Wszyscy jesteśmy mutantami. Każda cecha, która definiuje nasz gatunek, jest wynikiem mutacji genetycznej gdzieś w historii ewolucji. I tak samo jest z każdym innym organizmem na naszej planecie. Częściej jednak myślimy o mutacjach jako o czymś złym, prowadzącym do niepełnosprawności lub choroby. Jak często więc te zmiany w DNA są szkodliwe, a jak wiele z nich jest potencjalnie pomocnych? Nowe badanie sugeruje, że śmiertelne mutacje mogą być znacznie mniej powszechne niż kiedyś myśleliśmy, przynajmniej u bakterii.
Większość mutacji DNA jest spowodowana przez błędy, które zdarzają się, gdy komórka wykonuje kopię całej swojej informacji genetycznej, aby mogła podzielić się na dwie nowe komórki. Bakterie takie jak E. coli muszą skopiować około pięciu milionów liter kodu DNA. W przypadku ludzi jest to około 3,2 miliarda liter DNA w jajach i spermie oraz dwa razy tyle w innych komórkach ciała.
Pomimo wyrafinowanych systemów wykrywania i naprawiania błędów kopiowania w miarę ich występowania, niektóre z nich od czasu do czasu prześlizgują się przez sieć. Większość z nich skutkuje tym, co nazywane jest „mutacjami punktowymi”, ponieważ dotyczą one tylko pojedynczej zmiany litery DNA. Jednak nawet one mogą czasami prowadzić do dużych zmian, zmieniając geny i białka, które produkują. To z kolei może wpłynąć na sposób, w jaki ciało rośnie lub działa.
Mutacje mogą prowadzić ewolucję, jeśli dają jednostce przewagę, która oznacza, że są bardziej prawdopodobne, aby przetrwać, aby mieć dzieci i przekazać zmutowany gen. Szanse przypadkowych mutacji w milionach lub miliardach liter kodu mogą wydawać się niewielkie. Ale życie na Ziemi istnieje od czterech miliardów lat, więc ewolucyjne timescales są ogromne.
Mutacje mogą również powodować poważne problemy zdrowotne, z których niektóre mogą być również dziedziczone. Naukowcy z Francji próbowali ostatnio ustalić, jak często mutacje były rzeczywiście szkodliwe, używając bakterii E. coli jako modelu. Lydia Roberts i jej koledzy wykorzystali pomysłową technikę, która pozwoliła im na wizualizację zmian DNA, które zaszły, podczas gdy bakterie rzeczywiście się dzieliły.
Zwykły sposób szacowania szybkości mutacji w bakteriach polega na hodowaniu ich na płytkach agarowych, plastikowych naczyniach zawierających bogatą w składniki odżywcze galaretkę dla mikrobów. Ale problem z tym podejściem polega na tym, że każda bakteria, która nabywa śmiertelną mutację oczywiście umiera, więc informacja o tych zmianach genetycznych jest trwale utracona.
Aby obejść ten problem, francuscy badacze użyli maleńkiego chipa zawierającego 1000 mikroskopijnych kanałów, do których dostarczany jest płynny bulion odżywczy. Nowe komórki produkowane po każdym podziale komórkowym pozostają w kanałach, bez względu na jakiekolwiek szkodliwe mutacje, które mogłyby wpłynąć na ich przetrwanie.
Zespół następnie użył obrazowania poklatkowego, połączonego ze znacznikiem fluorescencyjnym, który migał za każdym razem, gdy wystąpiła mutacja. Dzięki temu uzyskano imponujące filmy z mnożących się, mutujących bakterii, przypominające linie kodu przedstawione w filmie sci-fi Matrix.
Wyniki, opublikowane w Science, sugerują, że mutacje punktowe u bakterii powstają w stałym tempie około jednej na 600 godzin. Ku zaskoczeniu badaczy, odkryli oni również, że tylko około 1% tych zmian DNA było śmiertelnych dla bakterii – znacznie mniej niż wcześniej sądzono.
