В какой-то момент каждый из нас фантазировал о жизни супергероя. Конечно, обтягивающее трико может быть неудобным в некоторых местах, но это малая цена, которую любой готов заплатить за обладание удивительными силами.
К счастью, эти мечты близки к реальности. Генетики отслеживают специфические мутации, отвечающие за поистине невероятные способности.
От иммунитета к электричеству до сверхсилы Халка, эти поразительные таланты могут вскоре стать такими же заурядными, как питание и дыхание.
ДНК определяют нас самих.
Несокрушимые кости
Некоторые люди обладают действительно крепкими костями.
Сломанная кость — удивительно простой способ поломать вам целый день (и следующие несколько месяцев). Хотя кости — это самые прочные вещества в человеческом теле, они, безусловно, уязвимы. Если только у вас нет редкой мутации гена LRP5.
LRP5 отвечает за плотность костей. Ученые уже знают, что мутации в этом гене могут привести к снижению плотности костной ткани, или остеопорозу. Тем не менее в последнее время они также выяснили, что мутация гена может привести и к обратному эффекту.
Одна семья в Коннектикуте, как оказалось, имеет мутации LRP5, которые дают их костям такую плотность, что те практически неразрушимы. Никто из них никогда не ломал кость.
Увеличенная сила костей, в особенности позвоночника, черепа и таза, дает членам этой семьи самые прочные скелеты на Земле.
Ученые считают, что эта мутация вызывает слишком много сигналов костного роста, которые приводят к уплотнению костей и, соответственно, сверхсиле. Хотелось бы надеяться, что в один прекрасный день контролируемую форму мутантного гена можно будет использовать, чтобы положить конец мутациям костей.
Сверхскорость
Бегать действительно быстро может далеко не каждый.
Все мы умеем бегать от природы, хотя не очень любим. И все же некоторые люди, кажется, от природы лучше справляются с этим базовым навыком. Конечно, это может быть связано с тренировками или стероидами, но генетики считают, что ответ далеко не в этом.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Оказывается, одаренные природой бегуны могут больше подходить для «Людей Икс», нежели для Олимпиады. Ген ACTN3 присутствует в каждом человеческом теле, но у некоторых мутирует и производит специфическое вещество.
Этот белок, альфа-актинин-3, отвечает за контроль быстро сокращающихся мышечных волокон, которые позволяют нам бегать.
Увеличение его количества приводит к взрывному всплеску мышечной силы, которая выливается в высокие показатели во всех видах спорта, особенно в спринте.
Что примечательно, существует две версии этого мутантного гена, и спортсмены, у которых находили обе версии, выступали определенно лучше своих коллег с обычными хромосомами. Возможно, мы стоим на пороге новой эпохи повышения производительности.
Иммунитет к яду
Тем, у кого иммунитет к яду безопасно даже в такой пустыне.
Когда дело доходит до яда, тело человека очень быстро сдается. Даже одна капля цианида или рицина — всё. Если эти вещества по случайности или специально попадают в тело человека, от них уже нет защиты.
Однако на протяжении сотен лет жители Сан-Антонио де лос Кобрес в Аргентине попивали горную воду, уровень мышьяка в которой превышает безопасный в 80 раз.
И, как ни странно, оставались жителями Сан-Антонио де лос Кобрес. Несмотря на чрезвычайное повседневное воздействие смертоносного металла, жители остаются абсолютно здоровыми.
И все благодаря мутантному гену, который прошел через тысячи лет естественного отбора.
Имя ему — AS3MT. Он позволяет телу обрабатывать мышьяк, не позволяя ему накапливаться в опасных концентрациях, поэтому владельцы этих микроскопических мутантов могут поедать столько мышьяка, сколько им вздумается. Оценивается, что сейчас этот ген есть у 6000 человек в общем.
Короткий сон
Как иногда хочется просто крепко поспать.
У супергероя непростая жизнь. Если работать на обычной работе в течение дня и бродить по крышам домов по ночам, времени на сон совсем не остается. Но если вам повезет, ваши мутантные способности будут включать короткий сон.
Генов, участвующих в процессе сна, много, и они невероятно сложные. Один из них, например DEC2, отвечает за регулирование количества сна, необходимое нам еженощно, чтобы правильно функционировать. Большинству из нас нужно восемь часов сна или больше, но около 5% населения наслаждаются несколько иной мутантной версией.
Испытания, проведенные на матери с дочкой, у которых были мутации, выявили способность спать всего 4-6 часов каждую ночь. Простые смертные начали испытывать негативные последствия уже через пару дней такого сна, но мутанты переносят это вполне нормально. Ученые надеются повторить эту мутацию, чтобы борцы с преступностью могли тратить меньше времени в бессознательном состоянии.
Электростойкая кожа
Хотели бы иметь устойчивую к электричеству кожу?
Электричество занимает место в списке самых опасных вещей, с которыми мы сталкиваемся каждый день.
