Жизнь без отбора: благо или опасность?

Человек в цивилизованном об­ществе живет всё более соци­ально и всё менее биологиче­ски. Он успешно преодолевает огра­ничения, которые наложила на него природа: обитает в каком угодно кли­мате, осваивает новые пищевые ре­сурсы, научился бороться с инфекци­онными болезнями. Многие факторы, которые раньше должны были уби­вать человеческую особь, теперь пе­рестали быть для него смертельны­ми. Врачи научились выхаживать не­доношенных и слабых новорожден­ных; вакцинирование предохраняет от опасных инфекций, а в случае за­ражения с инфекцией борются анти­биотики; общество заботится о боль­ных и инвалидах. Даже притом, что всё это работает неидеально, циви­лизация радикально повысила био­логическую приспособленность че­ловека — его выживаемость в окру­жающей среде. Но от своей генети­ки человеку никуда не деться, и про­исходящие в этих условиях процес­сы мы пока изменить не в состоянии. Понять, что сегодня происходит с че­ловеком и что нас ожидает в будущем, мы постарались с помощью эволюци­онного биолога, доктора биологиче­ских наук Алексея Кондрашова, про­фессора Мичиганского университета и факультета биоинженерии и био­информатики МГУ, который прочи­тал публичную лекцию в рамках Все­российского фестиваля науки — 2012. В терминах эволюционной биоло­гии на современного человека всё меньше действует естественный от­бор, т.е. такая сила, которая убирает из популяции менее приспособлен­ных особей, оставляя более приспо­собленных, так как последние остав­ляют больше потомства. «Есть отбор положительный и отрицательный, — поясняет Алексей Кондрашов. — По­ложительный отбор благоприят­ствует какому-то новому полезно­му признаку. Например, все в попу­ляции были белыми, потом появился черный мутант, этот признак ока­зался полезным, и через некоторое время потомки этого черного му­танта могут заполонить всю попу­ляцию. А отрицательный отбор, на­оборот, благоприятствует старым и распространенным признакам. Все белые, и белым быть хорошо, но произошла мутация и появился черный, а черным быть плохо. Соответственно, потомство этого мутанта не выжи­вет, и „черный“ ген из популяции вы­летит. Дарвина в основном интере­совала эволюция, т.е. медленные из­менения, и он в основном думал и пи­сал о положительном отборе. А про отрицательный отбор много думал и рассуждал Иван Иванович Шмальгаузен». Именно этот отбор ослаблен у современного человека — неблаго­приятные гены из популяции не вы­летают, а накапливаются. На уровне общей концепции это стало понятно уже давно, но в последние годы бла­годаря развитию современных мето­дов исследования появились данные, позволяющие количественно оценить этот процесс.

Ошибки в биомолекулярной машинерии

В нашей ДНК постоянно происхо­дят мутации — изменения. Для этого не нужно ни воздействия радиации, ни химических мутагенов — процесс идет самопроизвольно. «Как сказал Будда, всё составленное из частей разрушается, — говорит Кондрашов. — Перед тем как уйти в нирвану, он со­брал учеников и произнес эти четы­ре слова. Применительно к биологи­ческим молекулам, Будда был полно­стью прав, действительно, они со­ставлены из частей и могут разру­шаться. И мутационный процесс яв­ляется проявлением тенденции всего материального мира к хаосу». Мута­ции неизбежны, так как ДНК — очень длинная молекула (общая длина всех геномных молекул в клетке челове­ка примерно один метр) толщиной в один нуклеотид — естественно, она не может быть идеальной.

Существует три основных источника мутаций. Первый — это ошибки, проис­ходящие при репликации — удвоении молекулы ДНК. Основное действующее лицо этого процесса — фермент ДНК-полимераза. После того, как двойная спираль ДНК расплетается в две от­дельные нити, ДНК-полимераза идет вдоль каждой нити и собирает пар­ную к ней, используя старую нить как матрицу. То есть если на старой нити она видит букву А (аденин), то к но­вой нити она прикрепляет букву Т (тимин). «Но примерно в одном случае из 100 тысяч она вставляет не ту бук­ву, — объясняет Алексей Кондрашов. — А самое замечательное, что после того, как она присоединит букву, она сразу же пытается ее оторвать. В резуль­тате получается, что буква присо­единяется неправильно с вероятно­стью примерно 10^–5, а если буква не­правильно присоединена, то она не бу­дет оторвана тоже с вероятностью 10^–5. Так что вероятность мутации составляет примерно 10^–10 на букву за репликацию. Попробуйте попеча­тать на машинке и согласитесь, что ДНК—полимераза отлично работает».

