Хромосомы и гены совершают ошибки

Что же может произойти в клетке нашего организма? Предупреждаем, что будем пользоваться сугубо ориентировочными цифрами. За единицу наследственной информации можно принять триплет (кодон). Подсчитано, что в ДНК клетки человеческого организма содержатся не менее одного миллиарда таких единиц. Теперь допустим, что при воспроизводстве этого огромного числа клетка под влиянием каких-либо причин допустит десяток ошибок. Одна ошибка на 100 миллионов "штук" выпускаемой продукции, - пожалуй, это можно считать высокой точностью воспроизводства! Такие ошибки, их можно назвать опечатками, заключаются в том, что образуются молекулы ДНК, отличающиеся по какому-либо признаку или показателю от других свойственных данной клетке ДНК. Эти изменения называют мутациями.

Ясно, что каждому мутационному изменению в молекуле ДНК соответствует определенное изменение аминокислотного звена в полипептидной цепи синтезируемого белка. Мутация может привести к образованию таких триплетов, которые вообще не кодируют аминокислот. Поэтому синтез полипептидной цепи обрывается и вместо нее образуются только обрывки. Такие триплеты называют "бессмысленными".

Предположим, что мутация может быть исправлена другой, противоположной по механизму и происходящей по соседству мутацией. Мутация исправляется, например, если поблизости от нее происходят три вставки или три выпадения (ведь это тоже доказывает троичность кода).

Иногда мутации бывают даже полезными для организма, но это случается редко. А вот вредных мутаций хоть отбавляй! Последствия мутаций, когда они происходят в неполовых клетках, не так тяжелы, хотя вопрос этот еще далеко не изучен. Но последствия мутаций в половых клетках могут быть катастрофическими.

Одного французского ученого спросили: как он думает, будет ли человек через 500 лет физически похож на нас? Ученый ответил, что через 500 лет человек будет отличаться от нас так, как мы сегодня отличаемся от коровы.

Конечно, это была шутка! Но если слепо довериться некоторым подсчетам, то можно ожидать, что через 10 миллионов лет благодаря мутациям человек будет иметь совершенно другой облик. Впрочем, природа - запасливый хозяин. Возможно, что не все гены нашей клетки активны. Вернее, активна ничтожная их часть, может быть одна сотая. В этом случае вероятность мутаций настолько падает, что, пожалуй, и миллионы лет не очень-то скажутся на физическом облике наших потомков.

Поскольку речь пойдет о наследственно передаваемых ошибках^*, остановимся еще на нескольких наиболее употребительных терминах, которыми пользуются в науке о наследственности - генетике.

^*(Некоторые ученые считают, что в сформировавшемся организме синтез белков вообще не отличается особой точностью воспроизведения. Здесь возможны случайные мелкие ошибки воспроизведения, которые долгое время не обнаруживают друг друга. Но постоянно накапливаясь, такие ошибки синтеза белков, РНК, ДНК приводят клетку к старению и в конце концов к смерти.)

Гены, определяющие пару контрастных друг к другу признаков, называют аллельными. Аллели способны в результате мутаций переходить одна в другую.

Гамета - половая клетка; зигота - оплодотворенная яйцеклетка. Если соединяются две гаметы, различные по содержащимся в них генам, то оплодотворенную яйцеклетку и развивающуюся из нее особь называют гетерозиготой. Если же сливаются гаметы, совершенно идентичные по содержащимся в них генам, то образуется гомозигота. Когда один из обоих генов аллельной пары преобладает над другим, то этот ген называют доминантным. Аллель, действие которой при этом подавляется, называют рецессивной^*.

^*(Более ста лет назад выдающийся чешский ученый Грегор Мендель назвал доминантным тот признак, который только один проявлялся у потомков из пары контрастных родительских признаков. Он же назвал рецессивным тот признак, который, перейдя к следующему поколению от одного из родителей, исчез. Не зная о существовании хромосом, Мендель сумел сделать вывод о существовании двух наследственных задат ков для каждого признака организма.)

Для наследственности аутосомно-доминантного типа характерна прямая передача болезни от родителей детям. Причем больной родитель в браке как с больпым, так и со здоровым может иметь детей и больных и здоровых. В потомстве от брака больного со здоровым число больных детей в среднем равняется числу здоровых.

При аутосомно-рецессивном типе наследования заболевают дети здоровых родителей. Причем сами больные в браке со здоровыми имеют здоровых детей. Относительно часто больные дети рождаются от родителей, состоящих в кровном родстве. Как правило, рецессивные формы протекают тяжелее доминантных.

Вся хромосома - это цепь линейно расположенных генов, которые способны самостоятельно изменяться - мутировать. Доказано, что в основе перестройки генетического материала, т. е. возникновения мутаций, лежит изменение порядка нуклеотидов. Такая мутация, может изменить самые разнообразные свойства молекулы, слагающейся под управлением гена. И если она изменяет ферментативные свойства, то это может разорвать цепь тех реакций, в которых данный белок-фермент принимает участие. Вот здесь и происходит ошибка обмена веществ со всеми вытекающими отсюда, иногда катастрофическими для организма последствиями.