Обычно мы об этом не задумываемся, потому что привыкли к нему, но мы почти всегда окружены достаточным количеством мощности, которое могло бы убить нас в мгновение ока.
Серба Славиша Пайкича это никогда не беспокоило: его уникальный генетический состав защищает его от электричества наилучшим образом.
Обычный человек покрыт миллионами потовых желез, которые обычно прокладывают для электрошока удобный влажный путь прямо в нашу кожу. Пайкич, с другой стороны, не имеет потовых или слюнных желез из-за редкого генетического заболевания. Это означает, что электричество не может проникнуть в его тело.
От чего страдают сверхлюди: обратная сторона полезных мутаций | РБК Тренды
Мутации могут сделать из человека супергероя, которому не страшны ни болезни, ни травмы. В его венах течет «золотая» кровь. Он гиперпластичный, дышит разреженным воздухом и спит по четыре часа. Но так ли это безопасно?
Слово «мутация» в обычной жизни окрашено, как правило, не в самые радужные цвета. На ум приходят патологии, заболевания и другие неприятные изменения организма.
Однако мутации — это не добро или зло, но стандартный механизм природы. В живом организме такие изменения происходят постоянно. Клетки делятся все время и иногда делают это с ошибкой.
Большинство неточностей тут же находит такой механизм организма, как репарация, и моментально исправляет.
Геном — это совокупность всех хромосом. Каждая хромосома состоит из ДНК и белков. Гены образованы из группы последовательных нуклеотидов и расположены по всей молекуле ДНК.
Но иногда, по разным причинам, например, когда ошибок очень много, репарация оказывается бессильна, и «неправильные» клетки продолжают развиваться с поломкой.
Значительная часть мутаций обычно «вымывается» из популяции, как невыгодная: это делает естественный отбор, к тому же около 20% людей по разным причинам не оставляют потомства.
Однако некоторые мутации закрепляются, в одних случаях они приводят к врожденным болезням, в других — могут вывести человечество на новый этап развития.
«Если мутация дает какое-то явное преимущество, — увеличивает приспособленность, вероятность выжить, повышает плодовитость, делает организм более адаптированным, то обычно этот вариант вытесняет все остальные. Очень быстро, в течение нескольких поколений, он фиксируется в популяции, что поддерживается естественным отбором.
Вместо изменчивости, или иначе — полиморфизма генов, мы наблюдаем один вариант», — объясняет Константин Крутовский, профессор Гёттингенского университета (Германия), ведущий научный сотрудник Института общей генетики им. Н. И.
Вавилова РАН, профессор кафедры геномики и биоинформатики Сибирского федерального университета.
Так случилось с нашими предками.
Ученые Калифорнийского университета (Сан-Диего, США) обнаружили, что 2–3 млн лет назад у гоминид, древних предков современных людей, случилась мутация гена CMAH, благодаря которой у них появилось больше мышц, потовых желез, а также возросла выносливость.
Эти новые особенности обеспечили первым людям доминирование над другими обитателями планеты: теперь они могли быстро бегать, причем на дальние расстояния, и охотиться днем в жару, когда другие хищники прятались в тени.
50 тыс. лет назад мигрировать из Африки на территорию современной Европы людям помогла мутация в гене ACTN3, кодирующем белок α-актинин-3. Благодаря ей предки европейцев смогли справиться с прохладным климатом, тело научилось обогревать само себя. Этот генотип редко встречается у этнических групп, живущих в жарких регионах: его имеет всего 1% кенийцев и нигерийцев.
Какие бывают мутации
Все мутации возникают спонтанно. От тех из них, что случаются без внешних воздействий, не застрахован абсолютно никто — даже самый здоровый человек, живущий в идеальном климате и питающийся правильной едой.
В другом случае клетка может мутировать под влиянием внешних факторов:
- ультрафиолетового излучения, сильного нагрева или охлаждения;
- различных химических веществ: например, пестицидов или мутагенных компонентов «вредной» еды;
- действием биологических агентов: вирусов, например, кори и краснухи, бактерий и даже глистов.
Все эти изменения происходят в теле конкретного организма и касаются только его. Другое дело, когда мутации затрагивают половые клетки. Будущее потомство может унаследовать измененные гены, которые «поломались» у родителей.
Мутировавшие гены могут нести нейтральные, вредные и полезные последствия. Последних — меньше всего. Когда случается мутация, шансов, что она что-то улучшит, а не наоборот, — очень мало. Но бывают и счастливые исключения. В гене происходят изменения, которые дают человеку новую способность, помогающую лучше приспособиться или даже выжить в конкретной среде.
Полезные мутации — дар или наказание?
87% тибетцев имеют мутацию в гене EPAS1, позволяющую им комфортно дышать разреженным горным воздухом: высота Тибетского плато составляет 4 тыс. м над уровнем моря, и здесь на 40% меньше кислорода, чем на равнине.
