Артур Скальский

© ПОЛИТ.РУ

Наука и техникаМир

3780

09.04.2013, 00:49

Медицина на геномном уровне

О пользе и вреде мутаций, почему внешне схожие животные не всегда являются родственниками, а также об этической стороне экспериментов над людьми.


Константин Попадьин, Фото: Наталья Четверикова

Константин Попадьин - научный сотрудник Института проблем передачи информации РАН, кандидат биологических наук, рассказал Борису Долгину, Дмитрию Ицковичу и Анатолию Кузичеву в программе «Наука 2.0» - совместном проекте портала «Полит.ру» и «Вести.FM» - о пользе и вреде мутаций, почему внешне схожие животные не всегда являются родственниками, а также об этической стороне экспериментов над людьми. Перед вами краткое содержание беседы с некоторыми пояснениями.

Мутации могут быть полезными

Вся наша информация закодирована в молекуле ДНК, и при передаче ее от родителей детям постоянно случаются ошибки, поломки молекул. Отчасти эти ошибки возникают из-за того, что процесс копирования не может быть идеальным. А отчасти - влияют внешние и внутренние факторы в виде разных мутагенов.

Подобные мутации и ошибки при репликации иногда бывают полезными, как некое необходимое сырье для эволюции, и тогда эта мутация имеет повышенные шансы распространиться среди всего вида (зафиксироваться). Например, среди всего вида человека. И все становятся чуть-чуть лучше в каком-то отношении. Например, умеют переваривать молоко (лактозу - углевод содержащийся в молочных продуктах) во взрослом состоянии, а не только в младенчестве. Данная мутация — лактозная переносимость — классический пример полезной мутации, которая до сих пор распространяется во всех популяциях человека. Эта мутация широко распространена в Европе и Америке, но до сих пор люди с лактозной переносимостью редки в Африке и Китае, где молочные продукты редко употребляются взрослыми. Связь распространенности мутации с географией показывает важное свойство любой мутации — её эффект зависит от среды — из-за развитой культуры молочных продуктов в Европе очень полезно иметь способность переваривать лактозу во взрослом состоянии, поэтому селективный пресс на эту мутацию в Европе очень сильный и поэтому она достигла большой частоты. В Китае же эта мутация бесполезна и поэтому редка.

Вредные или полезные мутации – определяется по приспособленности организма. Приспособленность - это, по Дарвину, количество потомков, доживших до половозрелости. А вредность мутации – это то, насколько данная мутация уменьшает количество детей, доживших до половозрелости. Ее можно измерять в процентах. Например, мутация забирает 1% от приспособленности, или 50%, или, в худшем случае, 100% - это летальная мутация, с такой не живут.

Эффект мутации зависит от среды. Вредность или полезность определяется приспособленностью организма.

Например, если мы выращиваем бактерии в чашках Петри в микробиологической лаборатории и меняем им среду, то случайным образом у одной бактерии получается мутация, которая позволяет переваривать новый продукт и жить на нем. Происходит сильный искусственный отбор. Все остальные бактерии погибают, а потомки одного единственного мутировавшего клона выживают.

Есть огромный класс мутаций, влияние которых на приспособленность почти нулевая. То есть они чуть-чуть отрицательные или чуть-чуть положительные. Их называют эффективно нейтральными, потому что отбор не замечает такие маленькие изменения.

В итоге получается, что молекулярная эволюция, возможно, большей своей частью идет за счет этих почти что нулевых эффектов. Это называется «нейтральная теория молекулярной эволюции», она была сформулирована более 40 лет назад, и это правильный способ думать о молекулярной эволюции. Если мы ничего не знаем о мутации, которую нам надо изучить — наша первая гипотеза должна быть следующей — данная мутация нейтральна и не имеет никакого смысла для приспособленности. И только дополнительные эксперименты и тесты могут отвергнуть эту нулевую гипотезу и сказать, что данная мутация полезная или вредная.

Сравнительная геномика

С открытием геномов и с появлением сравнительной геномики изменилось восприятие эволюции животных. Сейчас тяжело представить серьезный проект по изучению любого организма без знания его генома, потому что там огромное количество информации. Раньше можно было рассуждать так: вот живет утконос в Австралии, у него такой-то образ жизни, и по его морфологии и анатомии можно много чего сказать. А теперь мы секвенируем его геном, получим последовательность генома и на более детальном уровне увидим почти то же самое, что видели раньше: да, наверное, он родственник ехидне - но теперь есть возможность посчитать это количественно.

Если сравнивать двух зверей по внешнему облику, можно видеть оптимальный результат эволюции: у нас всегда увеличивается приспособляемость, связь между организмом и средой должна быть оптимальной. И если видим, что все млекопитающие, которые живут в море, имеют форму тела, похожую на рыбу, можно подумать, что рыбы и млекопитающие – это одно и то же, однако это не так. Киты и дельфины не родственники рыбам.

