Inne wpisy z tej serii
Część 1: Prolog
Część 3: Dobór naturalny, nasz wróg i przyjaciel
Część 4: Jak żyć z doborem?
Część 5: Inne mechanizmy zmian
Część 6: Podsumowanie

Doskonałość niedoskonała

Dziedziczna informacja zawarta w DNA jest bezcenna: zawiera przepis na to, jak przeżyć, mieć potomstwo i przekazać mu ten sam przepis. Dzięki temu życie toczy się dalej przez tysiące, miliony i miliardy pokoleń. Powielanie (replikacja) DNA to proces tak ważny, że już w najwcześniejszej historii życia na Ziemi rozwinęły się wyrafinowane mechanizmy biochemiczne zapewniające jego niezawodność. Enzymy odpowiedzialne za powielanie DNA popełniają błąd mniej więcej raz na 100 mln kopiowanych par zasad azotowych, z których zbudowane są nici kwasów nukleinowych. Wyjaśnię przy okazji powszechnie używaną notację: jedna para zasad (po angielsku base pair) to 1 bp. Do skrótu „bp” można dodawać prefiksy takie jak k (kilo), M (mega) i G (giga). Zatem jedem błąd popełniany jest średnio raz na 10⁸ bp, czyli 100 Mbp lub jeśli kto woli, 0,1 Gbp. Już w trakcie replikacji zachodzi „autokorekta” usuwająca od razu ogromną większość popełnionych błędów, a tuż po syntezie DNA sprawdzane jest dodatkowo właściwe sparowanie zasad. Skuteczność mechanizmów wykrywania i naprawy błędów wynosi ok. 99%. Po uwzględnieniu tego faktu można oszacować, że maszyneria kopiująca DNA popełnia błąd raz na 10 mld nukleotydów (10 Gbp). Można to obrazowo porównać do popełnienia jednej literówki przy kopiowaniu treści wszystkich książek w bibliotece zawierającej dwadzieścia tysięcy tomów.

Ludzki genom diploidalny (czyli z podwójnym kompletem chromosomów) zawiera ok. 6 Gbp. Jeśli powielimy go raz, to prawdopodobieństwo popełnienia jakiegokolwiek błędu kopiowania wynosi 0,6. A zatem niezawodność replikacji jest prawie doskonała. To ważne, bo gdyby nie była, gromadzenie się błędów zbyt często prowadziłoby do syntezy wadliwie funkcjonujących białek. Gdyby jednak była absolutnie doskonała, genomy potomków byłyby zawsze idealnie takie same jak genom przodka. Życie mogłoby się powielać bez końca (a ściślej mówiąc, do wyczerpania zasobów swojego środowiska), ale nie ulegałoby zmianom, a w każdym razie nie zachodziłyby zmiany dziedziczne. Doskonale powielające się bakterie pozostałyby po wsze czasy tymi samymi bakteriami. Na szczęście w prawie doskonałym systemie pozostała maleńka szczelina umożliwiająca ewolucję.

Jak zostajemy mutantami

Człowiek nie jest bakterią. Nasz genom nie jest po prostu replikowany z pokolenia na pokolenie. Nasze DNA pochodzi niemal w równych częściach z dwóch gamet: plemnika otrzymanego od ojca i komórki jajowej otrzymanej od matki. Gamety są haploidalne (zawierają po jednym komplecie chromosomów). W wyniku ich połączenia powstaje diploidalna zygota. Gamety wywodzą się z wyspecjalizowanych komórek linii płciowej, których zadaniem jest przygotować materiał genetyczny przekazywany kolejnemu pokoleniu. Reszta naszego ciała zbudowana jest z komórek somatycznych (rozwijających się w różny sposób w różnych tkankach). Ich podziały komórkowe dochodzą w życiu osobniczym do kresu, a ich DNA nie jest przekazywane potomstwu.