Житель низины не смог бы так жить, у него развилась бы высотная болезнь: головные боли, быстрая утомляемость, детская смертность была бы гораздо выше, чем у жителей гор. У тибетцев нет ни одной из этих проблем. Однако часто такие особенности имеют изнанку.
В 1994 году стала известна история о людях со сверхпрочным скелетом: в Коннектикуте (США) из страшной автокатастрофы водитель вышел без единого перелома. Рентгеновские снимки показали аномально плотные кости. Мужчину отправили в Йельский костный центр где обнаружилось, что его кости плотнее скелета обычного человека такого же возраста в восемь раз.
Высокая плотность костей из-за мутации в гене LRP5, которая обычно ведет к остеопорозу ( New England Journal of Medicine)
Позже выяснилось, что никто из его родных никогда ничего себе не ломал и не жаловался на ушибы. Исследования ДНК выявили мутацию в гене LRP5, сделавшую этих людей невероятно устойчивыми к различным повреждениям и ударам. Однако мужчина пожаловался, что ему никогда не удавалось держаться на воде, он всегда считал себя слишком тяжелым для плавания.
«С одной стороны, такие плотные кости менее ломкие, и человеку комфортно жить, осознавая, что риск получить переломы и травмы минимален.
С другой стороны, такая плотность костей означает, что человек с большей вероятностью может утонуть, он менее плавучий, в отличие от того, у кого кости более полые», — объясняет Оксана Максименко, руководитель Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины ИБГ РАН.
Носители мутации G6PD-Mahidol487A, затрагивающей ген фермента G6PD, практически невосприимчивы к малярии. Изменение в структуре серповидноклеточного белка гемоглобина делает эритроцит устойчивым к малярийному плазмодию, передаваемому через укусы комаров.
Естественный отбор позаботился о том, чтобы особенность прижилась в Азии и Африке, страдающих от малярии. Это очень опасный для жизни недуг: в 2019 году от него скончались 274 тыс. детей в возрасте до 5 лет (67% от всех «малярийных» смертей в мире).
Однако, например, от 18% до 25% населения юго-восточной Азии эта болезнь не страшна. Ученые из Института Пастера (Франция) и Университета Махидол (Таиланд) провели крупномасштабное эволюционное и эпидемиологическое исследование и доказали, что мутация позволяет своим обладателям не заболеть от укуса заразного комара, ответственного за половину всех случаев малярии в регионе.
«То же самое с ВИЧ-инфекцией: мутация поддерживается естественным отбором в регионах с высокой инфицированностью.
Чтобы проникнуть внутрь клетки, вирус иммунодефицита должен присоединиться к рецептору, белку на поверхности, — говорит Константин Крутовский — У некоторых людей мутация в гене CCR5 изменила этот рецептор, и вирус не может к нему «прицепиться».
Вероятность проникнуть внутрь клетки и вызвать заболевание у таких людей очень низкая. Фактически 3–6 людей из 1 000 устойчивы к ВИЧ. У северных народов цифра повыше — 0,6%, у южных поменьше — 0,3%. Однако мутация может давать побочные эффекты, поскольку измененный рецептор на поверхности клетки — это не очень хорошо».
Побочным эффектом мутаций могут стать заболевания крови, например, серповидноклеточная анемия, которая несет целый ряд необратимых последствий: от детских ишемических инсультов, повреждения селезенки у взрослых, легочной гипертензии, почечной недостаточности до летальных исходов.
Мутация в генах SCN9A, SCN11A и PRDM12 куда более редка: известно о полутора сотнях носителей на всей планете. Ее обладатели совсем не чувствуют боли, как Эшлин Блокер из американского городка Паттерсон. Повреждения в генах влияют на нервы, несущие болевые сигналы в мозг.
Эшлин окунала руки в кипяток, сдирала кожу с ладоней под струей отцовской мойки высокого давления, два дня ходила со сломанной лодыжкой, была укушена сотней огненных муравьев и получила много других травм. Никакой боли при этом она не ощущала, зато на теле каждый раз оставались отметины и шрамы.
Будучи младенцем Эшлин чуть не откусила язык, когда у нее резались зубы ( из личного архива Тары Блокер)
Люди с такой мутацией редко доживают до 20 лет. Они могут погибнуть даже от аппендицита, потому что у них ничего не болит и проблему они замечают слишком поздно, когда уже началось смертельное воспаление. Эшлин Блокер сейчас 22 года, не так давно она попала в серьезное ДТП, отделавшись испугом.
Посмотреть эту публикацию в Instagram
На что еще способны современные мутанты
Однако не все полезные мутации настолько опасны для своих носителей. Часть из них дарит сверхспособности, ничем не угрожая взамен.
Исследование, проведенное Медицинской школой Университета Мэриленда в Балтиморе (США), показало, что 5% испытуемых имеют защитную мутацию гена APOC3, позволяющую есть жирную пищу без резкого скачка холестерина.
Это почти как родиться со встроенным препаратом, поддерживающим здоровье сердца.