Попытаемся разобраться в различных возможностях "блокирования" путей, по которым протекают химические превращения в организме. Для этого рассмотрим следующий пример.

Представим себе цепь реакций, в которых принимают участие три фермента, в построении молекул которых по принципу "один ген - один фермент" принимают участие три гена: АБ, БВ, ВГ и три соответствующих фермента.

Если ген ВГ вследствие мутации станет дефектным, это отразится на активности фермента ВГ, и последовательность реакций будет блокирована на участке ВГ:

К каким последствиям это может привести?

1. К заболеванию, вызванному отсутствием продукта реакции Г или веществ, которые должны бы из него образоваться. Примеры - гликогенная болезнь, кретинизм, адреногенитальный синдром или альбинизм.

2. Накопление продукта В, непосредственного предшественника той реакции, которая была блокирована:

Примеры вытекающих отсюда заболеваний - гликогенная болезнь или алкаптонурия (продукт В накапливается в таком количестве, что повышается его выделение с мочой).

3. Накопление продуктов А или Б, "отдаленных" предшественников блокированной реакции:

Клинический пример - болезнь Гирке.

4. Образование продуктов, встречающихся в здоровом организме, но обычно имеющих второстепенное значение. Клинический пример - фенилкетонурия

5. Образование совершенно нового продукта Г¹.

1 Под влиянием различных условий (например, питания) некоторые мутации могут не проявляться у родителей, но наследуются потомками и при "благоприятных" обстоятельствах могут вызвать у них нарушения обмена веществ.

Теоретически это возможно, но практически из известных заболеваний к этому типу приближается только семейный первичный амилоидоз.

6. Наконец ошибка обмена может иметь следствием не блокирование какого-либо участка цепи ферментных реакций, а изменения: скорости этих реакций; природы вещества, ускоряющих (или тормозящих) ферментные реакции; проницаемости клеточных и внутриклеточных оболочек; размещения ферментов и других веществ внутри клетки. И все это может клинически проявляться по-разному.

Как указывает академик Н. П. Дубинин, в ауторепродукции заключен не только механизм воспроизведения молекулярного строя хромосом, имевшего место в родительских клетках, но и механизм, мгновенно закрепляющий всякие молекулярпые преобразования, которые могут возникать в генетическом материале хромосом.

Мутации могут затрагивать всю хромосому или ее значительную часть. Но у человека клетка содержит всего 46 хромосом, и число возможных хромосомных ошибок сравнительно невелико. Но "ошибаться" мoгут и отдельные гены (или их группы), которых сотни тысяч и даже миллионы. Поэтому число возможных генных ошибок фантастически велико и в жизни чаще всего приходится встречаться с последствиями именно генных мутаций. А последствия эти выражаются в наследственном заболевании или в болезни с наследственным предрасположением. О наследственной болезни говорят тогда, когда действие мутантного гена (такой ген называют аномальным) не зависит или мало зависит от его товарищей по работе - других генов и вообще от всяких других влияний. Последствия такой ошибки проявляются у всех (или почти всех) носителей этого гена^*.

^*(Под влиянием различных условий (например, питания) некоторые мутации могут не проявляться у родителей, но наследуются потомками и при "благоприятных" обстоятельствах могут вызвать у них нарушения обмена веществ.)

При заболеваниях с наследственным предрасположением аномальный ген не ведет себя так самостоятельно. На его действии сказываются различные влияния не только других наследственных задатков, но и окружающей среды.

Что является причиной мутации? Возможных причин много, но мнения ученых сходятся в том, что главное из них - действие ионизирующей радиации. Вот почему так опасны ядерные испытания. Они резко увеличивают ту незначительную дозу космического излучения, которую мы получаем. Надо заметить, что, по мнению некоторых ученых, и эта доза, накапливаясь в течение жизни человека, может быть причиной мутации. Вообще проблема действия радиации на наследственность чрезвычайно валена не только для нашего, но и для грядущих поколений. Ген, атом и космос взаимосвязаны. И лучшие умы человечества напряженно изучают эту связь.

Конечно, мутации могут быть и полезными для человека. Скольким мутациям подвергался его организм на протяжении миллионов лет становления человечества! Но большая часть мутаций вредна, хотя и в различной степени. А причиной их возникновения может быть не только ионизирующая радиация, но и различного рода отравления (например, алкоголем), различные инфекционные болезни и другие вредные факторы. В результате науке уже известно не менее 500 наследственных аномалий, вызванных хромосомными мутациями, и более 1500 наследственных аномалий, обусловленных генными мутациями.

Хромосомные и генные аномалии проявляются в нарушении нормального хода химических превращений обмена веществ. Больше того, именно расшифровка химических основ врожденных пороков процессов обмена, выявление химической "поломки" отдельных звеньев процесса обмена белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот, гормонов и т. д. дали возможность утверждать уже теперь, что любое заболевание, врожденное и неврожденное^*, в первую очередь характеризуется тем, что в основе его лежат нарушения процессов обмена веществ на молекулярном уровне. В дальнейшем мы рассмотрим, как протекают эти процессы в здоровом и больном организме.

^*(Конечно, не всякое врожденное заболевание является наследственным (например, врожденный туберкулез, когда происходит внутриутробное заражение плода).)