Они приобрели схожие черты просто потому, что живут в одной и той же среде. Когда происходит сравнение геномов , анализируется огромное количество информации. Идет анализ не только той информации, которая связана, например, с крыльями или плавниками, а еще и той, которая отвечает за нейтральные, нефункциональные области генома. И именно эти нейтральные участки очень важны, поскольку они обладают сильной эволюционной инерцией — она одинакова (схожа) между родственниками.

Если утконос и ехидна будут похожи по каким-то неважным, нефункциональным, нейтральным участкам генома – это будет свидетельствовать, что они произошли от одного предка. Они с собой несут молекулярную, геномную подпись того, что они произошли от одного предка - потому что абсолютно ненужные признаки в геноме у них одинаковые.

Хорошая аналогия: как учитель понимает, что в классе один списал у другого сочинение или диктант? Если все ученики сдали идеально правильные работы , невозможно доказать, что кто-то у кого-то списывал. Однако, если учитель видит одинаковые ошибки — он понимает, что эти ошибки изначально появилась у одного ученика, и далее, были `размножены` между всеми соседями по парте.

Наличие одинаковых ошибок в геномах подтверждает родственность.

Так вот, наличие одинаковых ошибок и есть факт, подтверждающий родственность. Если они одинаковые у разных геномов, значит, это родственники. Чем более редкие ошибки в геномах, тем детальнее можно рассматривать какие-то глубокие эволюционные процессы. Таким образом подтверждается родство тех, кто совершенно не похож друг на друга.

300 генов для новой бактерии

Недавно была сконструирована полностью искусственная бактерия. В качестве природного прототипа этого искусственного генома взяли геном бактерии микоплазмы, у которой всего порядка 400 генов в диком виде.

Это очень маленький компактный геном, и именно с него имело смысл начинать пробовать делать такие смелые технологические изменения. Далее геном микоплазмы синтезировали в пробирках. Получили его в химической лаборатории, кусочек за кусочком собрали всю последовательность - и дальше посадили это в клеточную оболочку от бактерии. Этот организм ожил, и через несколько поколений полностью искусственный вид обновил свою оболочку - это стала абсолютно новая бактерия.

Более того, из 400 генов, которые были в дикой форме, ученые взяли порядка 300, то есть соптимизировали — удалили ненужные гены, или просто гены функции которых не понимали. В результате того, что эволюция идет очень медленными шажками, она далеко не оптимальна. Но мы этого не понимаем до конца. Если бы мы понимали всё, мы могли бы легко и эффективно оптимизировать подобные искусственные конструкты.

Технологии развиваются, и, возможно, скоро попробуют делать более сложные организмы. Можно сконструировать бактерии, которые обладают хорошим набором свойств для промышленности. Это делается и сейчас, только другими методами. Не надо в биохимической лаборатории делать новый геном, когда можно изменить старый.

Эксперименты над людьми и вопрос этики

Недавно ученые опубликовали статью в журнале Nature с описанием достаточно интересного эксперимента. Известно, что у многих женщин есть некие вредные мутации в митохондриальном геноме, в маленькой органелле, которая наследуется только через яйцеклетку. Этот митохондриальный геном передается только через цитоплазму клетки. Органеллы наследуются только через материнскую линию, просто потому, что в сперматозоиде мало цитоплазмы, а в яйцеклетке ее много. Поэтому, когда образуется из яйцеклетки и сперматозоида новая жизнь, получается, что вся цитоплазма и плавающие внутри неё митохондрии и митохондриальные геномы со своими вредными мутациями, если таковые имеются, попадают к ребенку. Получается, что митохондрии наследуются только от женщин.

Органеллы наследуются только через материнскую линию, т.к. в сперматозоиде мало цитоплазмы, а в яйцеклетке ее много.

Суть эксперимента заключалась в следующем: была изучена женщина, у которой было доказано наличие таких вредных мутаций в митохондриальном геноме, и она не могла родить здорового ребенка. Далее, все митохондриальные геномы были взяты у донорской яйцеклетки от здоровой женщины, а ядро с 99% генетической информации было взято от женщины, которая хотела родить. В результате искусственного оплодотворения был получен эмбрион от трех родителей: один отец и две мамы (одна мама дала ядерную ДНК, другая — митохондриальную ДНК). У авторов этой статьи все получилось, но на стадии гаструляции (один из этапов развития эмбриона), британский этический комитет запретил эти исследования и развитие эмбрионов было остановлено.

В данный момент (после радиопередачи) британский этический совет разрешил эксперименты по пересадке митохондрий человека и скоро начнутся многолетние клинические исследования, которые покажут плюсы и минусы данной технологии на большой выборке эмбрионов. Уже есть несколько шимпанзе, рожденных с использованием такой технологии. Если клинические исследования по пересадке митохондий у человека завершатся успехом, возможность иметь здоровых детей будет у многих мам с наследственными вредными мутациями в митохондриальном геноме.