Тем не менее, ошибки при репли­кации, происходящие с вероятностью 10^–10 на букву, — это основной источник мутаций. Второй источник мута­ций — ошибки в репарации ДНК. Ре­парация — это ремонт повреждений, а повреждения — то, что нарушает хи­мическую структуру молекулы, так что ДНК портится. Речь идет, например, о разрыве одной или обеих нитей, сшив­ке нитей между собой не слабыми во­дородными, а ковалентными связями, так что они не могут разойтись, и т.д. «В каждой человеческой клетке каждый день происходят несколько сотен ты­сяч спонтанных повреждений, — гово­рит Кондрашов. — И они должны быть починены, потому что иначе клетка умрет. И если в результате починки произошла какая—то ошибка, это тоже будет мутация». Третий источник му­таций — ошибки при рекомбинации в ходе мейоза — редукционного клеточ­ного деления, приводящего к образо­ванию из диплоидных клеток, с двой­ным набором хромосом, гаплоидных, с одинарным набором хромосом. Это необходимый этап созревания поло­вых клеток, и при рекомбинации — ког­да хромосомы обмениваются кусочка­ми — могут возникать ошибки.

Какие и сколько

99% мутаций — это замены нуклеотидов, говорит Алексей Кондрашов, например, когда цитозин ( С ) меняет­ся на гуанин ( G ). Это источник одно-нуклеотидного полиморфизма (single-nucleotide polymorphism, SNP). Кроме того, могут быть короткие выпадения нескольких букв или, наоборот, корот­кие вставки одного-двух-трех нуклеотидов. Реже случаются большие со­бытия — выпадения или вставка 100 и более, иногда до миллиона нуклеотидов, или поворот какого-то кусочка ДНК на 180°. Надо понимать, что му­тации — это далеко не всегда плохо. Это источник генетической изменчи­вости, и без мутаций не было бы эво­люции, в результате которой возник­ло всё разнообразие живого мира.

С появлением методов секвенирования нового поколения стоимость определения последовательности нуклеотидов в полном геноме ради­кально снизилась. И появились новые возможности количественно оценить скорость возникновение мутаций. Если раньше, как вспоминает Кондрашов, ему пришлось потратить несколько лет на кропотливое изучение крылышек дрозофил и отбор мутантов, то сейчас можно за 300 долларов секвенировать генотипы мухи-мамы, мухи-папы и мухи-дочки и сравнить их. В резуль­тате обнаружатся все новые мутации, произошедшие при смене поколения, а это значит, что они возникли в половых клетках родителей. Что каса­ется человека, то скорость мутаций в человеческом геноме, как вычислили ученые, равна примерно 10^–8 на по­коление на один нуклеотид.

Подводные камни в геноме

Все люди между собой различаются по множеству внешних и внутренних признаков. А генетически два челове­ческих индивида отличаются одной буквой генетического кода на каждые 1000 нуклеотидов. Одно различие на 1000 — это немного, если учесть, что, например, у дрозофил одно отличие на 100, а у гриба шизофиллум — одно отличие на 10, и это на сегодня абсо­лютный рекорд генетического разноо­бразия. И всё равно это много и озна­чает, что между двумя человеческими индивидами — 35 млн коротеньких различий, однобуквенных замен. Но поскольку каждая аминокислота коди­руется тремя нуклеотидами (триплет, или кодон), то не все замены нуклеотида в ДНК приводят к замене ами­нокислоты в белке, а только так называемые несинонимичные. И таких не­синонимичных замен, приводящих к изменению в молекуле белка, у каж­дого человека в белок-кодирующих генах около 10 тысяч. Примерно 10% из них не бесполезные, а вредные, ко­торые снижают приспособленность. Среди них есть и смертельные. Био­логи выяснили, что и у дрозофилы, и у позвоночных животных в среднем имеется одна-две летальные мутации на генотип. Организм не умирает по­тому, что эти мутации находятся в ге­терозиготном состоянии, т.е. мутантный ген дублируется нормальным ге­ном на парной хромосоме. Кроме того, человеческий генотип в среднем не­сет порядка 100 больших выпадений и вставок в ДНК, общая длина кото­рых составляет около 3 млн нуклеотидов. Генотип нобелевского лауреа­та, соавтора модели «двойной спира­ли» ДНК Джеймса Уотсона, как оказа­лось при его секвенировании, несет обычное количество слабовредных мутаций и 12 сильно вредных мутаций, которые прячутся за нормальными гена­ми в гетерозиготном состоянии. Очевид­но, они не повлияли на приспособлен­ность и успешность Джеймса Уотсона. Но если вредных мутаций будет еще больше и они не будут вычищаться отбором, рав­новесие нарушится, и приспособленность в человеческой популяции неизбежно бу­дет снижаться.

