Všichni jsme mutanti. Každá vlastnost, která definuje náš druh, je výsledkem genetické mutace někde v historii evoluce. A totéž platí pro všechny ostatní organismy na planetě. Přesto o mutacích častěji přemýšlíme jako o něčem špatném, co vede k postižení nebo nemoci. Jak často jsou tedy tyto změny DNA škodlivé a kolik z nich je potenciálně užitečných? Nová studie naznačuje, že smrtelné mutace mohou být mnohem méně časté, než jsme si dříve mysleli, přinejmenším u bakterií.
Většina mutací DNA je způsobena chybami, ke kterým dochází, když buňka vytváří kopii veškeré své genetické informace, aby se mohla rozdělit na dvě nové buňky. Bakterie, jako je E. coli, musí zkopírovat přibližně pět milionů písmen kódu DNA. U člověka je to asi 3,2 miliardy písmen DNA ve vajíčkách a spermiích a dvojnásobek v ostatních tělesných buňkách.
Přes důmyslné systémy, které odhalují a opravují chyby při kopírování, k nimž dochází, některé občas proklouznou sítem. Většina z nich má za následek tzv. bodové mutace, protože se jedná o změnu pouze jednoho písmene DNA. I ty však někdy mohou vést k velkým změnám, které mění geny a proteiny, které produkují. To pak může ovlivnit způsob, jakým tělo roste nebo funguje.
Mutace mohou být hnací silou evoluce, pokud poskytují jedinci výhodu, která znamená větší pravděpodobnost, že přežije a bude mít děti a zmutovaný gen předá dál. Šance, že náhodné mutace v milionech či miliardách písmen kódu budou přínosné, se může zdát malá. Život na Zemi však existuje již čtyři miliardy let, takže časové měřítko evoluce je obrovské.
Mutace však mohou způsobit i vážné zdravotní problémy, z nichž některé mohou být i dědičné. Vědci ve Francii se nedávno snažili zjistit, jak často jsou mutace skutečně škodlivé, přičemž jako model použili bakterii E. coli. Lydia Robertsová a její kolegové použili důmyslnou techniku, která jim umožnila vizualizovat změny DNA, k nimž docházelo, zatímco se bakterie skutečně dělily.
Obvyklý způsob, jak odhadnout míru mutací u bakterií, spočívá v jejich pěstování na agarových plotnách, plastových miskách obsahujících rosol bohatý na živiny pro mikroby. Problém tohoto přístupu však spočívá v tom, že všechny bakterie, které získají smrtelnou mutaci, samozřejmě zahynou, takže informace o těchto genetických změnách jsou trvale ztraceny.
Aby to francouzští vědci obešli, použili malý čip obsahující 1 000 mikroskopických kanálků, do nichž je přiváděn tekutý živný bujón. Nové buňky vzniklé po každém buněčném dělení zůstávají v kanálcích bez ohledu na případné škodlivé mutace, které by mohly ovlivnit jejich přežití.
Tým pak použil časosběrné snímání v kombinaci s fluorescenční značkou, která bliká při každé mutaci. Vznikla tak působivá videa množících se mutujících bakterií připomínající řádky kódu zobrazené ve sci-fi filmu Matrix.
Výsledky publikované v časopise Science naznačují, že bodové mutace v bakteriích vznikají konstantní rychlostí přibližně jedna za 600 hodin. K překvapení vědců také zjistili, že jen asi 1 % těchto změn DNA je pro bakterie smrtelné – mnohem méně, než se dosud předpokládalo.
Zdá se, že přinejmenším u bakterií nemusí mít většina mutací na přežití vůbec žádný vliv. Nejsou ani „špatné“, ani „dobré“, ale prostě jen evolučně přihlížející. Podobné otázky si kladou i vědci, kteří se snaží pochopit, jak genetické mutace způsobují nemoci u lidí. Výsledky velkých projektů, jako je britský projekt 100 000 genomů, by měly pomoci odhalit, které mutace způsobují onemocnění a které nemají žádný vliv.
Za hranice dobrého a špatného
Víme však také, že kategorizovat mutace jako dobré nebo špatné může být někdy velmi obtížné. Často záleží na kontextu, například zda mutace pomáhá organismu využívat určitý zdroj potravy nebo bojovat s nemocí přítomnou během jeho života. A některé mutace mohou být prospěšné, pokud je zděděna pouze jedna kopie, ale škodlivé, pokud jsou zděděny dvě kopie. Jedním z příkladů genové mutace podléhající tomuto druhu „vyvažujícího výběru“ je srpkovitá choroba.
Lidé se srpkovitou chorobou mají genovou mutaci, která vytváří změněnou formu hemoglobinu, bílkoviny v červených krvinkách, která přenáší kyslík po těle. Změněný hemoglobin vytváří dlouhé srpkovité krvinky, které mohou uvíznout v malých cévách. To způsobuje bolesti na hrudi a v kloubech a také anémii, zvýšené riziko infekcí a další problémy.
I přes tyto potenciálně devastující zdravotní účinky je toto onemocnění v některých zemích poměrně časté. Odhaduje se, že každý rok se s tímto onemocněním narodí 300 000 dětí, které zdědily dvě kopie srpkovité mutace genu (po jedné od každého rodiče), a to převážně v Nigérii, Demokratické republice Kongo a Indii.
Je to proto, že lidé s jednou kopií mutace jsou odolní vůči malárii, a tak je pravděpodobnější, že se dožijí dospělosti a předají zmutovaný gen svým dětem. Takže přestože mít srpkovitou chorobu je evolučně nevýhodné, nepostižení nositelé mutace genu mají výhodu v přežití v zemích, kde se malárie vyskytovala (nebo stále vyskytuje).
Nedávná americká studie naznačuje, že všichni lidé, kteří dnes žijí s touto chorobou, pocházejí z jednoho předka, který žil přibližně před 7 300 lety buď na Sahaře, nebo v západní a střední Africe. To ukazuje, jak se může jediná mutace rozšířit na mnoho a mnoho jedinců v populaci, pokud přináší významný prospěch, i když má také potenciál škodit. Podobně existují důkazy, že jediná kopie mutace genu pro cystickou fibrózu mohla našim předkům zajistit odolnost vůči choleře a že nositelé Tay-Sachsovy choroby mají odolnost vůči tuberkulóze.
Lepší pochopení účinků mutací by mohlo hrát velkou roli v léčbě nemocí. Například studium míry mutací v různých typech buněk by mohlo objasnit, jak vzniká rakovina v různých tělesných tkáních. A pochopení míry mutací u bakterií by mohlo vědcům pomoci v boji proti mikrobům, u nichž se vyvinula odolnost vůči antibiotikům. To nakonec pomůže zahájit novou éru medicíny, v níž bude mnoho nemocí diagnostikováno a léčeno s pomocí genetických informací. A to musí být dobré.