Поддержать программу
ПостНаука на Дожде
13:04
16 октября
Наука
Здоровье

Из-за чего возникают мутации

Биофизик Максим Франк-Каменецкий о том, как происходит повреждение ДНК
3 260
0
Расписание
Следующий выпуск
10 декабря 16:00
четверг: 05:00, 16:20
суббота: 16:00
воскресенье: 02:00, 10:00, 16:00
понедельник: 02:00, 06:00
вторник: 11:00

Что такое повреждение ДНК, и как оно происходит? Сколько мутаций ежегодно появляется у мужчины в геноме сперматозоида? Как поврежденная хромосома королевы Виктории повлияла на русскую историю? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Максим Франк-Каменецкий.

Больше лекций и видеороликов смотрите на сайте проекта «ПостНаука»

Процесс удвоения, или репликации, ДНК необычайно аккуратен. ДНК-полимеразы — совершенно замечательные ферменты, которые умудряются синтезировать новые цепочки ДНК по принципу комплементарности с удивительной точностью. Ошибки происходят с совершенно ничтожной вероятностью. Но они все-таки происходят — в таких безумно длинных молекулах, которые мы имеем у нас в организме, в молекулах ДНК. Таким образом, в ДНК происходят повреждения, происходят ошибки, и эти ошибки, конечно, чрезвычайно важны для нас. В генетике эти ошибки называются мутациями.

Генетикам это известно очень давно. Еще до открытия структуры ДНК генетики прекрасно знали, что в генах происходят мутации. Но они не знали, в чем конкретно выражаются эти мутации, что конкретно происходит в таких случаях. Теперь, когда мы научились читать последовательности ДНК, мы знаем во всех деталях, что происходит с молекулой ДНК при таких неприятностях, как мутации. Примеров тому великое множество, но я расскажу о некоторых, которые мне кажутся наиболее впечатляющими.

Почти весь XIX век в Великобритании правила королева Виктория, этот период даже получил название Викторианской эпохи. Мало кто знает, что наряду с долголетием и отменным здоровьем королева Виктория имела в своем геноме одну замену звена. Одно звено из трех миллиардов было заменено. Это повреждение досталось ей от папы, который зачал ее, когда ему было 50 лет. Это не очень хорошая идея — иметь ребенка в таком возрасте. Дело в том, что у мужчин с возрастом происходит накопление повреждений ДНК, потому что сперматогенез происходит в течение всей жизни мужчины. Сейчас это изучено досконально количественно: мы знаем, что в среднем каждый год дополнительно появляются две мутации в геноме сперматозоидов. Поэтому к 50 годам накапливается, как легко подсчитать, приличное количество мутаций. А если учесть, что исходно у нас имеется примерно 14 в среднем мутаций, то это большая прибавка — скажем, 60 дополнительных мутаций.

Эти мутации происходят именно при преобразовании половых клеток, потому что наибольшее количество ошибок при репликации происходит в процессе мейоза, когда образуются половые клетки. Теперь мы знаем, что королева Виктория получила такую мутацию от своего папы, эта мутация связана с X-хромосомой. Напомню, что у нас имеются обычные хромосомы, которые называются аутосомы, и половые хромосомы — у мужчин это X- и Y-хромосомы, у женщин это две X-хромосомы. Значит, королева Виктория получила от мамы и папы по X-хромосоме, и от папы она получила X-хромосому поврежденную. Почему возраст мамы не имеет значения? Во-первых, мамы обычно моложе, но главное не это. Главное, что у девочек, у женщин все половые клетки, все яйцеклетки образуются очень рано и раз и навсегда, на всю последующую жизнь.

На весь репродукционный период женщины имеют яйцеклетки, которые образовались еще в эмбриональной стадии.

Поэтому они всегда имеют примерно 14 нарушений. А у мужчин это с возрастом увеличивается. Поэтому мы уверены, что именно папа дал королеве Виктории поврежденную X-хромосому.

Повреждение состояло в том, что был испорчен ген, ответственный за белок свертывания крови, но если имеется две X-хромосомы, то это никак не проявляется. У самой Виктории и у всех женщин, которые получили от нее поврежденную X-хромосому, это никак не проявлялось. Но как только появляется мальчик с этой X-хромосомой, у него другая хромосома Y, то, значит, она вообще не вырабатывает фактор свертывания крови. И получается болезнь, которая называется гемофилия. Этот ген королева Виктория передала своей внучке, которая стала царицей Александрой Федоровной — женой Николая II, и она родила наследника престола Алексея, который был гемофиликом. Из-за этого ко двору был привлечен шарлатан по фамилии Распутин, из-за этого произошла, в частности, русская революция. Это вызвало большое возмущение среди различных слоев населения — то, что такой шарлатан был привлечен ко двору. Конечно, у русской революции много причин, но одна из них генетическая.

Другой пример генетических болезней — это так называемся болезнь Тея — Сакса, которая встречается преимущественно у ашкеназийских евреев. Ашкеназийские евреи — это европейские евреи, которые говорили в свое время на идиш, то есть на диалекте немецкого языка, и они происходят из Германии. Все восточноевропейские евреи являются потомками ашкеназийских евреев. У них по случайным причинам повышено присутствие поврежденного гена, который приводит к болезни Тея — Сакса. Это страшная наследственная болезнь — ребенок умирает приблизительно к 4 годам. Это очень неприятная вещь. И вероятность появления этой болезни среди ашкеназийских евреев в 100 раз выше, чем среди остального населения. Это принадлежит к разряду так называемых еврейских болезней.

Это был страшный бич для ашкеназийских евреев, и успехи в науке о ДНК позволили разработать абсолютно надежные способы диагностики этих генов, и генетическая консультация стала позволять парам, которые собираются заводить семью, решать, хотят они это делать или нет, потому что генетический анализ говорит, что они оба, скажем, являются носителями этого гена. Если они оба являются носителями этого гена, то это уже аутосомная болезнь, аутосомная мутация, не в половых хромосомах. Поэтому для того, чтобы она проявилась, нужно, чтобы обе хромосомы, которые пришли и от мамы, и от папы, несли плохой ген. Этот поврежденный ген должен прийти от обоих родителей. Легко подсчитать, что если оба родителя являются носителями этого гена, то с вероятностью ¼ ребенок будет больной, у него в обеих хромосомах будет поврежденный ген. Это высокая вероятность, и поэтому часто жених и невеста отказывались заключать брак, если оказывалась такая ситуация, чтобы не сталкиваться с такой проблемой. Особенно остро этот вопрос стоит у религиозных евреев, потому что у них запрещены аборты, они имеют обычно много детей по тем же причинам, запрещены не только аборты, но и противозачаточные средства. Поэтому у них с очень высокой вероятностью хотя бы один ребенок, которого они собираются заводить, будет больной, и это трагедия для семьи.

В результате даже раввины отказываются заключать брак, пока жених и невеста не принесут справку, что они прошли генетическую консультацию. Они решают, будут они заключать брак или нет, но они должны знать, что их ждет. Это привело к тому, что сейчас болезнь Тея — Сакса среди евреев встречается реже, чем среди остального населения. Понятно, что ген этой болезни присутствует у евреев в той же концентрации, но встреча двух таких генов, чтобы возникла болезнь, теперь практически исключается. Это достижение науки о ДНК и разработанных в результате этой науки методов генетического анализа.

Фото: University of Michigan School of Natural Resources & Environment/ПостНаука