У носителей мутации меньше кальцификации артерий, что указывает на более высокий уровень ЛПВП («хороший» холестерин) и более низкие триглицериды и ЛПНП («плохой» холестерин).
Одна из самых «свежих» мутаций, которая со временем может стать нормой, — полноценный сон 4 часа в сутки. «Малоспящие» чувствуют себя при этом отдохнувшими, не жалуются на недостаток сил и продуктивно работают.
В Калифорнийском университете в Сан-Франциско (США) исследовали таких людей и нашли у них мутацию в гене под названием ADRB1.
Те, кто уже живет по новым стандартам, очень довольны своим режимом сна и имеют возможность с пользой использовать дополнительное время.
- У населения экваториальной зоны усиленно вырабатывается меланин — пигмент, защищающий от опасного солнечного света — ультрафиолет, избыток которого может вызвать рак кожи.
- А еще некоторых мутации превратили в «резиновых» людей: их кожа может невероятно растягиваться, а суставы — гнуться в любую сторону, другим они подарили универсальную «золотую» кровь, которая при переливании подойдет пациенту с любой группой и резусом, даже детей мутации наделили мышцами физкультурника, причем без тренировок.
На фото Лиам Хекстра, которого гипертрофия мышц, связанная с миостатином, сделала очень мускулистыми ( dailymail.co.uk)
Можно ли искусственно создать супермена
В 2018 году в Китае впервые в истории человечества родились близнецы с намеренно измененным геномом. Искусственно введенная мутация должна была сделать новорожденных девочек Луну и Нану невосприимчивыми к ВИЧ-инфекции.
В обход официальных разрешений на эксперименты с человеческими эмбрионами, редактированием гена CCR5 занимался биолог Хэ Цзянькуй.
Однако результаты оказались совсем не такими, на какие рассчитывал ученый: его манипуляции не смогли точно воспроизвести защитную мутацию, а в «поправленном» гене возникли новые изменения, пока не изученные и отнюдь не полезные.
Мировая медицинская общественность раскритиковала биолога за нарушение врачебной и общечеловеческой этики.
Хэ Цзянькуй рассказывает о близнецах и своем эксперименте. Видео 2018 года
В 2019 году Хэ Цзянкуя признали виновным в нарушении государственного запрета на проведение экспериментов с человеческими эмбрионами, осудили на три года тюрьмы и оштрафовали на 3 млн юаней ($430 тыс.).
«Совиный» распорядок связали с мутацией
Bestiary, 2nd quarter of the 13th century, England / British Library
Американские и турецкие ученые обнаружили вариант гена,
связанный с затрудненными засыпанием и пробуждением, которые наблюдаются у
людей-«сов». Результаты работы опубликованы
в журнале Cell.
Циклы дневной активности и сна (циркадианный ритм) находятся
под управлением «внутренних часов» человека и обычно имеют примерно 24-часовую
периодичность, связанную с режимом освещенности.
У «сов» этот ритм происходит с
задержкой по отношению к социальным нормам, что мешает им заснуть в желаемое
время и затрудняет своевременное просыпание, приводит к дневной сонливости и
зачастую мешает учебе, работе и другим жизненным задачам.
Как правило, таким
людям ставят диагноз синдрома задержки фазы сна (СЗФС), по оценкам, им страдают
от 0,2 до 10 процентов населения Земли. Несколько генетических вариантов,
связанных с этим расстройством, удавалось находить у членов отдельных семей, но
универсальными они не были.
Чтобы изучить этот вопрос, сотрудники Рокфеллеровского и Корнелловского
университетов пригласили для участия в эксперименте человека с подтвержденным
клинически диагнозом СЗФС и контрольного субъекта с нормальными циркадианными
ритмами. Их попросили в течение двух недель жить в лаборатории без каких-либо
источников информации о времени суток, есть и спать разрешалось в любое
желаемое время.
Выяснилось, что у человека с СЗФС суточный цикл длился
примерно на 30 минут дольше нормального.
Сон у него наступал и заканчивался
позже, чем у контрольного субъекта, то же самое наблюдалось в отношении
суточных перемен температуры тела и выработки связанных с циркадианным ритмов
гормонов, в первую очередь мелатонина.
У людей с нормальными ритмами уровень
мелатонина в среднем начинает возрастать в период с 21:00 до 22:00, а у
наблюдаемого пациента — с 2:00 до 3:00.
Генетический анализ выявил у человека с СЗФС мутацию гена CRY1, который кодирует белок криптохром CRY1.
Этот белок, чувствительный к свету синей части спектра регулирует работу «внутренних
часов», подавляя активность их ключевых факторов транскрипции ARNTL (у других
животных они называются Clock и Bmal1).
Обнаруженная мутация гена повышала его
сродство к ARNTL, усиливая их подавление и задерживая смену циклов сна и бодрствования,
а также увеличивая их амплитуду.
Получив эти данные, ученые попросили членов семьи пациента
пройти генетический анализ и выявили пять носителей аналогичной мутации CRY1.