W przypadku żeńskich komórek linii płciowej w każdym kolejnym pokoleniu pomiędzy stadium zygoty a powstaniem komórki jajowej zachodzi około 30 podziałów mitotycznych (replikacji ulega genom diploidalny) i jeden podział mejotyczny (powstają wówczas haploidalne komórki jajowe). Mejoza będąca zwieńczeniem tego rozwoju zaczyna się już w okresie prenatalnym (w szóstym miesiącu życia płodowego), ale zostaje zahamowana przez specjalny czynnik białkowy. Odblokowanie i dokończenie mejozy następuje dopiero podczas owulacji u dojrzałej płciowo kobiety. Natomiast w przypadku męskich komórek linii płciowej podziały mitotyczne mogą zachodzić przez całe życie ich producenta. Zanim w drodze mejozy powstaną z tych komórek plemniki, liczba podziałów osiąga kilkaset (tym więcej, im starszy jest mężczyzna). Przy każdym podziale kopiowany jest cały genom.

Skutek tych podziałów jest taki, że genom nowo powstającej zygoty różni się od obu zygot, z których rozwinęli się rodzice. Różnic jest znacznie więcej w DNA przekazanym przez ojca, bo powstanie plemnika wymaga większej liczby podziałów komórkowych. Każda różnica jest skutkiem nienaprawionego błędu kopiowania, czyli mutacji. Można oszacować, że u każdego z nas pojawia się ok. 100 punktowych mutacji, których nie było pierwotnie ani u matki, ani u ojca. Mówię tu tylko o linii komórek, które przenoszą DNA z pokolenia na pokolenie. Oczywiście w komórkach somatycznych (które w końcu giną bezpotomnie wraz z nami) też często zdarzają się mutacje i uszkodzenia DNA, nie są one jednak dziedziczne. Liczba podana wyżej jest dość umowna, bo indywidualna zmienność jest duża: mutacji może być ok. 60, ale też więcej niż 100). Proponuję ją potraktować jako orientacyjne przybliżenie wartości średniej. Takie tempo mutacji u człowieka i jego bliskich krewnych potwierdzają oszacowania dokonywane innymi metodami. Zastanówmy się, czy 100 nowych mutacji to dużo, czy mało.

Około 90% naszego DNA ewoluuje neutralnie, czyli nic nie świadczy o tym, żeby jego sekwencja była zachowywana przez dobór naturalny. Można wobec tego przyjąć, że mniej więcej 90 spośród 100 „nowych mutacji” nie ma zauważalnego wpływu na nasze przeżycie i sukces reprodukcyjny. Natomiast pozostałe 10 może mieć taki wpływ. Średnio jedna z nich może spowodować zmianę składu białka kodowanego przez jeden z naszych genów (to znaczy jeden z aminokwasów w łańcuchu białka zostaje zastąpiony przez inny) albo zmianę sekwencji funkcjonalnego RNA. Pozostałe mogą wpływać na procesy takie jak regulacja ekspresji genów. W każdej haploidalnej połówce genomu mamy po ok. 20 tys. genów kodujących białka – w genomie diploidalnym łącznie 40 tys. Jedna mutacja w takiej masie genów wydaje się drobiazgiem, ale to właśnie dzięki kumulacji takich drobiazgów różnimy się od bakterii.

Oprócz mutacji punktowych (czyli zwykłych błędów kopiowania) istnieje jeszcze wiele innych typów mutacji – znacznie rzadszych, ale zarazem powodujących poważniejsze skutki. Krótki fragment sekwencji DNA może zostać utracony albo wklejony gdzieś, gdzie go wcześniej nie było (takie mutacje nazywamy indelami, jeśli dotyczą sekwencji nie dłuższej niż 50 bp). Mogą wystąpić zaburzenia struktury chromosomów, np. utrata (delecja), podwojenie (duplikacja), obrócenie (inwersja) lub przemieszczenie (translokacja) ich większych fragmentów, zawierających kompletne geny. Transpozony, czyli wirusopodobne „geny skaczące” mogą wycinać się z jednego miejsca w genomie i przenosić w inne lub tworzyć własne kopie wklejane w różnych lokalizacjach. We wpisach poświęconych wirusom zwracałem uwagę, że od czasu do czasu jakiemuś retrowirusowi udaje się zainfekować komórki linii płciowej i wkleić do ich genomów swoje DNA z genami pochodzenia wirusowego. Gdy taki „retrowirus endogenny” traci zdolność do przechodzenia w postać zakażającą, zdarza się, że pozyskane w ten sposób geny przydają się do czegoś swojemu nowego właścicielowi. W skrajnych przypadkach całe chromosomy mogą się łączyć, dzielić, zanikać itp. Zdarza się także poliploidyzacja, czyli zwielokrotnienie pełnego zestawu chromosomów wskutek nieprawidłowego przebiegu mitozy, mejozy lub zapłodnienia. U zwierząt tak drastyczne przekształcenia genomu prawie zawsze prowadzą do śmierci, chorób lub bezpłodności dotkniętego nimi osobnika, ale i tu ważny jest przysłówek prawie, bo zwielokrotnienia całego genomu zdarzały się kilkakrotnie u naszych dalekich przodków.

