Mutacijos (2): kas, kiek, kodėl?

Science Magazine

Mokslas Mutacijos (2): kas, kiek, kodėl?...

Ankstesniame straipsnyje papasakojau, kokios būna mutacijos ir kaip jos veikia. Tačiau niekaip nepaliečiau klausimo, kaip mutacijos iš principo atsiranda ir plinta.

Priminsiu, jog mutacija yra atsitiktinis negrįžtamas DNR pokytis. Nors ne atsitiktinis, o mokslininkų laboratorijoje tikslingai sukeltas pokytis irgi neretai vadinamas mutacija, tokių tyčinių pokyčių nešėjus stengiamasi vis dėlto vadinti modifikuotais, o ne mutuotais organizmais. Terminas „mutacija“ vartojamas iš dalies dėl to, jog, keičiant DNR laboratorijoje, dažnai siekiama atkartoti ir ištirti gamtoje pasitaikančias mutacijas: kodėl vienos jų niekaip nepasireiškia, o kitos sutrikdo viso organizmo veiklą, kaip, pavyzdžiui, fenilketonurijos liga, apie kurią rašiau ankstesnėje dalyje.

Taip vadinama „Švarcnegerio pelė“, kuriai yra sukelta mutacija miostatino gene, atsakingame už raumenų augimo slopinimą. Tokios genetiškai modifikuotos pelės (dešinėje) raumenų tūris yra 30 procentų didesnis už normalios pelės (kairėje). Šaltinis: MIT Technology Review.

Visi mes mutuosim, bet panikuoti neverta

Mutacija yra atsitiktinis reiškinys. Iš kitos pusės, mes žinome statistinį mutacijų dažnį. Sakydami „atsitiktinis“ mes turime omeny, jog nežinome, kur DNR sekoje įvyks mutacija: tarpe tarp genų ar gene, kokiame konkrečiai gene, kurioje jo vietoje. Bet mes žinome, jog kažkiek mutacijų per tam tikrą laiką konkrečiame organizme įvyks neišvengiamai. Čia kaip loterija: nežinome, kas laimės, bet žinome, kiek bus laimingų bilietų.

Per vieną žmogaus kartą, tai yra, žmogaus lytinėse ląstelėse ir iš jų išsivystančiuose vaikuose atsiranda 10–100 naujų mutacijų (jei dar kruopščiau suvidurkintume – apie 64). Maždaug 20 procentų mutacijų įgyjama iš motinos ląstelės, o likusieji net 80 proc. – iš tėvo.

Mutacija paprastai atsiranda, kai ląstelei dalijantis DNR irgi yra padvigubinama ir pasitaiko, jog DNR yra nukopijuojama su klaida. Kuo daugiau ląstelė pasidalija, tuo daugiau mutacijų joje potencialiai gali atsirasti. O, kaip iš bazinės biologijos turėtų jau visi prisiminti, vienai moters kiaušialąstei apvaisinti vyro organizmas turi pagaminti keliasdešimt milijonų spermatozoidų – tad ir mutacijų neišvengiamai atsiranda daugiau.

Tos vidutiniškai 64 mutacijos tikrai nėra priežastis nerimauti. Visų pirma, žmogaus genomo dydis yra trys milijardai nukleotidų; tikrai maža tikimybė, jog nauja mutacija užtaikys ant reikšmingos vietos. Antra, kenksminga mutacija gali pradėti kenkti jau pačiai lytinei ląstelei, todėl dalis kenksmingų mutacijų yra eliminuojama iš tolesnio proceso – mutuotos ląstelės apvaisinime nedalyvauja ir mutacija toliau neperduodama. Ir, pagaliau, pasitaiko vis dėlto ir naudingų mutacijų.

