно она возникла.

Каждую из 46 человеческих хромосом можно представить в качестве отдельной железнодорожной ветки. Поезда могут двигаться по ним от начала к концу, но не могут менять ветки, ведь каждая хромосома представляет собой независимую структуру. Сегодня мы отправимся в дорогу с четвертого пути — по человеческой хромосоме 4. Двигаясь по нему, мы видим участок, перед которым стоит знак с надписью «Гентингтин». Выйдя из вагона и осмотрев пути, мы увидим ту же генную структуру, что и в начале нашего путешествия. Перед нами секция ДНК со шпалами-нуклеотидами, на которой написано, что она является промотором гена гентингтина. Отсюда мы продолжаем двигаться на восток, в «смысловом» направлении, до тех пор, пока не прибудем к первому экзону гена. Проехав еще немного вперед, мы видим что-то странное. Судя по всему, триплет из цитозина, аденина и гуанина (ЦАГ) много раз повторяется в шпалах.

— Ну же, — предлагаю я, — посчитайте количество повторов.

Вы с удивлением обнаруживаете, что в первом экзоне гена гентингтина последовательность ЦАГ повторяется 45 раз.

— Эта мутация вызывает болезнь Хантингтона, которая приводит к расстройству деятельности головного мозга во взрослом возрасте.

— Вы имеете в виду, что повторений быть не должно?

— Все немного сложнее. Как ни странно, у всех людей в первом экзоне этого гена много раз повторяется последовательность ЦАГ. Важно лишь то, сколько именно повторений мы наследуем. Если в вашем геноме их окажется от 6 до 34, вы не заболеете. Чем повторений больше — тем больше шансов, что у вас разовьется заболевание. Более 40 повторений означает почти стопроцентную вероятность болезни, и чем их больше, тем в более раннем возрасте у человека появляются первые симптомы.

— Выходит, тот бедняга, по чьей хромосоме мы путешествуем, болен.

— Боюсь, что да. У всех людей существует два варианта четвертой хромосомы. Один мы наследуем от матери, а второй — от отца. Если бы мы отправились в путь по другому варианту и посетили этот же участок хромосомы, мы бы увидели, что он абсолютно нормален.

— Иными словами, болезнь Хантингтона — это состояние, наследуемое по доминантному признаку?

— Все верно. Это также означает, что если бы медицина научилась отключать такой поврежденный ген, то парный ему здоровый ген начал бы действовать вместо него и болезнь можно было бы излечить.

Поначалу мутации рассматривались исключительно как изменения, влияющие на гены, которые кодируют белки. Но с течением времени ученые осознали важность генов, кодирующих регуляторные последовательности, в том числе отвечающих за белки, участвующие в генной регуляции. Генетики поняли, что мутация, воздействующая на регуляторную последовательность, которая определяет эмбриологические процессы, также может повлиять на физическое и умственное развитие плода. В последующих главах мы рассмотрим этот вопрос более подробно. Сейчас я лишь хочу объяснить вам, что те же мутационные паттерны могут иногда изменять наследственность потомства в лучшую сторону, то есть повышать его шансы на выживание. Поскольку такая мутация является наследственной, она будет передаваться следующим поколениям. Это правило действует не только для людей, но и для всех животных, растений, грибов и живых организмов в целом. Оно является ключевым для понимания того, как работает эволюция.

В течение почти целого столетия эволюционные генетики исследовали, как мутации в кодирующих белки и регуляционных последовательностях повлияли на возникновение всего разнообразия жизни на Земле — от эволюции китов и дельфинов из сухопутных млекопитающих до появления у насекомых и птиц способностей к полету. Они также обнаружили некоторые доказательства эволюции генов, которые могли отвечать за увеличение объема и сложности человеческого мозга. Однако мутации не всегда бывают такими масштабными. Небольшие изменения, которые влияют на длительность действия пищеварительного энзима лактазы в человеческом организме, могут рассказать нам очень многое об истории миграции человечества. Как мы узнаем позднее, эволюционная генетика вступает в золотой век. Сегодня восстанавливаются и исследуются геномы наших далеких предков и вымерших родственников. Очень скоро мы сможем с абсолютной точностью установить, почему европейцы могут переваривать козье и коровье молоко, а люди азиатского происхождения — не всегда. Благодаря восстановленным геномам мы уже знаем, где и как у европейцев появились голубые глаза и светлые или рыжие волосы. Благодаря геномным исследованиям ископаемых останков мы можем определить, насколько темной была кожа наших предков, а благодаря анализу зубов — как быстро росли их дети и чем они питались.