У всех них наблюдались хронические нарушения сна с признаками СЗФС.
После этого при содействии коллег из Университета Билкент в
Анкаре исследователи обнаружили в турецких базах данных десятки людей с мутацией
CRY1. Связавшись с этими людьми, ученые убедились, что наличие мутации
четко связано с нарушениями сна, при этом у родственников без мутации их не
наблюдается.
На последней стадии исследования ученые провели поиск мутантной
формы CRY1 в крупных генетических базах данных. По их расчетам, она
может встречаться примерно у каждого 75-го человека не-финского европейского
происхождения.
Само по себе обнаружение «совиной» мутации не имеет
практической пользы, отмечают
исследователи, но оно может помочь в разработке фармакологического лечения СЗФС.
В настоящее время научный коллектив планирует работу, посвященную влиянию CRY1
на обмен веществ, поскольку циркадианные ритмы регулируют не только сон, но и
потребление пищи, уровни гормонов и метаболитов.
Ранее японские и американские ученые обнаружили гены,
отвечающие за фазы медленного и быстрого сна. Для этого они вывели более 8000
мышей со спонтанными мутациями.
Олег Лищук
Обнаружена мутация, превращающая людей в «сов»
Носители мутации в гене CRY1 страдают от постоянного джетлага.
Мало кто любит вставать рано утром, но некоторым людям ранние подъёмы даются намного тяжелее, чем остальным. По мнению авторов нового исследования, если вы ложитесь спать поздно и испытываете серьёзные трудности с ранним пробуждением, вы можете быть обладателем генетической мутации, изменившей ваши циркадные ритмы.
Людей, которые ложатся спать поздно, а по утрам едва могут встать с постели, обычно называют «совами». Сомнологи, врачи, специализирующиеся на расстройствах сна, часто диагностируют у «сов» так называемый «синдром отсроченного наступления фазы сна» (ОНФС). Считается, что, например, в США от ОНФС страдает около 15% населения.
У людей с ОНФС изменены циркадные ритмы. Эти «внутренние часы» на протяжении суток меняют физиологические процессы, идущие в организме, в зависимости от условий окружающей среды. Другими словами, именно благодаря циркадным ритмам мы ощущаем желание лечь спать, когда наступает ночь. Однако у пациентов, страдающих ОНФС, этого не происходит.
ОНФС считается самым распространённым из расстройств сна. Последние, в свою очередь, связаны с депрессиями, сердечно-сосудистыми заболеваниями, повышенной тревожностью и сахарным диабетом.
Авторам нового исследования, опубликованного в издании Cell, удалось обнаружить новую мутацию, которая играет важную роль в изменении циркадных ритмов.
Работа была проведена под руководством Майкла Янга (Michael Young), руководитель лаборатории генетики (Laboratory of Genetics) в Рокфеллеровском университете (The Rockefeller University).
Авторы исследования полагают, что привычка к «совиному» образу жизни может быть обусловлена мутацией в гене CRY1.
Как генетическая мутация может повлиять на наши внутренние часы
Наши циркадные ритмы обусловлены генетически, и, как поясняют авторы статьи, в ходе эволюции они оставались неизменными. Внутренние часы «практически идентичны у мух и у людей», поясняет Янг.
В начале циркадного круга клетки начинают синтезировать белки-активаторы. В течение 24-часового цикла активаторы успевают собрать собственные ингибиторы и ослабить своё воздействие. Когда все активаторы «затихают», останавливается и синтез ингибиторов. А когда все оставшиеся ингибиторы будут метаболизированы, активаторы снова начнут работать и цикл повторится.
Янг и его коллеги обнаружили, что белок, кодируемый геном CRY1, является одним из ингибиторов. Он подавляет белки-активаторы Clock и Bmal1 (у людей последний носит название «ARNTL»). Также исследователи нашли однобуквенную мутацию в гене CRY1.
Хотя изменения при этой мутации затрагивают всего одну пару азотистых оснований в молекуле ДНК, этого достаточно, чтобы значительная часть синтезируемой на основе гена белковой молекулы оказалась утрачена.
В итоге ингибитор становится гиперактивным, подавляет работу активаторов слишком сильно, что и приводит к увеличению длины циркадного цикла, как минимум, на полчаса.
Генетические мутации могут привести к задержке сна на 2 часа и более
Использовав информацию из базы данных человеческих генетических вариаций, исследователи определили, что мутация в гене CRY1 присутствует у 1 из 75 европейцев нефинского происхождения. Также учёным удалось обнаружить 28 носителей мутации турецкого происхождения (у одного из них описанная мутация оказалась в гомозиготном состоянии).
Учёные смогли изучить шесть не связанных между собой семей, в которых проживали носители мутации. Генетический статус добровольцев подтверждался при помощи образца биоматериала. Таким образом среди них были выявлены 8 носителей гомозиготных мутаций и 31 носитель гетерозиготной мутации. Ещё у 31 участника мутация не была обнаружена.