Описанный выше эксперимент представляет собой важный медицинский шаг, который позволяет `лечить` генетически определяемые болезни и геном одновременно. Схожий эффект может быть во время искусственного оплодотворения, когда перед подсадкой к будущей маме эмбрионы диагностируются на известные вредные мутации и подсаживается лучший (лучшие). Таким образом, эта новая медицина идет в ногу с естественным отбором.

Британский этический совет разрешил эксперименты по пересадке митохондрий человека. Женщины с наследственными вредными мутациями в митохондриальном геноме получили надежду иметь здоровых детей.

Однако, в большинстве случаев стандартной медицины она лечит болезнь и не лечит гены. Стандартная медицина позволяет иметь потомство тем людям, которые в противном случае (без медицины) не имели бы такой возможности, при этом позволяя накапливаться вредным мутациям в генофонде человеческой популяции. Таким образом, в результате стандартной медицины количество генетически детерминируемых болезней будет все больше и больше, поскольку не происходит эффективного удаления вредных мутаций из человеческой популяции. Соответственно, средняя приспособленность популяции будет уменьшаться.

Если провести подобный эксперимент на мухах дрозофилах и, удалив действие естественого отбора, позволить размножаться любым случайно взятым мухам, то средняя присособленность популяции будет падать на 2% в каждом поколении, что очень существенно. Соответственно, если допустить, что популяция человека существует по крайней мере два поколения при эффективной медицине, то 4% приспособленности можно уже вычесть - по сравнению с тем, что было 50-60 лет назад.

Таким образом процесс естественного отбора отсекает неприспособленные геномы, а успехи стандартной медицины работают против естественного отбора, позволяя аккумулировать вредные мутации. В большинстве развитых стран люди давно уже не `дикий` вид, и нам сложно выживать без `костылей` медицины. Каков процент людей с удаленным аппендицитом, или удаленными зубами мудрости, или в очках? Я думаю близок к 50%. А если сюда добавить эффект прививок и антибиотиков — какой процент людей они спасли? Я думаю, перевалит за 50%.

Новая медицина на геномном уровне, которая сейчас только появляется, по-видимому является очень важным `костылем`, который, если будет развиваться, сможет дать не только краткосрочное оздоровление одному поколению людей (как привики и антибиотики), но и долгосрочное очищение генофонда человеческой популяции за счет удаления вредных мутаций, - поддержать приспособленность нашего вида на высоком уровне.

Артур Скальский

© ПОЛИТ.РУ

Наука и техникаМир

3780

09.04.2013, 00:49

URL: http://babr24.com/?ADE=113919

bytes: 13088 / 12741

Обсудить на форуме Бабра в Telegram

Поделиться в соцсетях:

Автор текста: Артур Скальский.

Другие статьи в рубрике "Наука и техника"

Россия отказалась вступать в международный проект по освоению Луны

Международный масштабный лунный проект, который продлится более 10 лет, скорее всего, пройдёт без России. Дело в том, что с нашей страной до сих пор не заключили соглашение по совместной реализации лунной программы. И в основном происходит это по желанию именно России.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

1657

19.10.2020

Реагенты от гололёда наносят вред почве и воде

С каждым годом влияние противогололёдных реагентов усиливается. И речь идёт не о положительном эффекте, а о негативном. Это доказали учёные из Красноярского научного центра СО РАН.

Миша Ковальски

Наука и техникаЭкологияКрасноярск

2341

15.10.2020

На Марсе обнаружили древние дюны и подлёдные озёра

Новые открытия позволили по-новому взглянуть на геологию красной планеты. Так, учёные обнаружили на Марсе древние окаменевшие дюны. По оценкам им насчитывается не менее миллиарда лет. Само по себе наличие дюн на данной планете не является открытием.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

2374

14.10.2020

Нобелевская премия 2020: черные дыры, альтернатива ГМО и другое

Стали известны имена лауреатов Нобелевской премии 2020 года. Удивительно, но в этом году премию получили три очень важных открытия, значимость которых известна уже давно, однако удостоились награды они только сейчас. Так, Нобелевский комитет присудил премию по физике за черные дыры.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

2243

12.10.2020

Химиотерапия может стать менее вредной благодаря учёным из Томска

Раковая опухоль остаётся одной из самых опасных болезней современности. Единственным эффективным методом лечения до сих пор остаётся химиотерапия. Хотя известно, что она наносит вред и здоровым клеткам. Ранее по теме Бабр писал: Проблемы онкологии в Сибири.

