Наука

Как мутирует человечество?

Человечество меняется и хочется верить, что в лучшую сторону. Но что по этому поводу говорят результаты современных генетических исследований?

Естественный отбор в цивилизованных условиях

В современном мире человек в меньшей степени подвержен воздействию естественного отбора. Благодаря достижениям медицины сохраняются жизни миллионов людей, которые раньше были обречены на гибель. Человек все меньше зависит от условий окружающей среды и может жить практически везде, создавая вокруг себя искусственную среду.

В цивилизованном обществе принцип «выживает сильнейший» утратил свою актуальность. Постепенно исчезают природные механизмы, которые раньше элиминировали менее приспособленных, поэтому «неудачные» гены из популяции не вытесняются, а со временем накапливаются.

Считалось, что половой процесс служит эффективным средством отбора благоприятных мутаций, и это было рациональным оправданием закрепления столь затратного способа размножения. Но в современном обществе даже половой отбор не останавливает процесс накопления неблагоприятного генетического материала в человеческой популяции.

Ловушка легкой жизни

Эксперименты по исключению отбора не раз проводили в лабораторных условиях, и их результаты всегда были неутешительными. У аквариумных рыб, которым создавали идеальные условия для жизни, это приводило к уменьшению объема мозга, а малейшие изменения окружающей среды вызывали резкое повышение смертности. У мух дрозофил в результате исключения конкуренции между личинками за 30 поколений приспособляемость снизилась вдвое. Подсчитано, что в каждом поколении при беззаботной жизни конкурентоспособность уменьшалась на 2%.

В ДНК человека постоянно происходят самопроизвольные мутации. Они неизбежны и для этого не нужно ни воздействия радиации, ни химических мутагенов. Первый и основной источник мутаций — это ошибки при репликации (удвоении) молекулы ДНК

По предположениям исследователей, через 100 поколений в идеальных условиях все подопытные дрозофилы были бы обречены на гибель. Людям создать идеальную среду гораздо сложнее, поэтому смерть от легкой жизни нам не грозит. Человеческий геном не успевает приспособиться к резко изменившимся условиям существования. Люди стали жить дольше и комфортнее, однако появились новые болезни и стремительно ускорился темп жизни, порождая новые проблемы.

Читайте также: Как биология человека влияет на его поведение

Темпы мутагенеза

Скорость мутагенеза — один из ключевых показателей, определяющих динамику эволюционных изменений. Следует подчеркнуть, что мутации нам необходимы как источник генетической изменчивости. Без них не было бы эволюции, в результате которой возникло разнообразие живого мира.

С появлением современных методов секвенирования открылись новые возможности, чтобы количественно оценить скорость возникновения мутаций. Если обнаруживаются новые мутации, произошедшие при смене поколения, это значит, что они возникли в половых клетках родителей. Выяснилось, что скорость мутаций в человеческом геноме равна примерно 10^–8 на поколение на один нуклеотид. В пересчете на весь геном это означает, что каждый ребенок получает от родителей в среднем 74 новые мутации.

Бóльшая часть мутаций бесполезна, а примерно 10% из них являются вредными и снижают приспособляемость. Среди них есть и смертельные — в среднем происходит одна-две летальные мутации на генотип.

Организм не умирает, если вредные мутации находятся в гетерозиготном состоянии, то есть опасный ген дублируется нормальным на парной хромосоме. Но если вредных мутаций будет еще больше и они не будут «вычищаться» отбором, равновесие нарушится, и приспособляемость в человеческой популяции неизбежно будет снижаться.

Читайте также: Персонализированное лечение, или Зачем человеку метаболический паспорт?

Источник генетической изменчивости

В нашей ДНК постоянно происходят самопроизвольные мутации. Они неизбежны и для этого не нужно ни воздействия радиации, ни химических мутагенов. Первый и основной источник мутаций — это ошибки при репликации (удвоении) молекулы ДНК. Вероятность такой ошибки составляет примерно 10^–10 на нуклеотид за репликацию. Второй источник мутаций — ошибки в репарации (ремонт повреждений) ДНК.

В каждой человеческой клетке ежедневно происходит несколько сотен тысяч спонтанных повреждений, в процессе починки которых могут возникать ошибки. Третий источник мутаций — ошибки при рекомбинации в ходе мейоза. Это необходимый этап созревания половых клеток, но когда хромосомы обмениваются кусочками при рекомбинации, тоже могут возникать ошибки.

99% мутаций — это замены нуклеотидов или их короткие выпадения. Реже случаются выпадения или вставка 100 и более, иногда до миллиона нуклеотидов, или происходит поворот какого-то кусочка ДНК на 180°.

Вновь возникающие мутации распределяются по геному не совсем равномерно, а проявляют тенденцию к кластеризации. Иными словами, если в ходе репликации на определенном участке возникла мутация, то вероятность того, что где-то по соседству появится еще одно изменение, повышается. При этом вероятность возникновения новой мутации не зависит от «смыслового содержания» данного участка ДНК, будь то уникальная или повторяющаяся последовательность, ген или межгенный промежуток.