Чтобы узнать больше о режиме дня добровольцев, учёные использовали опросники и интервью. Нарушения сна были обнаружены у 38 носителей мутации, в то время как у их супругов и родственников, не имеющих мутации, сходных проблем не было.
Это позволило исследователям заключить, что мутация в гене CRY1 обладает высокой пенетрантностью, то есть, при её наличии проблемы с циркадными ритмами возникают практически всегда.
Носители мутации ложились спать гораздо позже, чем те, у кого её не было. В 4 часа утра последние обычно находились приблизительно в середине периода сна, в то время как у людей, обладающих мутацией, эта точка смещалась на период с 6 до 8 часов утра.
Получается, что внутренние «сутки» у людей с такой мутацией длятся несколько дольше, чем полный оборот Земли вокруг своей оси.
То есть, они страдают от состояния, напоминающего постоянный джетлаг — нечто подобное люди без мутации испытывали бы, если бы всё время перемещались в восточном направлении.
Однако исследователи отмечают, что влияние мутации можно преодолеть при помощи самоконтроля и неукоснительного соблюдения режима дня.
«Внешний суточный цикл и внимательное отношение к гигиене сна может помочь «медленным» внутренним часам настроиться на 24-часовые сутки», — рассказывает первый автор исследования Алина Патке (Alina Patke), доцент лаборатории генетики. Патке сама идентифицирует себя как «сову», поэтому добавляет: «Нам просто приходится прикладывать больше усилий».
Мутации неизбежны: как в нашем организме изменяются гены и зачем
В настоящее время в молекулярной биологии установлено, что гены — это участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию — о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют развитие, рост и функционирование организма.
В то же время каждый ген характеризуется рядом специфических регуляторных последовательностей ДНК, таких как промоторы, которые принимают непосредственное участие в регулировании проявления гена.
Таким образом, понятие гена не ограничено только кодирующим участком ДНК, а представляет собой более широкую концепцию, включающую в себя и регуляторные последовательности.
Гены могут подвергаться мутациям — случайным или целенаправленным изменениям последовательности нуклеотидов в цепи ДНК. Мутации могут приводить к изменению последовательности, следовательно, изменению биологических характеристик белка или РНК, которые, в свою очередь, могут иметь результатом общее или локальное измененное или анормальное функционирование организма.
Такие мутации в ряде случаев являются патогенными, так как их результатом является заболевание, или летальными на эмбриональном уровне. Однако далеко не все изменения последовательности нуклеотидов приводят к изменению структуры белка (благодаря эффекту вырожденности генетического кода) или к существенному изменению последовательности и не являются патогенными.
Как работает молекулярная эволюция?
Репликация ДНК по большей части чрезвычайно точна, однако ошибки случаются. Частота ошибок в эукариотических клетках может составлять всего 10−8 в нуклеотиде на репликацию, тогда как для некоторых РНК-вирусов она может достигать 10−3. Это означает, что в каждое поколение каждый человек в геноме накапливает 1-2 новые мутации.
Небольшие мутации могут быть вызваны репликацией ДНК и последствиями повреждения ДНК и включают точечные мутации, в которых изменяется одно основание, и мутации со сдвигом рамки, в которых одно основание вставляется или удаляется.
Большие мутации могут быть вызваны ошибками в рекомбинации, чтобы вызвать хромосомные аномалии, включая дублирование, перегруппировку или инверсию больших участков хромосомы.
Кроме того, механизмы восстановления ДНК могут вносить мутационные ошибки при восстановлении физического повреждения молекулы. Восстановление, даже с мутацией, является более важным для выживания, чем восстановление точной копии, например, при восстановлении двухцепочечных разрывов.
Размер генома и количество генов, которые он содержит, значительно варьируют у таксономических групп. Наименьший геном встречаются у вирусов и вироидов (которые действуют как один некодирующий ген РНК).
И наоборот, растения могут иметь очень большие геномы, в рисе содержатся более 46 000 генов, кодирующих белок. Общее количество кодирующих белок генов (протеома Земли), которое оценивалось в 2007 году в 5 млн последовательностей, к 2017 году было снижено до 3,75 млн.
Причины мутаций
Мутации бывают:
- спонтанные,
- индуцированные.
Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды с частотой на нуклеотид за клеточную генерацию организма около от 10−9 до 10−12.
Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома, возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды.
Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке. Основные процессы, приводящие к возникновению мутаций, — репликация ДНК, нарушения репарации ДНК, транскрипции и генетическая рекомбинация.
- Связь мутаций с репликацией ДНК
Многие спонтанные химические изменения нуклеотидов приводят к мутациям, которые возникают при репликации. Например, из-за дезаминирования цитозина напротив гуанина в цепь ДНК может включаться урацил (образуется пара У-Г вместо канонической пары Ц-Г).