Миша Ковальски

Наука и техникаТомск

2986

08.10.2020

Современные старики стали умнее и быстрее

Снижение когнитивных способностей, короткая память, невнимательность, медленная ходьба, да и в целом всех движений. Старость пугает всех, но от неё никому не скрыться. Финские учёные Университета Йювяскюля оповестили о радостной новости.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

3506

29.09.2020

Пение птиц изменилось из-за карантина

Жесткие ограничения, которые были введены из-за пандемии новой коронавирусной инфекции, продолжают влиять на дикую природу. Результаты нового исследования опубликовали учёные из американского Университета Теннесси в ведущем научном международном журнале Science.

Миша Ковальски

Наука и техникаБратья меньшиеМир

4158

26.09.2020

Шнобелевская премия 2020: Путин, гелиевый крокодил, нож из экскрементов и многое другое

Состоялась ежегодная церемония вручения Шнобелевской премии. В 2020 году она, как и многие другие мероприятия, проходила в режиме онлайн. Напомним, что эта премия является шуточной научной наградой. Её получают те учёные, чьи исследования больше кажутся забавными, чем практичными.

Миша Ковальски

Наука и техникаМир

4273

21.09.2020

Игорь Бычков: новая попытка захвата власти

Судя по всему, недавний скороспелый ученый совет в Иркутском научном центре и последовавший скандал вокруг него - только начало большого проекта передела иркутской науки.

Максим Бакулев

Наука и техникаРасследованияСкандалыИркутск

9292

20.09.2020

Следственный комитет должен заниматься преступлениями в исторической науке

Сообщают, что председатель Следственного комитета РФ, генерал юстиции Александр Бастрыкин решил создать подразделение в составе Следственного комитета, которое бы занималось расследованиями в сфере реабилитации нацизма и фальсификации истории.

Дмитрий Верхотуров

Наука и техникаИсторияРасследованияРоссия

13076

15.09.2020

В Китае найден древнейший атлас тела

Учёные наконец-то разгадали таинственный манускрипт, которому насчитывается более 2000 лет. Шелковая рукопись была найдена в Китае при раскопках гробницы Мавандуй ещё в 1973 году. Всё это время письмена не могли расшифровать, потому что они были написаны на древнем диалекте.

Миша Ковальски

Наука и техникаИсторияМир

4659

05.09.2020

Скандал в ИНЦ продолжается

Продолжается борьба за власть в Иркутском научном центре и попытка снятия со своей должности директора ИНЦ Константина Апарцина. 1 сентября на сайте ИНЦ была опубликована выписка из протокола Ученого совета ФГБУН ИНЦ СО РАН от 28.08.2020 года.

Лера Крышкина

Наука и техникаРасследованияИркутск

7290

01.09.2020

Смарт: Бабр для умных

Минфин хочет продлить льготную ипотеку под 6,5 % до конца 2021 года

Минфин России предлагает продлить программу льготной ипотеки под 6,5 % годовых, которую запустили в России после начала пандемии. Соответствующий проект постановления правительства разместили на федеральном портале правовых актов. Отметим, срок действия льготной программы истекает 1 ноября.

Александр Егоров

Интернет и ИТРоссия

2165

13.10.2020

Весь из себя цифровой и продвинутый Сбер: больше не «бабушкин» банк?

24 сентября глава Сбербанка Герман Греф провёл конференцию, на которой объявил о крупном ребрендинге: смене названия, логотипа и брендовой атрибутики, запуске новых сервисов и смене концепции организации офисного пространства.

Алиса Беглова

Интернет и ИТРоссия

5199

03.10.2020

Биткоин лучше золота и акций?

В кризис миллиардеры и крупные компании стали активно переводить капитал в криптовалюту, объясняя это тем, что она обладает множеством достоинств перед традиционными активами.

Александр Егоров

Интернет и ИТРоссия

3138

09.10.2020

Битва титанов. Самые крупные ритейлеры России

Крупнейшие российские ритейлеры поборолись за звание самого монструозного и прибыльного по итогам первого полугодия 2020 года. Рейтинг составило аналитическое агентство InfoLine. Главный критерий, на основе которого выстроен рейтинг, — доля рынка в процентах. Вот как выглядит топ-10. 1.

Алиса Беглова

Интернет и ИТРоссия

3341

11.10.2020

Защитить и поощрить: правительственная поддержка крупных инвесторов

Правительство запускает специальный институт соглашений о защите и поощрении капиталовложений (СЗПК), который гарантирует неизменность условий реализации инвестиционных проектов. Об этом заявил премьер-министр Михаил Мишустин в ходе заседания правительства.

Александр Егоров

Интернет и ИТРоссия

334

19.10.2020

Лица Сибири

Алексеева Эмма

Куглянт Алексей

Почекунин Валерий

Лазебный Вадим

Поблинков Дмитрий

Куриленко Юрий

Дубас Анатолий

Ведерников Александр

Шимко Дмитрий

Корытный Леонид