Многих супергероев объединяет одно — в их теле произошла мутация, наделившая их суперспособностями. Воплощенная в фильмах и комиксах вселенная, при всем ее очаровании, имеет один «побочный эффект» — из-за нее у многих людей сформировалось ошибочное представление о том, что такое мутации, и к чему они могут привести.
Такие разные
Все клетки человека можно разделить на две большие категории: соматические и половые. Из соматических состоят все органы. Если в такой клетке произойдет мутация, она останется в теле носителя и не передастся потомству. Половые клетки образуются в женских яичниках и мужских яичках, они нужны для продолжения рода. Если ошибка произойдет в ДНК сперматозоида или яйцеклетки, ребенок унаследует ее. Хорошо это или плохо — зависит от функции гена и характера мутации.
Хорошие, плохие и другие
Чаще всего происходят негативные и нейтральные мутации. В первом случае изменение в гене нарушает некую важную функцию организма. Негативные половые мутации опасны прерыванием беременности, пороками развития и некоторыми болезнями у детей. При негативных мутациях в соматических клетках у человека развиваются те или иные болезни, например, рак.
Нейтральные мутации не приводят ни к положительным, ни к отрицательным эффектам. Человек не получит из-за них никаких суперспособностей, но и не будет болеть, не умрет раньше времени.
Однако с нейтральными мутациями не все так просто. Их можно сравнить с небольшим пятном ржавчины на корпусе автомобиля. Это пятно не влияет на работу мотора и аккумулятора, не сказывается на скорости и комфорте для пассажиров. А теперь представим, что такие «пятна» накапливаются из поколения в поколение. Нейтральная мутация незаметна на уровне организма, но она меняет геном. Если она произошла в половых клетках, носитель передаст ее некоторым своим потомкам. Нейтральные мутации могут распространяться среди большого количества людей и, теоретически, по прошествии длительного времени, способны стать причиной вымирания.
Третья разновидность мутаций — положительные, то есть такие, которые дают человеку некоторые преимущества. Например, в Италии есть люди с мутацией гена, кодирующего аполипопротеин AI — белок который удаляет из крови холестерин и растворяет атеросклеротические бляшки. Мутантный белок эффективнее выполняет свои функции, его носители лучше защищены от сердечно-сосудистых болезней — бича современного общества.
Другой пример — изменения в гене LRP5, который влияет на плотность костной ткани. В нем встречается как негативная мутация, повышающая склонность к остеопорозу, так и позитивная, которая, напротив, укрепляет кости, защищает их от травматических переломов и возрастной потери прочности.
Впервые такую мутацию случайно обнаружили у молодого человека, который попал в серьезную автокатастрофу, но не получил ни одного перелома. Так работает эволюция: в генах случайным образом возникают мутации, которые либо дают некие преимущества, либо ухудшают способность выживать и размножаться. Что хорошо, а что нужно отбраковать, решает естественный отбор. Человек смог обмануть эту жестокую систему с помощью науки и медицины — но лишь отчасти.
2000 мутаций на одну клетку
Клетки человеческого тела регулярно делятся — за счет этого обновляются ткани. По некоторым данным, за всю жизнь в нашем теле происходят десятки квадриллионов (единица с 15 нулями) клеточных делений. Каждый раз должен быть скопирован весь генетический код, который включает 30 тысяч генов и 3 миллиарда «букв» — азотистых оснований.
В клетках есть специальные молекулярные механизмы, которые предотвращают, находят и исправляют «опечатки» в генах. Они работают с высокой точностью — вероятность ошибки составляет 1 на 10 миллиардов пар азотистых оснований. И все же ошибки происходят. Современная наука рассматривает постепенное накопление мутаций как естественный и неизбежный процесс по мере роста и старения организма.
Насколько велики масштабы? С каким «мутационным багажом» встречает старость среднестатистический человек? Ответить на этот вопрос в 2018 году попытались исследователи из Кембриджского университета. Они изучили образцы слизистой оболочки пищевода у девяти здоровых людей в возрасте 20–75 лет. Под микроскопом все клетки слизистой оболочки выглядели как нормальные. Но при изучении их генома ученых ждало неожиданное открытие. У двадцатилетних людей на каждую клетку приходилось по 100 мутаций, а у людей более старшего возраста — в среднем по 2000. Некоторые связаны с повышенным риском рака.
Некоторые мутации дают клеткам преимущества: они быстрее размножаются, лучше выживают. Такие мутантные клетки постепенно вытесняют нормальные и образуют собственные «государства» на слизистой оболочке.
Если такая картина наблюдается в одном только пищеводе, то сколько же мутаций носит человек во всем организме? На этот вопрос еще предстоит ответить.
Какие болезни вызывают соматические мутации?
О наследственных болезнях, связанных с изменениями в генах половых клеток, знают многие. Синдром Дауна, Тернера-Шерешевского, Кляйнфельтера, фенилкетонурия, — эти слова постоянно на слуху, особенно у людей, планирующих ребенка, и у беременных.
Соматические мутации тоже могут вызывать серьезные болезни. Масштабы последствий зависят от того, когда произошла соматическая мутация.