Как подчеркнул Алексей Кондрашов, эту проблему понимал еще Дарвин, кото­рый писал: «У дикарей те, кто слабы либо телом, либо умом, быстро погибают. А те, кто выживает, обычно демонстрирует могучее здоровье. А мы, цивилизованные люди, изо всех сил стараемся предотвра­тить этот процесс элиминации: мы созда­ем приюты для умственно отсталых, ин­валидов и больных, издаем законы, кото­рые поддерживают бедных, и наши врачи стараются изо всех сил спасти жизнь каж­дого человека до последней возможности. Есть основания думать, что вакцинация сохранила сотни жизней, которые иначе погибли бы от оспы. Поэтому даже сла­бые здоровьем члены цивилизованных об­ществ продолжают размножаться. Вся­кий, кто интересовался разведением до­машних животных, не будет сомневать­ся в том, что это чрезвычайно вредно для человеческой популяции».

Модель человечества на мухах

Интересно, что это оказалось возможно подтвердить в эксперименте. Такой экспе­римент — по исключению отбора — Кондрашов и его коллеги поставили 15 лет на­зад. Условия жизни современного челове­ка они смоделировали на мухах дрозофи­лах. Пары мух — самца и самку — поселили в отдельные «квартиры» — пробирки, где они не конкурировали за пищу с другими мухами, как бывает при «коммунальном» расселении. Пары обзавелись потомством, причем биологи ограничивали количество отложенных яиц, чтобы исключить конку­ренцию между личинками. Из каждой «се­мьи» мух брали молодых самца и самку, пе­ремешивали и попарно расселяли в новые «отдельные квартиры». Исключение отбо­ра выражалось в отсутствии конкуренции и в том, что каждая пара, независимо от своего генотипа, приносила одно и то же число потомков. И так в течение 30 поко­лений. Через каждые 10 поколений уче­ные оценивали приспособленность личи­нок — их конкурентноспособность за пищу в жестких условиях. Результат — за время проведения эксперимента (за 30 поколе­ний) приспособленность личинок упала бо­лее чем вдвое. А за одно поколение, вы­числили исследователи, она падала на 2%. Алексей Кондрашов считает, что в природе она снизилась бы еще больше, чем в лабо­ратории. «Хотелось бы повторить этот эксперимент и протянуть его хотя бы на 100 поколений, потому что есть гипотеза, что через 100 поколений мухи все помрут».

Есть надежда, что в ближайшем буду­щем ученые смогут непосредственно по­смотреть, что происходит с геномом чело­века. Когда завершится проект «1000 ге­номов», в руках у них окажется 1000 пол­ностью секвенированных индивидуальных геномов (генотипов), которые можно будет сравнить на предмет мутаций. А лет через десять этих геномов будет уже миллион. «Отрицательный отбор распространен на несколько порядков больше, чем поло­жительный. Поэтому рассуждения о том, что через какое-то время за счет положи­тельного отбора у нас будет огромная го­лова и маленькие руки и все мы будем очень умными и т.д., — это всё предмет научной фантастики», — уточняет Алексей Кондрашов. А вот что у нас будет со здоровьем — это вопрос. Впрочем, через десять лет на него можно будет ответить более-менее точно, потому что мы сможем количествен­но оценить происходящие в человеческой популяции изменения.

Про риски позднего отцовства

Повторим, что скорость мутаций у чело­века, как подсчитали генетики, равна при­мерно 10^—8 на поколение на один нуклеотид. Но интересно, что мужчины и женщи­ны вносят разный вклад в мутации своих детей. А именно, от отца ребенок получает в несколько раз больше мутаций, чем от матери. Первым, кто показал эту разни­цу, был английский генетик Джон Бёрдон Сандерсон Хóлдейн (John Burdon Sanderson Haldane), один из создателей синтетической теории эволюции. Он исследовал генетику гемофилии — наследственного заболева­ния, выражающегося в несвертываемости крови. Известно, что ген — виновник гемо­филии — находится на Х-хромосоме. Поэто­му женщины, несущие дефектную по этому гену Х-хромосому, не страдают от гемофи­лии, так как компенсируют его нормальным геном на парной Х-хромосоме, но сыно­вьям передают свою Х-хромосому вместе с заболеванием. Но вопрос состоит в том, где возникает данная мутация, в женских или мужских половых клетках? Холдейн рассмотрел оба варианта и, сравнивая их вероятность, пришел к выводу, что боль­шинство мутаций по гемофилии возника­ет в половых клетках мужчины. Женщина-носительница получает эту мутацию от сво­его отца и передает ее своему сыну, кото­рый и заболевает.

Позже исследователи проанализиро­вали еще несколько наследственных за­болеваний, связанных с Х-хромосомными генами, например, множественную эндо­кринную неоплазию, акроцефалосиндак-тилию. И оказалось, что в подавляющем большинстве случаев мутация впервые возникает в мужской Х-хромосоме. Как пишет Джеймс Кроу (James F. Crow, ста­тья в PNAS, 1997 год), у высших прима­тов, включая человека, мужских мутаций в среднем в пять раз больше, чем женских.

Причины такого неравноправия в том, что мужские и женские половые клетки образуются по-разному. Предшествен­ники яйцеклеток претерпевают обычное клеточное деление (митоз) только в эм­бриональном периоде. Девочка рожда­ется уже с готовым набором незрелых ооцитов (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 митотически делятся в семенниках начи­ная с полового созревания 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: если ему 18 лет — это по­рядка 100 митозов, если же ему 50 — по­рядка 800 митозов. А чем больше клеточ­ных делений, тем больше репликаций ДНК, тем больше мутаций.

Отсюда вытекает, что на количество му­таций, которые ребенок получает от отца, в большой степени влияет отцовский воз­раст. Этот вывод не нов. Как объясняет Алек­сей Кондрашов, к нему впервые пришел Вильгельм Вайнберг (Wilhelm Weinberg), немецкий врач, один из первооткрыва­телей основного закона популяционной генетики (закона Харди — Вайнберга). Но теперь эту закономерность можно под­твердить прямыми исследованиями, по­скольку стало возможно секвенировать геном и подсчитать число мутаций. В авгу­сте 2012 года в Nature опубликована ста­тья исландских ученых (первый автор — Августин Конг (Augustine Kong)), в кото­рой описаны результаты полногеномно­го анализа 78 семей. В каждой семье секвенировали геном отца, матери и ребен­ка. И, сравнив их между собой, вычислили, сколько новых мутаций приобрел ребенок. Оказалось, что от матери ребенок получа­ет в среднем 15 мутаций, независимо от ее возраста. А от отца — в зависимости от возраста: если отцу 20 лет — 25 мутаций, если 40 лет — 65, а если 50 лет — 85 мута­ций. То есть каждый год жизни отца добав­ляет ребенку две новые мутации. Вывод авторов работы: мужчинам, откладываю­щим рождение ребенка на поздний возраст, стоит пересмотреть свои жизненные пла­ны. А как раз сейчас в мире наблюдается тенденция всё более позднего отцовства. Если в 2004 году средний возраст отцов составлял 35 лет, то в 2007 году он уже по­дошел к 40 годам. Почти у каждого деся­того новорожденного папа старше 50 лет.

Чем больше мутаций, тем больше среди них вредных, ассоциированных с болезня­ми. В нескольких исследованиях получены данные, что позднее отцовство грозит ре­бенку риском неврологических и психи­ческих заболеваний. Так, по данным, полученным в Институте мозга в Квинсленде, дети 50-летних отцов вдвое чаще стра­дают шизофренией и аутизмом, чем дети 20-летних отцов. В эксперименте на мы­шах ученые продемонстрировали, что у по­томства старых самцов мутировали гены, которые у человека связаны с шизофре­нией и аутизмом. А по данным исследо­вателей из Тель-Авивского университета, у отцов в возрасте 55 лет и старше в пять раз выше вероятность родить ребенка с синдромом Дауна, на 37% повышается риск маниакально-депрессивного пси­хоза у ребенка, а каждые последующие 10 лет на 30% увеличивают риск шизоф­рении у ребенка. В работе, опубликован­ной три года назад в Nature, приводятся графики зависимости когнитивных пока­зателей ребенка от возраста родителей. Оказывается, для интеллекта ребенка не­желательна слишком молодая мать — до 20 лет, а в дальнейшем ее возраст прак­тически не влияет на этот уровень. А вот с возрастом отца когнитивные показате­ли ребенка падают: если отцу 60 лет, то ожидаемое умственное развитие ребенка на 5% ниже, чем для 20-летнего отца. Ре­зультатам можно верить, так как они получены на очень большой выборке — бо­лее 30 тысяч детей. Пожилой отец пере­дает ребенку 60 дополнительных мутаций, по сравнению с молодым, уточняет Кондрашов. И это снижает интеллектуальные способности примерно на 5%. Вроде бы немного, но для популяции в целом рас­пространенные малые дефекты гораздо страшнее, чем большие, но редкие дефек­ты. Отбор против слабовредных мутаций у человека практически отсутствует, они уж точно никак не сказываются на коли­честве детей. И как результат — накапли­ваются в популяции.

Возникает вопрос: а как же синдром Да­уна — последствие лишней хромосомы, -вероятность которого, как известно, повы­шается с возрастом матери? По всей ви­димости, это потому, что нерасхождение хромосом происходит при последнем де­лении мейоза, отвечает Алексей Кондра­шов. Напомним, что это деление проис­ходит уже во взрослом организме жен­щины. Но оно может случиться и в спер­матозоиде, и это факт, что какое-то коли­чество синдромов Дауна возникает не от матери, а от отца: «Недавно опубликована статья — взяли 90 индивидуальных спер­матозоидов и просеквенировали их, два из них оказались анеуплоидными — несли лишнюю хромосому. Так что всё это про­исходит постоянно, только мы этого не видим, потому что обычно такие сперма­тозоиды погибают на ранних стадиях».

Ну и что же делать?

Как быть с этой проблемой, вопрос слож­ный, прежде всего потому, что затрагивает этические моменты. «Я принципиально не хочу давать никаких рекомендаций, пото­му что в этических вопросах ученые не об­ладают никаким специальным знанием, — говорит профессор Кондрашов. — Я знаю факты, а что хорошо, что плохо, я знаю или не знаю в той же степени, что и лю­бой другой человек». Применение искус­ственного отбора к людям — это фашизм, и принудительная стерилизация около 400 тысяч человек в нацистской Герма­нии признана преступлением против че­ловечества. Другое дело — генетическое консультирование, которое позволит из­бежать рождения ребенка с наследствен­ным заболеванием, хотя на сегодня таким путем можно отсечь лишь самые тяжелые из них. В будущем, вероятно, про ребен­ка можно будет узнать всё, включая его интеллект и ожидаемую продолжитель­ность жизни.

Возможно, считает Кондрашов, мы когда-нибудь научимся «чистить» геном от вред­ных мутаций, возвращая его в «идеаль­ное состояние»: «Сейчас это звучит как фантастика, но 50 лет назад и секвенирование за две тысячи долларов выгляде­ло фантастикой». По его мнению, чело­вечество столкнется с этой проблемой в ближайшее время и будет вынуждено как-то ее решать. Пока же можно по крайней мере избавить своего ребенка от рисков позднего отцовства — мужчины могут за­мораживать свою сперму в молодом воз­расте, чтобы потом использовать ее, когда понадобится. И в течение всей жизни быть «вечно молодыми» отцами.