Неидеальный человек: Почему эволюция оставила нам болезни, ошибки ДНК и уязвимости - Лоуренс Херст

интроны и правда короче, чем у нас. Конечно, это неидеальный тест: малый размер популяции обычно сочетается с крупным телом, так что причина может быть в чем-то другом — скажем, в скорости метаболизма. Белки тоже эволюционируют медленнее у млекопитающих с большими популяциями, чем у видов с малыми популяциями.

Рис. 5.2. Зависимость между долей аминокислотных мутаций, отсеиваемых естественным отбором (коэффициент ограничения), и продолжительностью жизни поколения. Три точки без подписей — это плодовые мушки. Данные взяты из: Keightley, P. D., and Eyre-Walker, A., "Deleterious mutations and the evolution of sex," Science 290 (2000): 331–333

Еще лучше было бы сравнить один и тот же вид — или недавно разделившиеся виды — на острове и на материке. Логика простая: у островных видов эффективный размер популяции должен быть меньше, а значит, отбор работает хуже. Прекрасная идея для эксперимента, где фактор сложности полностью под контролем. Увы, эксперимент провалился по неожиданной причине: оказалось, что эффективные размеры популяций островных и материковых видов практически не отличаются. Обидно, идея-то была хорошая.

Итак, хотя загадка биологической сложности остается неразгаданной, почти нейтральная модель делает смелые предсказания, и они сбываются. С этой точки зрения наши клетки — это города, где постоянно случаются аварии, а наша ДНК — по большей части нефункциональный хлам. Мы вовсе не венец творения, не результат неумолимого марша прогресса.

Возможно, сейчас у вас возник вопрос: как этот мрачный вывод согласуется с тем фактом, что во многих отношениях мы весьма успешный вид? Мы долго живем (если доживаем до 10 лет), медленно стареем и не плодимся без меры, как лососи или мухи. Разве здесь нет противоречия? Никакого противоречия нет. Вспомните: когда прыгающий ген встраивается в неиспользуемый участок ДНК, отбор его просто не замечает, потому что этот ген практически никак на нас не влияет (что вполне ожидаемо). А теперь представьте мутацию, влияющую на размер потомства и, как следствие, на его количество, — вот это уже совсем другое дело. Такие мутации оказывают мощное влияние на отбор, и тут уже неважно, какой у вида эффективный размер популяции. Проще говоря, одни проблемы попадают в зону действия почти нейтральной теории (мутации со слабым эффектом), а другие нет. Мелкие изменения в структуре и работе ДНК обычно относятся к первой категории. Мутации, затрагивающие анатомию и поведение организма, — ко второй.

Принцип Вальда в геномике

Если бы Абрахам Вальд, который, как мы узнали из прошлой главы, решал, где укреплять американские бомбардировщики, взялся защищать наш геном от мутаций, он точно посоветовал бы укрепить белок-кодирующие гены — двигатель и кабину пилота, — а не те участки, которые спокойно переживают все удары мутаций. У нас есть все основания полагать, что организмы способны на такую избирательную защиту, но как именно они ее обеспечивают, пока неизвестно.

Я уверен, что Вальд дал бы нам еще один важный совет: не летайте над территориями, где работают системы ПВО.

Очевидная истина: чем больше снарядов-мутаций в вас попадает, тем меньше ваши шансы выжить. От этой простой идеи отталкиваются все исследования скорости мутирования. Логика подсказывает: естественный отбор должен снижать ее, ведь большинство из мутаций вредны. Но и тут вмешивается размер популяции. Мало того что мы плохо избавляемся от вредных мутаций — из-за слабого отбора мы еще и производим их в огромных количествах. Получается двойной удар по геному. Об этой проблеме пойдет речь в следующей главе. Для нас она имеет огромное значение, ведь именно она объясняет, почему так называемые редкие генетические заболевания встречаются поразительно часто.

6

Почему редкие заболевания встречаются довольно часто

Джон Мейнард Смит, один из корифеев эволюционной биологии второй половины XX века, был живым воплощением эксцентричного британского профессора — выпускник Итона с коммунистическими взглядами, растрепанными седыми волосами и в круглых очках с толстенными стеклами. Однажды JMS (как его ласково называли коллеги) пригласили на телепередачу, где знаменитостей просили назвать свое «чудо света». Его ответ я запомнил навсегда, настолько он был необычен: частота мутаций.

Мейнард Смит имел в виду частоту появления новых мутаций — тех, с которыми вы рождаетесь, но которых не было ни у матери, ни у отца. Их называют герминальными, или зародышевыми, мутациями. Они возникают в цепочке клеточных делений между оплодотворенной яйцеклеткой, из которой развились ваши родители, и их половыми клетками — сперматозоидами и яйцеклетками. Также мутации происходят в клетках нашего тела — печени, мышцах, легких. Это соматические мутации; по наследству они не передаются, зато могут вызывать рак.

Частоту соматических мутаций мы начали изучать совсем недавно, поэтому я лишь вкратце коснусь этой темы в конце главы. Тем временем частоту герминальных мутаций мы понимаем гораздо лучше. Именно она важна для эволюционного процесса. Во времена Мейнарда Смита у нас были довольно правильные представления о частоте мутаций у человека. Теперь, секвенируя ДНК родителей и детей, мы получили очень точные данные. Это примерно 1,4 × 10‒8. Есть небольшие расхождения в оценках, многое зависит от методики измерения и возраста отца. Но в целом все оценки колеблются около этого значения. Если записать иначе, 0,000000014. Мейнард Смит восхищался тем, насколько это число мало. Для него было настоящим чудом, что частота мутаций может быть такой низкой.

Давайте разберемся, что означает это число. Частота 1,4 × 10‒8 говорит вот о чем: если взять 100 миллионов спаренных оснований вашей ДНК (то есть 108 пар оснований) и сравнить их с тем же участком у родителя, от которого вы получили эту хромосому, то в среднем вы обнаружите примерно одну новую мутацию — ту, что возникла у мамы или папы и досталась вам по наследству. Теперь вам должно быть понятно, почему мы считаем мутации редким явлением.

Педанты могут возмутиться, что мы называем это частотой, ведь частота обычно измеряется в расчете на единицу времени, как скорость автомобиля в километрах в час. Но в большинстве случаев (вирусы — редкое исключение) частоту мутаций принято измерять на поколение, а не на год. Почему так, объясню позже.

Не будем спорить о терминах: 0,000000014 — безусловно, крошечная величина. Да, в абсолютном выражении частота мутаций у человека низкая, но среди всех известных нам организмов она одна из самых высоких (рис. 6.1; таблица 6.1). Пока что выше только у нейроспоры — странного гриба, который использует мутации как оружие против прыгающих генов. Рекордно низкая частота — примерно в тысячу раз меньше нашей