Например, если повреждены гены в одной из клеток эмбриона в первые недели беременности, будут затронуты многие ткани. С соматическими мутациями связаны такие врожденные пороки развития, как кисты почек и печени, фиброзная дисплазия (когда участок кости замещается соединительной тканью), сосудистые опухоли мозговой оболочки и лица (энцефалотригеминальный ангиоматоз), аневризмы (расширение участка артерии и ослабление ее стенки) головного мозга. Некоторые из этих нарушений проявляются сразу после рождения, а некоторые человек может долго носить в своем теле как «бомбу замедленного действия». Например, многие люди с аневризмами сосудов мозга не знают, что у них есть эта патология. Однажды аневризма может разорваться, это приводит к кровоизлиянию и зачастую к инвалидности или гибели.
Болезнь Дауна тоже бывает связана с соматической мутацией. Лишняя хромосома может появиться в теле зародыша на ранних стадиях развития. Возникает мозаицизм — состояние, когда часть клеток организма имеет нормальный набор хромосом, а другая часть — одну дополнительную. Обычно такая форма синдрома Дауна проявляется более легкими симптомами.
Мутации и рак
Жизнь каждой клетки в теле человека проходит строго по расписанию, благодаря многочисленным молекулярным сигналам. С помощью специальных веществ клетка получает информацию, какие гены нужно активировать, какие вещества и в каких количествах производить, когда пора размножаться и умирать. Чтобы клетка вела себя послушно, в ней должны правильно работать гены. Если в некоторых из них происходят изменения, клетка может стать раковой.
Два типа генов работают в клетках организма, как педали «газ» и «тормоз» в автомобиле. Газ — это протоонкогены. Они кодируют белки, активирующие клеточный рост. Если в протоонкогене происходит мутация, или увеличивается количество его копий, он превращается в онкоген. Клетка начинает размножаться бесконтрольно. Педаль «тормоз» представлена генами-супрессорами опухоли. Белки, которые они кодируют, замедляют размножение клеток, чинят ДНК или приказывают дефектной клетке совершить самоубийство. При различных дефектах гены-супрессоры перестают нормально выполнять свои функции, и это способствует развитию рака.
Подобные мутации могут быть и наследственными, но чаще всего онкозаболевания возникают из-за соматических мутаций, которые накапливаются в течение жизни и не передаются потомству. Причины бывают разными: вредные химические вещества (канцерогены), ультрафиолетовое излучение, некоторые вирусы, радиация, случайные ошибки при копировании ДНК.
Мутации, которые приводят к раку, очень многообразны — это одна из главных проблем в борьбе со злокачественными опухолями.
Иммунитет и аутоиммунные болезни
Без мутаций невозможна нормальная работа иммунной системы. Организм человека и животных использует искусственные мутации, чтобы создавать новые клоны иммунных клеток. Когда организм сталкивается с незнакомым патогеном, среди этих клонов находится такой, который может распознать и уничтожить нового врага. Лимфоциты, которые хорошо показали себя в бою, сохраняются — формируется иммунологическая память. Если «чужие» решатся на повторную атаку, организм встретит их во всеоружии .
Некоторые изменения в генах приводят к тому, что иммунитет начинает воспринимать в качестве чужаков собственные ткани организма. Так возникают аутоиммунные заболевания.
Известно, что мутации накапливаются с возрастом. В случае с онкологическими заболеваниями все логично: риск рака наиболее высок у пожилых людей. Например, американские ученые установили, что средний возраст онкологических больных в США составляет 67 лет. Аутоиммунными патологиями, напротив, преимущественно страдают люди молодого и среднего возраста. Дело в том, что тут вмешивается другой фактор: с возрастом организм производит меньше иммунных клеток, поэтому вероятность ошибок уменьшается
Взаимосвязь между соматическими мутациями и аутоиммунными болезнями сложна, многое пока неизвестно. Ученые продолжают заниматься этой проблемой.
Как насчет суперспособностей?
Генетика в пух и прах разбивает представления о мутациях как о том, что помогает отращивать лишнюю пару рук, приобретать испепеляющий взгляд или другие суперспособности.
Во-первых, организм — это сложная система. Изменение одного гена приводит к многочисленным последствиям, чаще всего разрушительным. Чтобы человек получил лишнюю часть тела или полезную функцию, должно удачно сойтись слишком много факторов. Мутация должна произойти сразу во многих клетках, причем, очень удачно. В реальности вероятность такого «везения» стремится к нулю.
Нельзя получить новое полезное свойство, изменив всего один ген. Потому что все свойства организма человека контролируются многими генами, взаимоотношения между ними зачастую непростые.
Например, человек рождается правшой или левшой в зависимости от эффектов 40 разных генов.
Чтобы превратиться, скажем, в спайдермена, нужно внедрить в хромосомы гены, кодирующие белки, из которых состоит паутина, а еще гены, благодаря которым под кожей вырастут паутинные железы, нервы и мышцы, с помощью которых этими железами можно будет управлять. Все эти чужеродные последовательности ДНК должны органично вписаться в «родной» геном. Не говоря уже о том, что возникновение этих многих условно полезных мутаций в один момент — явление на грани невозможного. У эволюции на подобные трансформации уходят миллионы лет. Радиоактивному пауку такое явно не под силу, сколько бы он вас ни кусал.
Одним словом, супергерои и суперзлодеи из комиксов реальному миру в обозримом будущем не грозят. Возможно, это и к лучшему.