Mutacje na dobre i na złe

Podsumowując: każdy przeciętnie zdrowy, zdolny do spłodzenia potomstwa przedstawiciel Homo sapiens jest w porównaniu ze swoimi rodzicami mutantem – nosicielem ok. 100 nowych mutacji. Kilka z nich ma wpływ na cechy fenotypu i może mieć wpływ (czasem pozytywny, ale najczęściej negatywny) na życie, zdrowie i płodność swojego nosiciela. Liczba ta nie zmieniła się znacząco przez ostatnie kilkanaście milionów lat naszej ewolucji. Pod tym względem pozostajemy statystycznie typową małpą człekokształtną. Mutacje w komórkach linii płciowej są głównym paliwem ewolucji. Mamy tego paliwa co najmniej tyle samo, co szympansy, goryle i inni nasi bliscy krewni. Mutacje nadal pojawiają się w tempie, w jakim zachodziły, zanim powstał nasz gatunek; może ich nawet być znacząco więcej u ludzi w społeczeństwach industrialnych, narażonych na różnego rodzaju czynniki mutagenne (promieniowanie, mutageny chemiczne, łatwo przenoszące się retrowirusy).

Zauważmy, że współczesna populacja ludzka jest nietypowo liczna, a ściślej mówiąc, jesteśmy poważnym pretendentem do tytułu najliczniejszego gatunku ssaka. Chyba tylko szczury wędrowne i myszy domowe mogą sezonowo rywalizować z ludźmi pod tym względem. Kilka innych gatunków gryzoni, nietoperzy oraz udomowionych parzystokopytnych może mieć populacje liczące ponad miliard osobników, ale są to przypadki wyjątkowe. Konsekwencje są interesujące. Jeśli jest nas ponad 8 miliardów, a każdy z nas wypróbowuje na własnej skórze około setki punktowych mutacji, to można mieć pewność, że w każdym pokoleniu dosłownie każdy nukleotyd w ludzkim genomie ulega przypadkowej zamianie na inny u jakichś przedstawicieli naszego gatunku w jakimś zakątku Ziemi. Więcej ludzi – to z punktu widzenia ewolucji większy poligon doświadczalny do testowania nowych mutacji. Większość z nich jest obojętna dla naszej kondycji, część upośledza nas na różne sposoby, ale niektóre mogą zapewniać swoim nosicielom potencjalną korzyść przystosowawczą. Pytanie tylko, czy działa jakiś mechanizm skutecznie premiujący te mutacje, skoro uchodzi za pewnik, że dobór naturalny bardzo osłabił swój nacisk na współczesnego człowieka. Ale o tym porozmawiamy później.

W każdym razie u ludzi współczesnych nadal działa podstawowe źródło zmian ewolucyjnych: różnorodność generowana wskutek gromadzenia się w puli genetycznej gatunku błędów kopiowania. Prawdę mówiąc, lepiej by było dla przyszłych pokoleń, gdyby dobór naturalny jednak działał, bo walcząc z nim i tak w jakimś momencie dochodzimy do ściany. Komfortowe warunki życia i opieka medyczna w społeczeństwach zaawansowanych technicznie pozwalają poszczególnym ludziom funkcjonować normalnie mimo pogarszającego się dostosowania (w porównaniu z jakimś teoretycznym optimum). Przyczyną tego spadku jest akumulacja coraz liczniejszych niepożądanych mutacji, dziedziczonych z pokolenia na pokolenie. Jeśli ten proces (tzw. obciążenie mutacyjne) postępuje i dziedziczny komponent kondycji kolejnych pokoleń ulega statystycznemu pogorszeniu, to sztuczne kompensowanie tego stanu wiąże się z narastającymi trudnościami. Cywilizacja stanowiąca „globalny szpital” chyba nie jest marzeniem ludzkości, tym bardziej że wyścig zbrojeń medycyny z nowotworami, cukrzycą, obniżoną płodnością, zaburzeniami neurorozwojowymi lub zakłóceniami funkcji układu odpornościowego nie prowadzi do ostatecznego zwycięstwa, tylko raczej do połowicznych sukcesów, po których trzeba walczyć nadal ze zdwojonym wysiłkiem.

Przypuśćmy, że białko kodowane przez jakiś gen można za pomocą z pozoru drobnych mutacji przekształcić tak, żeby lepiej spełniało swoją dotychczasową funkcję lub znalazło zupełnie innowacyjne, bardzo pożyteczne zastosowanie. Ewolucja często dokonuje takich sztuczek. Skąd wie, w którym miejscu w nici DNA dokonać właściwego podstawienia? Rzecz w tym, że nie wie. Polimerazy replikujące DNA w ogóle nie interesują się kopiowaną sekwencją; ich zadaniem jest tylko wykonanie jak najwierniejszej kopii. Mutacje nie są wprowadzane celowo; są przypadkowymi błędami, które przypadkowo nie zostały w porę naprawione. Dlatego właśnie mutacje zmieniające skład białka lub wpływające na jego ekspresję są w większości niekorzystne. Ale to nie oznacza, że mutacje są z zasady „złe”. Po prostu mutacje niekorzystne są bardziej prawdopodobne niż korzystne. Majstrując na chybił trafił przy czymś, co było dostrajane do swoich funkcji przez miliony lat, znacznie łatwiej coś zepsuć, niż udoskonalić.

Mutacje są losowe, co nie oznacza, że wszystkie są jednakowo prawdopodobne. Na mapie każdego chromosomu można wskazać regiony i lokalizacje szczególnie podatne na mutacje (tzw. hotspoty, czyli „gorące punkty” zmienności genetycznej). Również prawdopodobieństwo omyłkowej zamiany jednej zasady azotowej na drugą jest różne dla różnych zasad. Losowość mutacji polega na tym, że nie zachodzą one „na zamówienie” (czyli z widokami na przyszłą korzyść). Ich prawdopodobieństwo zależy od wielu czynników, ale nie od tego, czy przynoszą zysk, czy szkodę. To, czy mutacja nieobojętna przystosowawczo jest korzystna (czyli zwiększa prawdopodobieństwo sukcesu reprodukcyjnego), czy wręcz przeciwnie – to okazuje się dopiero w konfrontacji organizmu ze środowiskiem. Jeśli nosiciele takiej mutacji statystycznie skuteczniej powielają swój genotyp (wraz z tą mutacją), przekazując go potomkom, to zmutowany allel wypiera warianty konkurencyjne. Tak właśnie działa dobór naturalny, któremu przyjrzymy się bliżej w kolejnym odcinku.

Lektura dodatkowa

Czy ludzkości grozi obciążenie mutacyjne? Lynch 2016, Genetics 202/3.

Opisy ilustracji

Ryc. 1. Tak, zdaniem sztucznej inteligencji (MS Copilot), próbującej trafić w gust użytkownika, wygląda mutant. Aby zobaczyć prawdziwego mutanta (nosiciela ok. 100 nowych mutacji), wystarczy spojrzeć w lustro.
Ryc. 2. Model cząsteczki hemoglobiny ludzkiej (HbA). W skład hemoglobiny wchodzą dwie podjednostki α (kolor czerwony) i dwie podjednostki β (kolor niebieski). Podjednostka β jest białkiem kodowanym przez gen HBB zlokalizowany na chromosomie 11. Pojedyncza mutacja punktowa w jego obrębie powoduje zmianę jednego ze 147 aminokwasów wchodzących w skład białka (walina zamiast kwasu glutaminowego). Wskutek tego zmieniają się właściwości zmutowanej hemoglobiny (HbS). Na jej powierzchni pojawiają się hydrofobowe “lepkie” miejsca, umożliwiające przy niskiej zawartości tlenu sklejanie się cząsteczek w agregaty, co prowadzi do deformacji czerwonych krwinek (niedokrwistość sierpowata). Czy mutacja powodująca zmianę HbA w HbS jest szkodliwa, czy korzystna? To zależy! Grafika: Richard Wheeler 2007. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY-SA 3.0)