Мутационный вклад отцов и матерей

Отец и мать вносят неодинаковый вклад в суммарное «мутационное наследство» своих детей. Мужских мутаций в среднем в пять раз больше, чем женских. Объясняется такое неравноправие тем, что мужские и женские половые клетки образуются по-разному.

У женщин репликация хромосом в половых клетках заканчивается еще во время внутриутробного развития. Предшественники яйцеклеток претерпевают обычное клеточное деление (митоз) только в эмбриональный период. Девочка рождается с уже готовым набором незрелых репродуктивных клеток (ооцитов I порядка), которые с началом ее полового созревания поочередно входят в редукционное деление (мейоз) и образуют яйцеклетки (ооциты II порядка).

Предшественники же сперматозоидов (сперматогонии) активно делятся митотически в семенниках каждые 16 дней (23 деления в год) начиная с достижения половой зрелости и до старости. В итоге яйцеклетка проходит через 25 митозов, завершающихся мейозом, а число митозов, через которое проходит сперматозоид до мейоза, зависит от возраста мужчины.

Считается, что сперматозоиды 15-летнего юноши прошли примерно 35 клеточных делений, 20-летнего мужчины — 150, 30-летнего — 380, 40-летнего — 610, 50-летнего — 840. Поэтому чем старше мужчина, тем больше мутаций происходит в его сперматозоидах. Ведь каждый акт репликации — это риск дополнительных ошибок и, соответственно, мутаций.

Читайте также: Как среда обитания влияет на тело человека?

Чем старше папа, тем больше мутаций у ребенка

На количество мутаций, которые ребенок получает от отца, в большой степени влияет отцовский возраст. В результате полногеномного анализа 78 исландских семей ученые вычислили, сколько новых мутаций приобрел ребенок. В ходе исследования секвенировали геном отца, матери и ребенка, а затем сравнивали их между собой. Оказалось, что от матери ребенок получает в среднем 15 мутаций независимо от ее возраста. А вот количество мутаций, полученных от отца, значительно варьирует в зависимости от возраста родителя: если отцу 20 лет, возникает 25 мутаций, если 40 лет — 65, а если 50 лет — 85 мутаций. То есть каждый год жизни отца добавляет ребенку примерно две новые мутации! А чем больше мутаций, тем больше среди них вредных наследственных изменений, ассоциированных с болезнями.

Торопитесь стать отцом!

В ряде исследований получены убедительные свидетельства, что чем старше отец, тем выше риск развития неврологических и психических заболеваний у его ребенка. К примеру, дети 50-летних отцов вдвое чаще страдают шизофренией и аутизмом, чем дети 20-летних пап. У отцов старше 55 лет в 5 раз чаще рождаются дети с синдромом Дауна, кроме того, у детей от пожилых отцов на 37% повышается риск развития маниакально-депрессивного психоза. Каждые последующие 10 лет увеличения возраста отца на 30% повышают риск возникновения шизофрении у ребенка.

Графики зависимости интеллектуального развития ребенка от возраста родителей, полученные в результате анализа данных более 30 тыс. детей, показывают, что с возрастом отца когнитивные показатели ребенка снижаются.

Если отцу 60 лет, то ожидаемое умственное развитие его ребенка на 5% ниже, чем ребенка от 20-летнего отца. Пожилой отец передает ребенку 60 дополнительных мутаций по сравнению с молодым, и это существенно снижает интеллектуальные способности наследника.

Примечательно, что для интеллекта ребенка нежелательна слишком молодая мать, а после 20 лет ее возраст практически не влияет на уровень когнитивных показателей ребенка. Если учесть, что в наши дни у каждого десятого новорожденного папа старше 50 лет, то интеллектуальный уровень следующих поколений вызывает серьезные опасения. Остается только надеяться, что мужчины одумаются и начнут обзаводиться детьми в более юном возрасте.

Читайте также: Почему у человека есть парные и непарные органы?

Очистка генома?

Не за горами тот день, когда человечество вплотную столкнется с проблемой очистки генома от вредных мутаций, обладая для этого всеми необходимыми техническими средствами. Но вот будем ли мы к этому готовы с точки зрения этики?

История показывает, что все попытки насильственного искусственного отбора применительно к людям заканчивались трагично. Никто из людей не вправе решать, жить ли или умереть другому человеку. Однако своевременное генетическое консультирование перед зачатием и на ранних стадиях внутриутробного развития вскоре станет нормой и осознанной необходимостью.

С каждым днем наука пополняется новыми сведениями о геноме человечества. Остается только надеяться, что эти знания помогут людям стать здоровее, умнее и добрее

Татьяна Кривомаз, канд. биол. наук

“Фармацевт Практик” #12′ 2016