Pavyzdžiui, 1979 m. į Milano universiteto kliniką buvo atvežtas pacientas iš kaimelio Limone sul Garda. Kraujo analizė rodė, jog pacientui turi būti įsisenėjusi aterosklerozė ir rimtos širdies problemos, bet jokių ligų simptomų nebuvo. Vėliau šiam pacientui ir daliai kitų Limone sul Garda gyventojų buvo nustatyta unikali vieno iš cholesterolio metabolizmo genų APO-A1 mutacija. Išanalizavus genealogiją, paaiškėjo, jog visi šie žmonės yra vienos XVII amžiuje tame pačiame kaimelyje gyvenusios poros palikuonys. Matomai, vienam iš sutuoktinių ir įvyko mutacija, kuriai buvo suteiktas pavadinimas APO-A1 Milano. Nepaisant siaubą medikams sukėlusių kraujo tyrimų rezultatų, šioje giminėje, priešingai, širdies ligos pasitaikydavo dvigubai rečiau, o nemažai jų protėvių mėgavosi ilgesniu, nei tų laikų vidurkis, gyvenimu. Neįprasta medžiagų apykaita saugojo juos nuo širdies ir kraujagyslių ligų. Farmacijos kompanijos, beje, ne vieną dešimtmetį bandė sukurti preparatus, kurių poveikis pamėgdžiotų APO-A1 Milano mutacijos poveikį. Pamėgdžioti tai pavyko, bet laukiamo teigiamo poveikio širdies ligoniams nesukėlė. Sprendžiant iš visko, su tokia medžiagų apykaita reikia gimti.

Kitas įdomus atvejis yra aprašytas JAV. Po automobilio avarijos pas žmogų, įvardijamą kaip Johnas, nebuvo rasta nei vieno lūžio. Be to, rentgenas parodė neįprastai tankius kaulus. Vėliau šiuo atveju susidomėję genetikai atsekė visą Džono giminę, daugeliui kurios atstovų buvo būdingas toks pats padidėjęs kaulų tankis, iki aštuonių kartų viršijantis normalų. Vėliau buvo aptikta dar viena panaši šeima, kurioje niekas per visą gyvenimą nebuvo patyręs kaulų lūžio. Jokių susijusių sveikatos patologijų medikai ir genetikai nenustatė, bet šiokių tokių nepatogumų šita lyg visapusiškai teigiama savybė atnešė. Vienam vyresniam Johno giminės atstovui, pavyzdžiui, iš kelių bandymų taip ir nesugebėjo protezuoti klubo sąnario, nes nepavyko pragręžti kaulo jo įtvirtinimui. Pats Johnas skundėsi, jog neišmoko plaukti, nes „visada akmeniu smigo į dugną“. Mutacija aptikta gene LRP5 – viename iš kaulų vystymosi reguliatorių. Dabar mokslininkai planuoja tikrinti, ar šitą geną aktyvuojančios medžiagos galėtų padėti osteoporozės prevencijai ir gydymui.

Skaitant apie tokius atvejus, susidaro įspūdis, jog iš tikrųjų tokių unikalių ir įdomių mutacijų žmonių tarpe yra nemažai. Juk dažnas gali paporinti apie kažką būdingo jo giminei, kas yra, liaudiškai sakant, „kraujyje“. Reikia tik daugiau smalsių gydytojų ir kitų tyrėjų su galimybe naudotis genomo sekvenavimo įrankiais.

Mūsų asmeninės somatinės mutacijos

Taigi lytinėse ląstelėse įvykusi mutacija gali būti perduota palikuonims. Tačiau mes turime gerokai daugiau kitų ląstelių. Kadangi dauguma jų dažniau ar rečiau dalijasi, jose irgi gali atsirasti naujų mutacijų: kuo dažniau, tuo daugiau. Nes, priminsiu, mutacija paprastai atsiranda, kai ląstelei dalijantis DNR irgi yra padvigubinama ir pasitaiko, jog DNR yra nukopijuojama su klaida.

Rimtos mutacijos išties gali įvykti per žmogaus gyvenimą. Šaltinis: Herta.lt.

Visos kūno ląstelės, kurios nėra lytinės, taip pat ir mutacijos jose vadinamos somatinėmis. Kaip šmaikščiai pavaizduota šioje karikatūroje, mutacijos išties gali vykti ir vyksta „vienos kartos intervale“, žmogaus gyvenimo bėgyje. Ir somatinių mutacijų įvyksta gerokai daugiau nei tų, kurias perduodame savo palikuonims. Tik tai, deja, ne kažkokie patogūs pokyčiai, nulemti mūsų gyvenimo būdo, o, dar kartą primenu, atsitiktiniai pokyčiai. Gera žinia yra, jog somatinė mutacija yra kiekvieno mūsų asmeninė problema, kurios vaikai nepaveldės. Bloga žinia yra ta, jog nėra žinoma atvejų, kad somatinės mutacijos žmogui būtų į gerą. Geriausiu atveju, jos praslysta nepastebėtos, bet pastebimos paprastai dėl jų sukeliamų problemų.