- Связь мутаций с рекомбинацией ДНК
Из процессов, связанных с рекомбинацией, наиболее часто приводит к мутациям неравный кроссинговер. Он происходит обычно в тех случаях, когда в хромосоме имеется несколько дуплицированных копий исходного гена, сохранивших похожую последовательность нуклеотидов. В результате неравного кроссинговера в одной из рекомбинантных хромосом происходит дупликация, а в другой — делеция.
- Связь мутаций с репарацией ДНК
Спонтанные повреждения ДНК встречаются довольно часто, такие события имеют место в каждой клетке.
Для устранения последствий подобных повреждений имеются специальные репарационные механизмы (например, ошибочный участок ДНК вырезается и на этом месте восстанавливается исходный).
Мутации возникают лишь тогда, когда репарационный механизм по каким-то причинам не работает или не справляется с устранением повреждений.
Какие бывают мутации
Существует несколько классификаций мутаций по различным критериям. Мёллер предложил делить мутации по характеру изменения функционирования гена на гипоморфные (измененные аллели действуют в том же направлении, что и аллели дикого типа.
- Синтезируется лишь меньше белкового продукта), аморфные (мутация выглядит, как полная потеря функции гена, например, мутация white у Drosophila), антиморфные (мутантный признак изменяется, например, окраска зерна кукурузы меняется с пурпурной на бурую) и неоморфные.
- В современной учебной литературе используется и более формальная классификация, основанная на характере изменения структуры отдельных генов, хромосом и генома в целом.
- В рамках этой классификации различают следующие виды мутаций:
- Геномные — полиплоидизация и анеуплоидия — изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору. В зависимости от происхождения хромосомных наборов среди полиплоидов различают аллополиплоидов, у которых имеются наборы хромосом, полученные при гибридизации от разных видов, и аутополиплоидов, у которых происходит увеличение числа наборов хромосом собственного генома, кратное n.
- Хромосомные. При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. В этом случае наблюдаются потеря (делеция) или удвоение части (дупликация) генетического материала одной или нескольких хромосом, изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах (инверсия), а также перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую (транслокация).
- Генные. На генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, чем при хромосомных мутациях, однако генные мутации встречаются более часто. В их результате происходят замены, делеции и вставки одного или нескольких нуклеотидов, транслокации, дупликации и инверсии различных частей гена. В том случае, когда под действием мутации изменяется лишь один нуклеотид, говорят о точечных мутациях.
Последствия мутаций для клетки и организма
- Мутации, которые ухудшают деятельность клетки в многоклеточном организме, часто приводят к уничтожению клетки (в частности, к программируемой смерти клетки, — апоптозу).
- Если внутри- и внеклеточные защитные механизмы не распознали мутацию, и клетка прошла деление, то мутантный ген передастся всем потомкам клетки, и чаще всего приводит к тому, что все эти клетки начинают функционировать иначе.
- Мутация в соматической клетке сложного многоклеточного организма может привести к злокачественным или доброкачественным новообразованиям, мутация в половой клетке — к изменению свойств всего организма-потомка.
- В стабильных (неизменных или слабо изменяющихся) условиях существования большинство особей имеют близкий к оптимальному генотип, а мутации вызывают нарушение функций организма, снижают его приспособленность и могут привести к смерти особи.
- Однако в очень редких случаях мутация может привести к появлению у организма новых полезных признаков, и тогда последствия мутации оказываются положительными; в этом случае они являются средством адаптации организма к окружающей среде и, соответственно, называются адаптационными.
Роль мутаций в эволюции
При существенном изменении условий существования те мутации, которые раньше были вредными, могут оказаться полезными. Таким образом, мутации являются материалом для естественного отбора.
Так, мутанты-меланисты (темноокрашенные особи) в популяциях березовой пяденицы в Англии впервые были обнаружены учеными среди типичных светлых особей в середине XIX века. Темная окраска возникает в результате мутации одного гена. Бабочки проводят день на стволах и ветвях деревьев, обычно покрытых лишайниками, на фоне которых светлая окраска является маскирующей.
https://www.youtube.com/watch?v=27bJuOmpfzs
В результате промышленной революции, сопровождающейся загрязнением атмосферы, лишайники погибли, а светлые стволы берез покрылись копотью. В результате к середине XX века (за 50-100 поколений) в промышленных районах темная морфа почти полностью вытеснила светлую.
Было показано, что главная причина преимущественного выживания черной формы — хищничество птиц, которые избирательно выедали светлых бабочек в загрязненных районах.
Проблема случайности мутаций
В 1940-е годы среди микробиологов была популярна точка зрения, согласно которой мутации вызываются воздействием фактора среды (например, антибиотика), к которому они позволяют адаптироваться. Для проверки этой гипотезы был разработан флуктуационный тест и метод реплик.
Флуктуационный тест Лурии — Дельбрюка заключается в том, что небольшие порции исходной культуры бактерий рассеивают в пробирки с жидкой средой, а после нескольких циклов делений добавляют в пробирки антибиотик. Затем (без последующих делений) на чашке Петри с твердой средой высевают выживших устойчивых к антибиотику бактерий.