Wydaje się, że w bakteriach przynajmniej, większość mutacji może nie mieć żadnego wpływu na przetrwanie w ogóle. Nie są one ani „złe”, ani „dobre”, lecz po prostu ewolucyjnymi przechodniami. Naukowcy pracujący nad zrozumieniem, w jaki sposób mutacje genetyczne powodują choroby u ludzi, zadają podobne pytania. Wyniki z dużych projektów, takich jak brytyjski projekt 100,000 Genomes, powinny pomóc ujawnić, które mutacje powodują choroby, a które nie mają żadnych konsekwencji.
Poza dobrem i złem
Wiemy jednak również, że kategoryzacja mutacji jako dobrych lub złych może być czasami bardzo trudna. Często zależy to od kontekstu, na przykład od tego, czy mutacja pomaga organizmowi korzystać z określonego źródła pożywienia lub zwalczać chorobę obecną podczas jego życia. A niektóre mutacje mogą być korzystne, jeśli tylko jedna kopia jest dziedziczona, ale szkodliwe, jeśli dziedziczone są dwie kopie. Jednym z przykładów mutacji genowej podlegającej tego rodzaju „równoważącej selekcji” jest choroba sierpowatokrwinkowa.
Ludzie z chorobą sierpowatokrwinkową mają mutację genową, która wytwarza zmienioną formę hemoglobiny, białka w czerwonych krwinkach, które przenosi tlen wokół ciała. Zmieniona hemoglobina wytwarza długie krwinki o sierpowatym kształcie, które mogą utknąć w małych naczyniach krwionośnych. Powoduje to ból w klatce piersiowej i stawach, a także anemię, zwiększone ryzyko infekcji i inne problemy.
Jednak pomimo tych potencjalnie niszczycielskich skutków zdrowotnych, choroba jest stosunkowo powszechna w niektórych krajach. Szacuje się, że 300 000 niemowląt, które odziedziczyły dwie kopie mutacji genu sierpowatości (po jednej od każdego z rodziców) rodzi się z tą chorobą każdego roku, głównie w Nigerii, Demokratycznej Republice Konga i Indiach.
Wynika to z faktu, że osoby z jedną kopią mutacji są odporne na malarię, a więc mają większe szanse na przeżycie do wieku dorosłego i przekazanie zmutowanego genu swoim dzieciom. Więc nawet jeśli posiadanie choroby sierpowatej jest wadą ewolucyjną, nie dotknięci nosiciele mutacji genu mają przewagę przetrwania w krajach, w których malaria była (lub nadal jest) rife.
Ostatnie badania amerykańskie sugerują, że wszyscy ludzie żyjący z chorobą dzisiaj pochodzą od pojedynczego przodka, który żył około 7,300 lat temu w Saharze lub zachodnio-środkowej Afryce. To pokazuje, jak pojedyncza mutacja może rozprzestrzeniać się do wielu, wielu jednostek w populacji, jeśli daje znaczącą korzyść, nawet jeśli ma również potencjał, aby zrobić krzywdę. Podobnie, istnieją dowody na to, że pojedyncza kopia mutacji genu mukowiscydozy mogła zapewnić naszym przodkom odporność na cholerę, oraz że nosiciele choroby Taya-Sachsa mają odporność na gruźlicę.
Better understanding of the effects of mutations could play a big role in treating disease. Na przykład, badanie tempa mutacji w różnych typach komórek mogłoby rzucić światło na to, jak rak powstaje w różnych tkankach ciała. A zrozumienie tempa mutacji bakterii mogłoby pomóc naukowcom w zwalczaniu mikrobów, które rozwinęły odporność na antybiotyki. W końcu pomoże to zapoczątkować nową erę medycyny, w której wiele chorób będzie diagnozowanych i leczonych przy pomocy informacji genetycznych. A to musi być dobre.