Mūsų kūnas yra sudėtingai organizuota ląstelių bendruomenė. Jei mutacija kenkia ląstelei, ląstelė sunyksta arba yra sunaikinama imuninės sistemos, kurios viena funkcijų yra sunaikinti ląsteles, kurios veikia ne taip, kaip reikia. Tačiau jei mutacija padeda ląstelei geriau augti, daugintis, išgyventi ir dar prasmukti nepastebėtai pro imuninės sistemos kontrolę, ląstelė tą ir daro. Auga, dauginasi, išgyvena. Taip dėl somatinių mutacijų išsivysto įvairūs vėžiniai susirgimai.

Kvėpuoju – reiškia, mutuoju

Šiek tiek apibendrinsiu: mutacija yra atsitiktinis reiškinys, bet statistiškai neišvengiamas. Lytinių ląstelių mutacijas perduodame vaikams. Visų kitų ląstelių mutacijos kaupiasi mūsų kūne ir gali sukelti įvairių negalavimų, iš kurių geriausiai žinomi ir ištirti yra vėžiniai susirgimai.

Aš tyčia vartoju tokį truputį sudėtingesnį terminą „vėžiniai susirgimai“, o ne tiesiog „vėžys“, nes pasakyti „vėžys“ yra tas pats, kaip pasakyti „virusas“. Nepameluosi, tačiau virusas gali būti ir paprastas peršalimas, ir gripas, kurių irgi būna įvairaus bjaurumo, ir koks ŽIV. Panašiai ir su vėžiniais susirgimais: jie gali būti labai įvairios prigimties ir sunkumo. Vieni jų dabar kelia pavojaus ne daugiau už gripą, o kiti iki šiol lieka skausmingos mirties nuosprendžiu.

Bet kaip tada, pasakytų besidomintis skaitytojas, su visais tais patarimais „gyvenk sveikai ir išvenk vėžio“ arba priešingai „tas ar anas sukelia vėžį“? Kaip gali kažkas sukelti vėžį, jei vėžys atsiranda dėl mutacijų, o mutacijos yra atsitiktinis reiškinys? Atsakymas yra: mutacijos – atsitiktinės, bet štai mutacijų dažniui gali turėti įtakos aplinkos faktoriai, daugiausia spinduliuotė ir įvairios cheminės medžiagos.

Vėl priminsiu, jog mutacija paprastai atsiranda, kai ląstelei dalijantis DNR irgi yra padvigubinama ir DNR yra nukopijuojama su klaida. Klaidos gali atsirasti ir atsitiktinai, tačiau prie klaidų atsiradimo prisideda ir įvairios chemiškai aktyvios medžiagos. Juk DNR sudarantys nukleotidai yra cheminiai junginiai, kurie potencialiai gali dalyvauti įvairiose reakcijose. O ląstelė yra vieta, kur cheminės reakcijos virte verda. DNR ne veltui yra atskirta nuo kito ląstelės turinio ląstelės branduolyje, tačiau ir tas neapsaugo jos pilnai. Laikas nuo laiko kokia nors medžiaga prasmunka ir sureaguoja su DNR nukleotidais.

Taip atrodo DNR „raidės“ – nukleotidai (A)deninas, (G)uaninas, (T)iminas, (C)itozinas. Šaltinis: Wikipedia.