Тест показал, что число устойчивых колоний из разных пробирок очень изменчиво — в большинстве случаев оно небольшое (или нулевое), а в некоторых случаях очень высокое. Это означает, что мутации, вызвавшие устойчивость к антибиотику, возникали в случайные моменты времени как до, так и после его воздействия.
Таким образом, обоими методами было доказано, что «адаптивные» мутации возникают независимо от воздействия того фактора, к которому они позволяют приспособиться, и в этом смысле мутации случайны. Однако несомненно, что возможность тех или иных мутаций зависит от генотипа и канализована предшествующим ходом эволюции.
Как выявляют мутации генов?
Сначала у пациента берется биологический материал (кровь, моча, биоптат мышц и др), из них с помощью специальных методик выделяется ДНК. Затем путем специфических методов полученный нами образец ДНК подготавливается к секвенированию гена.
Дальше выявляется, где конкретно у данного пациента произошла замена одного или нескольких нуклеотидов (или какие-либо другие изменения делеции, вставки и т. д).
- Молекулярно-генетическое обследование (поиск мутаций в гене, отвечающем за развитие заболевания) позволяет точно установить диагноз наследственного заболевания.
- Читать далее
- Илон Маск: первые туристы на Марс погибнут
Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?
Крупнейшее массовое вымирание произошло в воде в 10 раз быстрее, чем на суше
Вакцина бессмертия: иммунологи нашли способ остановить биологические часы
Вакцина, которая замедляет или вообще останавливает старение человеческого организма, создана группой японских исследователей.
«Эликсир бессмертия», по данным специализированного журнала Nature Aging, пока испытан только на мышах, однако ничего не мешает применить его и на людях.
Если испытания подтвердят ожидания учёных, это можно будет считать величайшим прорывом в медицине, который, в свою очередь, сильно изменит человеческое общество.
Принцип работы препарата, относящегося к ранее хорошо изученной специалистами группе сенолитиков (класс средств, способных избирательно инициировать гибель постаревших клеток), состоит в том, что он охотится за клетками, которые называются репликативными (а на жаргоне иммунологов зовутся «зомби-клетками»). Эти злокачественные клетки ответственны за ряд нарушений в нормальной работе организма, которые, накапливаясь, и вызывают то, что воспринимается как старение.
Функционально старением клетки считается такой её возраст, когда она более не в состоянии делиться, регенерировать белок и выполнять прочие функции здоровой клетки.
При этом учёные полагают, что торможение деления клетки является защитной функцией иммунной системы, защищающей организм от возникновения рака (если повреждённая клетка по той или иной причине не умирает, а продолжает размножаться, она может стать злокачественной).
«Зомбироваться» вместо того, чтобы «умереть с миром», клетка может по разным причинам — из-за повреждений в её ДНК, из-за контакта с вирусом и по другим обстоятельствам. Такие клетки в буквальном смысле слова сами не живут и другим не дают.
Прорыв в исследованиях группы 23 японских учёных как раз и заключается в том, что созданная ими вакцина избирательно уничтожает такие клетки-«зомби», «одним выстрелом убивая двух зайцев»: снижает риск возникновения онкологических заболеваний и вычищает из организма клетки, вызывающие его старение в целом.
В первую очередь «зомби-репликаторы» ответственны за так называемые геронтологические заболевания — болезнь Альцгеймера, сердечно-сосудистые проблемы, снижение мышечной массы, диабет и т. д.
Сообщение японских учёных вызвало позитивную реакцию у их коллег, занимающихся похожей тематикой.
Это в самом деле большое дело — вакцинация против старения работает. Пока это проверено только на мышах, но нет сомнения, что когда-то это станет применимо и для нас, — похвалил коллег профессор Гарвардского университета Дэвид Сенклер.
Революционное значение японского открытия состоит в том, что в отличие от ранее созданных сенолитиков новая вакцина запускает в организме процесс синтезирования белка, делая его, организм, самодостаточным в процессе борьбы с «зомби-клетками».
Это означает, что если до сих пор известные сенолитики требовалось употреблять постоянно, чтобы замедлять процесс старения, то в случае с японской вакциной будет достаточно одноразовой инъекции.
После этого в человеческом теле (и вообще в теле любого теплокровного животного, начиная с мышей) включается собственная «фабрика» по производству протеина, которая не даёт сломаться биологическим часам.
Открытие «вакцины бессмертия» в случае её массового применения в терапии геронтологических заболеваний повлечёт за собой колоссальные сдвиги далеко за пределами сугубо лечебной практики.
Поэтому к заявлению японских учёных следует пока относиться с осторожностью, призвал в разговоре с NEWS.
ru генетик Игорь Гольдман, который сам испытывал на себе разного рода способы замедления старения (в 74 года он стал чемпионом Европы по поднятию штанги, и в свои 88 сегодня руководит научным институтом).
Загрузка...