Čia toks grėsmingai cheminis paveikslėlis, kurio tikslas nėra atbaidyti jūsų nuo tolesnio skaitymo, o iliustruoti, kaip nukleotidai yra panašūs vienas į kitą: A į G, o T į C. Pažiūrėkite tiesiog, kaip į paveiksliuką, ir pamatysite: atrodo, užtenka prie A pridėti vieną „šakelę“, ir jis gali būti palaikytas G. O, reiškia, kopijuojant DNR vietoje T priešingoje grandinėje gali būti įstatyta C ir voila! – turime mutaciją. Net pati DNR grandinė gali trūkti dėl tam tikrų reakcijų. Tokios reakcijos vyksta ląstelėje ir DNR yra pažeidžiama labai dažnai net visiškai sveikame natūraliame subalansuotame organizme. Nes gyvybei palaikyti mūsų organizmas vykdo daugybę cheminių procesų, kurie balansuoja ties pavojinga riba. Labai pavojinga ir reaktyvi medžiaga, pavyzdžiui, yra deguonis, ir dalis jo ląstelėje neišvengiamai sureaguos ne pagal paskirtį, kvėpavimo reakcijoms, o įsipainios į šalutinius procesus, kuriose pasigamins garsieji laisvieji radikalai – aktyvūs DNR gadintojai.

Taigi DNR pažaidos atsiranda dėl visiškai natūraliai mūsų organizme esančių medžiagų, bet prisideda ir medžiagos, kurias mes gauname su maistu, su vaistais, įkvėpiame. Rentgeno ir radiacinė spinduliuotė irgi prigamina ląstelėse laisvųjų radikalų arba gali pažeisti mūsų DNR net tiesiogiai. Tad, ne, mes negalime visiškai išvengti mutacijų ir vėžio rizikos, tačiau galime bent prevenciškai vengti medžiagų, kurios tą riziką padidina.

Gera, labai gera žinia yra ta, jog DNR pažaida toli gražu ne visada baigiasi mutacija. Priešingai, tik labai maža dalis pažaidų nėra ištaisoma ir baigiasi mutacija. Nes ląstelėje yra visas arsenalas baltymų, kurie taiso chemiškai modifikuotus nukleotidus, užlopija DNR trūkius. Šis procesas yra vadinamas DNR reparacija.

Trumpas filmukas apie DNR reparaciją.

Mūsų DNR reparacijos sistema šiaip veikia labai efektyviai. Tas mūsų vidutinis mutacijų procentas, kurios vis dėlto atsiranda, yra smulkmena, lyginant su tuo, kas galėtų būti. Su tuo „galėtų būti“ medikai susiduria tam tikrų genetinių sutrikimų atvejais, kai pažeista viena ar kita DNR reparacijos sistema. Tokiems žmonėms būdingas ankstyvas senėjimas, jautrumas saulės UV spinduliams, aukštas vėžinių susirgimų dažnis. DNR reparacija gelbsti mus visą gyvenimą, dėl jos ne visi mes nusibaigiame nuo vėžio, o kartais ilgai ir laimingai gyvename ir senstame iki kokios nors kitos ligos.

Mutacijos: neišvengiamas blogis?

Ar įmanoma visiškai apsisaugoti nuo mutacijų arba sumažinti jų dažnį iki vienos kitos? Techniškai, tarp kitko, įmanoma. Mes žinome daugybę organizmų, kurie gyvena ekstremaliomis sąlygomis ir kurių DNR reparacijos sistema yra gerokai pranašesnė už mūsiškę, pavyzdžiui, garsieji lėtūnai vandens meškutės. Arba bakterijos Deinococcus radiodurans, kurios sugeba atlaikyti tūkstantį kartų didesnį radiacijos kiekį, nei žmogus, nemaža dalimi būtent dėl efektyvesnės DNR reparacijos sistemos.

Ir čia kartais kažkiek norisi pasiskųsti gyvenimo neteisybe: kodėl gamta pašykštėjo, kodėl visiems nesuteikė tokios puikios apsaugos sistemos, kodėl turime mutuoti, sirgti ir kentėti? O atsakymas paprastas: o kaip nemutuojant mes taptume tokie, kokie esame? Kaip evoliucionuotume iki žmogaus, o tapę žmonėmis, įgytume visokių naudingų savybių – nuo odos spalvos iki atsparumo ligoms ir galimybės virškinti įvairų maistą? Mutacijos ir jų sukeliamos bėdos yra mokestis už tai, jog esame tas, kas esame.

Techo naujienos į Jūsų el. pašo dėžutę: