Mutacijų spalvingumas

Courtesy: National Human Genome Research Institute

Mokslas Mutacijų spalvingumas...

„Mutacija – tai raktas į mūsų evoliuciją. Dėl mutacijų mes evoliucionavome iš vienaląsčių organizmų į dominuojančią planetos rūšį.“ Šitoks mutacijų apibūdinimas skamba filmo „Iksmenai“ įžangoje. Jo herojams išgalvoto „faktoriaus iks“ sukeltos genų mutacijos suteikia supergalių. Tačiau buityje sąvokos „mutacija“, „mutantas“, „mutagenas“ yra, atvirkščiai, interpretuojamos vienareikšmiškai neigiamai, siejamos su išsigimimais ar ligomis. Abu šie požiūriai turi pagrindą.

Odos spalvų įvairovė Afrikos tautose. Šaltinis: University of Pennsylvania puslapis.

Žmonių odos spalva, pavyzdžiui, yra nulemta plačios mutacijų įvairovės. Prieš du milijonus metų ką tik kūno plaukų netekę australopitekai, mūsų Homo genties protėviai, buvo šviesiaodžiai. Manoma, jog mutacijos, nulemiančios tamsią odos spalvą ir atitinkamai geresnę apsaugą nuo ultravioletinių saulės spindulių, išplito gana greitai. Tropikų sąlygomis šios mutacijos suteikdavo „supergalią“, o mutacijos, sąlygojančios šviesesnę odos spalvą, buvo kenksmingos.

Tačiau kai prieš daugmaž 8–10 tūkstančių metų žmonės pradėjo kraustytis į Europą, situacija pasikeitė. Vidutinėse platumose ir juo labiau šiaurėje problema tapo jau nebe kenksmingas ultravioletinės spinduliuotės poveikis, o, atvirkščiai, vitamino D trūkumas, kurio sintezei odoje reikia, kad prasiskverbtų šiek tiek ultravioletinės UVB spinduliuotės. Tada odą „praskaidrinusios“ mutacijos tapo supergalia, o tamsią odą sąlygojančios – atvirkščiai, nepageidaujamomis. Įdomią išimtį sudaro eskimai ir daug kitų šiaurės tautų, kurie yra išlaikę tamsų odos atspalvį, nes pakankamai vitamino D gauna iš žuvies.

Taigi kas yra mutacija? Iš lotynų kalbos išvertus, „mutatio“ reiškia „pokytis“. Terminas „mutacija“ vartojamas ir kitose mokslo srityse, pavyzdžiui, lingvistikoje arba fiziologijoje, berniukų balso pokyčiui apibūdinti. Bet dažniausia žodis „mutacija“ suprantamas vis dėlto kaip genetinė mutacija: paveldimos medžiagos, DNR (arba RNR kai kurių virusų atveju) atsitiktinis ir negrįžtamas pokytis.

Melaninas ir jo netikėti cheminiai broliai

Odos spalvą nulemia pigmentas melaninas. Tiksliau, melanino grupės pigmentai, juk žmonės, ir ypač gyvūnai, už kurių spalvas atsakingi tie patys melaninai, būna ne šiaip šviesesni-tamsesni, o dar ir spalvų įvairove pasižymi. Pagrindiniai pigmentai yra eumelaninas (savo ruožtu skirstomas į juodąjį ir rudąjį eumelaniną) ir feomelaninas – pastarasis yra atsakingas už raudonus atspalvius. Visi jie organizme yra sintetinami iš aminorūgšties tirozino, kurią gauname su maistu arba pasigaminame patys iš kitos aminorūgšties fenilalanino.

Tirozinas šiaip yra labai produktyvus „statybinis kubelis“. Jis, kaip ir kitos aminorūgštys, gali būti įtrauktas į naujų baltymų sudėtį, tačiau gali būti ir chemiškai modifikuotas iki vieno iš daugybės organizmui naudingų ir, spėju, girdėtų junginių, kaip pavaizduota schemoje. Iš tirozino yra sintetinami neurotransmiteris dopaminas, mediatorius adrenalinas, skydliaukės hormonai (tiroksinas, T3), kofermento Q10 pagrindas. Ir, taip, įvairiaspalviai mūsų melaninai.

Tirozino metabolizmo schema.

Ir čia prieiname prie klausimo: o kaip ląstelė susigaudo, kokį sintezės kelią pasirinkti? Kaip pasigaminti būtent reikiamą melaniną ir neleisti cheminėms reakcijoms pasukti, tarkim, jaudinančiojo adrenalino keliu? O kaip tik tam mums ir reikalingi genai. Tiksliau, dalis genų, kurių koduojami baltymai yra fermentai: tokios labai išraitytos formos molekulės, kurios pagriebia mažesnes molekules – tiroziną, mūsų atveju, ir leidžia jam dalyvauti tik tokioje cheminėje reakcijoje, kur jis virs melaninu. Arba tarpiniu produktu tarp tirozino ir melanino, kurį savo ruožtu pagriebs kiti fermentai ir palydės per reikiamų reakcijų grandinėlę iki melanino. Be to, fermentai šimtais ir net tūkstančiais kartų tas reakcijas pagreitina, todėl melaninas sintetinamas nepalyginamai greičiau, nei mums tektų laukti, praskiedus tirozino miltelius mėgintuvėlyje ir liūdnai ilgai stebint, kol jis virs melaninu savaime.

Visos vieno žmogaus ląstelės turi tą patį DNR rinkinį, 46 chromosomas. Tad kaip jos susigaudo, kuriai ląstelei sintetinti melaniną, o kuriai – adrenaliną? Atsakymas yra: neužtenka šiaip turėti genus, reikia dar, kad jie būtų aktyvūs. Virėjas turi storą receptų knygą, bet gamina pietums tik pagal kelis receptus, kurie yra atversti. Taip ir skirtingose ląstelėse yra „atversti“ skirtingų genų puslapiai. Antinksčių ląstelėje yra atversti adrenalino recepto puslapiai, ir pagal genų instrukcijas yra surenkami fermentai, kurie nukreips cheminę sintezę adrenalino keliu. O melanocite, pigmentinėje odos ląstelėje, yra atversti melaninų sintezės puslapiai ir gaminami melaninai.

Trumpas filmukas apie tai, kaip gaminamas melaninas ir susidaro mūsų odos spalva.

Taigi, pagaliau, apėję ratą ir pasigrožėję cheminių reakcijų įvairove, grįžtame prie melanino sintezės, ją laiminančių fermentų ir tų fermentų genų mutacijų.

„Science“ žurnale neseniai paskelbtame tyrime, kuriam vadovavo mokslininkė Sarah Tishkoff, buvo ištirta virš 1500 afrikiečių genomų. Be kitų klausimų ir problemų, kuriems išspręsti buvo renkama genetinė informacija, ieškoma buvo ir genomo variacijų, kurios koreliuotų su skirtinga odos spalva. Ir buvo rasti keli pagrindiniai genai, kurių pakitimai siejami su odos spalvos pokyčiu. Visi tie pakitimai priskiriami vieno nukleotido polimorfizmo tipui – tai yra, vos vieno nukleotido, geno „raidės“ (A, T, G arba C, kaip prisimenam iš mokyklos, kurios reiškia skirtingus monomerus nukleotidus, cheminius junginius, iš kurių yra sudaryta DNR grandinė) pakeitimas kita. Tokio pakeitimo šiuo atveju pakanka, kad gautume ryškų efektą.

SLC24A5 mutacijos arba kaip dėl vieno šratelio visa mašina išklera

Vienas tų genų, pavadinimu SLC24A5, buvo gerai žinomas ir iš ankstesnių tyrimų. SLC24A5 baltymas yra atsakingas už jonų balanso palaikymą melanosomose: specialiuose ląstelės „organuose“, kur vyksta melaninų sintezė. Vienos raidės pakitimas šio baltymo geno sekoje ir atitinkamo vienos, bet kritinės aminorūgšties pakitimo pačiame baltyme pakanka, kad SLC24A5 gerokai prasčiau susitvarkytų su savo balanso palaikymo funkcija, dėl ko melanino yra sintetinama mažiau. Virš 98,7 procentų Europos tautų žmonių turi „pagadintą“ SLC24A5 geną, ir atvirkščiai, virš 93 procentų Užsachario Afrikos tautų turi aktyvų, gausią melanino produkciją sąlygojantį geną (arba, žiūrint šiaurėcentriškai, „pasenusį“ geną, dėl kurio gaminama nenormaliai daug melanino ir nėra gyvenimo saulės trūkumo sąlygomis).

Tokio tipo mutacijų, kai vieno nukleotido pokytis sukelia atitinkamą baltymo aminorūgšties pokytį, o tas pokytis savo ruožtu keičia baltymo funkcionavimą, yra žinoma gana daug. Žinome mutacijų ir pagerinančių pradinį variantą, pavyzdžiui, pagerinti alkoholio metabolizmo fermentai, ir neutralių, neturinčių pastebimos įtakos, bet daugiau vis dėlto žinome pabloginančių, kaip ką tik aprašyta SLC24A5 mutacija. Kaip pagal šį pavyzdį matome, pablogintas fermentas nebūtinai reiškia pablogintą gyvenimą tam tikromis sąlygomis. Tačiau kartais mutacija reiškia jokiomis sąlygomis nepadedančią objektyvią ligą. Vadovėlinis pavyzdys yra liga fenilketonurija. Tai yra liga, kurią sukelia fermento ilgu pavadinimu fenilalaninhidroksilazės mutacijos, neretai būtent tokios, apie kurias dabar kalbame: vos vienos „raidės“ mutacijos. Ką daro tas fermentas, pavadinkime jį sutrumpintų vardu PAH? Man dabar labai paprasta bus paaiškinti, teturėsiu pakartoti jau rodytą schemą:

Fenilalaninhidroksilazės (PAH) vieta fenilalanino ir tirozino metabolizme.

PAH fermentas katalizuoja, tai yra nukreipia ir pagreitina fenilalanino virtimą tirozinu. Ir jeigu PAH yra nefunkcionalus, matote, kiek iš tirozino gaminamų medžiagų organizmui trūksta: svarbūs hormonai, neuromediatoriai, pigmentai. Be to, susidarantis fenilalanino perteklius organizmui yra toksiškas. Fenilketonurija pasireiškia protine negalia, nervų sistemos pažeidimais. Pagrindinė gydymo strategija yra speciali dieta, kurios ligoniai turi laikytis visą gyvenimą nuo pat gimimo: produktai, kuriose nėra arba kiek įmanoma yra sumažintas fenilalanino ir bendras baltymų kiekis, dažnai tiesiog specialūs tokiems ligoniams pagaminti produktai. Lietuvoje yra pakankamai aukštas fenilketonurija sergančių dažnis, 1 iš 9000 vaikų gimsta su fenilketonurija. Yra įvairių fenilketonurijos formų, kurių sunkumas priklauso nuo PAH geno pažeidimo masto, bet dažnai tokiam visą gyvenimą apverčiančiam sutrikimui išsivystyti užtenka vos vienos „raidės“ klaidos.

Bet grįžkime po šito šiek tiek liūdnesnio lyrinio nukrypimo prie mūsų pagrindinės, ne tokios dramatiškos temos. Taigi šnekėjome apie SLC24A5 geno mutaciją, būdingą europiečiams ir koreliuojančią su šviesia odos spalva. Manoma, jog vien ši mutacija paaiškina 25–38 procentus odos spalvos skirtumo tarp europiečių ir Užsachario afrikiečių. Būtent Užsachario, nes, kaip parodė Sarah Tishkoff ir jos kolegų tyrimas, kuriuo aš čia laisvai remiuosi, nemažai daliai Etiopijos ir kitų Šiaurės Rytų Afrikos regionų gyventojų ši mutacija irgi yra būdinga, dėl gausios migracijos iš Artimųjų Rytų. Bet vien šios mutacijos visiškai šviesiai odos spalvai išsivystyti nepakanka. Nes, kaip gal jau matosi iš mano pasakojimo, odos pigmentų sintezė yra sudėtingas procesas, reguliuojamas įvairių genų įvairiose stadijose, ir galutinę odos spalvą nulemia jų veiklos suminis efektas.

MFSD12 – svarbi ne tik kokybė, bet ir kiekis

Naujos mutacijos, susijusios su ypač tamsia odos spalva, buvo aptiktos gene MFSD12. Šis atradimas atnešė kelis įdomumus. Visų pirma, kol kas neaišku, kaip šio geno koduojamas baltymas yra susijęs su melanino sinteze. Jau esu šiek tiek paaiškinusi, jog melanino sintezė – daugiapakopis procesas, kuriame dalyvauja daugybė fermentų ir pagalbiniai baltymai, kaip ankstesnis herojus SLC24A5. Tai va, pasirodė, jog šis procesas realiai yra dar sudėtingesnis ir įtraukia daugiau dalyvių.

Kitas įdomumas yra tas, jog aptiktos mutacijos paties baltymo nepažeidžia. Jau susipažinome su mutacijomis, kurios baltymą pakeičia. Tačiau šiuo atveju mutacija nepaliečia patį baltymą koduojančios sekos. Ji yra aptikta geno aktyvumą reguliuojančioje sekoje, kurios sudėtis apsprendžia, kokiomis sąlygomis šis genas, instrukcija baltymo gamybai, bus nuskaitytas.

Primenu mokyklinius pagrindus: baltymai yra sintetinami ne tiesiogiai nuo DNR, o nuo DNR yra nuimama kopija RNR forma. RNR šiek tiek skiriasi nuo DNR chemine sudėtimi, tačiau susidaro tokiu pat principu iš keturių nukleotidų ir tiksliai nukopijuoja DNR seką. O pagal RNR matricą jau yra sintetinamas baltymas. Minėtas geno aktyvumas/neaktyvumas (moksliškai vadinamas geno išraiška arba geno ekspresija), „recepto skaitymas“, ir reiškia, jog nuo geno yra/nėra sintetinama RNR, kuri jau tarnauja kaip instrukcija baltymo gamybai. O kokiomis sąlygomis prie duotojo geno prisijungia specialus kompleksas sintetinantis RNR, apsprendžia reguliuojančios sekos, esančios šalia koduojančios geno dalies. Taip pat paprastai kuo daugiau RNR kopijų bus pagaminta, tuo daugiau turėsime reikiamo baltymo.

Taigi, MFSD12 geno atveju mutacijos buvo aptiktos būtent reguliuojančioje sekoje. Esant šioms mutacijomis, RNR sintezės kompleksas jungiasi prie jos prasčiau, reikiamos RNR, o atitinkamai ir baltymo pagaminama mažiau. Šitaip dėl mutacijos pats baltymas lieka nepakeistas, tačiau pasikeičia jo kiekis.

Kaip minėjau, mokslininkai kol kas nežino, ką konkrečiau MFSD12 melanino sintezei padaro, bet yra nustatę, kaip pasireiškia jo įtaka. Pasirodo, šis genas yra gana senas, būdingas visiems stuburiniams. O reiškia, galime ištirti jo mutacijų įtaką laboratoriniams gyvūnams. Užblokavus MFSD12 zebrinėje danijoje (populiari laboratorinė žuvelė) arba pelėse, buvo gautas vienodas efektas: gelsvų ir rausvų atspalvių praradimas, kas rodė, jog MFSD12 reikalingas feomelanino, atsakingo už šiuos atspalvius, gamybai. Lygiagrečiai MFSD12 blokuoja eumelanino, juodojo pigmento gamybą.

Eksperimentai su gyvūnais atitiko žmonių genetinių tyrimų duomenis. Mutacijos reguliuojančioje srityje ir sumažėjęs MFSD12 kiekis būdingas tautoms, kurios turi ypač tamsią odą. Tai yra, esant nedaug MFSD12 beveik nesigamina feomelaninas, užtat prigaminama daug tamsinančio eumelanino.

Dar vienas įdomumas: tos pačios MFSD12 mutacijos būdingos ne tik Užsachario Afrikos, bet ir kai kurioms Pietų Azijos tautoms, Australijos aborigenams ir melaneziečiams. Šis atradimas verčia peržvelgti hipotezę, jog žmonių migracija iš Afrikos vyko viena didele banga į Europą ir į Aziją vienu metu – nors galimai europiečiai tiesiog visiškai prarado tamsią odą suteikiančią MFSD12 mutaciją per evoliucinę atranką.

Mutacijų, kurios veikia tokiu pat principu, kaip aptariama MFSD12 mutacija –  tai yra, pažeidžia ne patį baltymo geną, o jo aktyvumą reguliuojančią seką, mes žinome mažiau, nei baltymą pažeidžiančių mutacijų. Mokslininkai tik palyginus neseniai pradėjo suprasti, kaip reguliuojamas genų aktyvumas, kam reikalingos didžiulės baltymų nekoduojančios sritys DNR sudėtyje ir, atitinkamai, kodėl verta atkreipti dėmesį į mutacijas jose. Bet jau pakankamai nemažai panašių mutacijų žinome, pavyzdžiui, įvairių vėžinių susirgimų atveju.

HERC2 ir OCA2 – kaimynui ir mutacijos negaila

Ir, pagaliau, dar vienas genas ir pavyzdys. Tiksliau, du genai šiuo atveju: HERC2 ir OCA2, labai kuriozinė porelė. Jau prieš kelis metus buvo atrasta, jog mutacija HERC2 gene koreliuoja su mėlyna akių spalva. Bet HERC2 funkcija neturi nieko bendro su akių spalva. Užtat labai svarbus melanino sintezei ir akių spalvai yra OCA2 genas, DNR grandinėje esantis šalia HERC2. Taigi turim gana retą atvejį, kai mutacija viename gene taip keičia DNR grandinės architektūrą, kad yra apsunkintas priėjimas prie kito šalia esančio geno. Šią mutacija HERC2 gene turi visi ar beveik visi mėlynakiai europiečiai.

Mūsų vis dar nagrinėjamame tyrime buvo aptiktos naujos mutacijos ir HERC2, ir pačiame OCA2 gene.  Viena iš ištirtų mutacijų pačiame OCA2 gene būdinga šviesiausia Afrikoje randama odos spalva pasižyminčiai bušmėnų tautai, gyvenančiai pietinėse Afrikos šalyse – o taip pat bent 70 procentų europiečių. Skamba netikėtai? Bušmėnai yra vadinami viena iš „protėvinių grupių“ – žmonių grupių, kurios dėl ilgos izoliacijos išlaikė labai archaišką genomą. Ši mutacija, manoma, atsirado net prieš milijoną metų, o taip rimtai paplito ir pravertė gerokai vėliau. Kad būtų aiškiau, kaip tą milijoną metų vertinti žmogaus evoliucijos skalėje, primenu, laikoma, jog iš australopitekų mūsų gentis Homo išsivystė maždaug prieš du milijonus metų, o mūsų protėviai ir neandertaliečiai išsiskyrė daugmaž prieš 800 tūkstančių metų.

Mutacijų įtaka odos spalvai. Iš kairės – bušmėnų moteris, OCA2 mutacijos nešiotoja; iš dešinės – modelis iš Senegalo Khoudia Diop, ryški MFSD12 mutacijos atstovė. Šaltiniai: eNCA.com,  Khoudia Diop instagram

Jeigu jau prakalbome apie skaičius, tai iš aptartų šiame tekste ypatingai tamsią odą sukelianti mutacija MFSD12 atsirado kažkur prieš pusę milijono metų. SLC24A5 mutacija, irgi europietiškos šviesios odos, atvirkščiai, yra visai šviežutėlė, seniausia randama vos prieš trylika tūkstančių metų, bet išplito tik prieš aštuonis tūkstantmečius, daugmaž kartu su ar truputį aplenkdama žemdirbystę. O ta kuriozinė mėlynų akių HERC2 mutacija – daugmaž prieš dešimt tūkstančių metų. Ir kadangi panašu, jog tai yra būtent vienos mutacijos nulemtas požymis, tai vyrauja hipotezė, jog visi Europos ir iš Europos kilę mėlynakiai turi vieną bendrą prieš dešimt tūkstančių metų gyvenusį protėvį-mutantą. Arba mutantę.

Supergalia ar trūkumas?

Ir pabaigai grįžtant prie to, nuo ko pradėjome: mutacijos yra vis dėlto yra gerai ar blogai, supergalia ar trūkumas? Aišku, smagiau aptarinėti „gerąsias“ mutacijas, bet tenka pripažinti: apie 70 procentų genetinių mutacijų, atsitiktinių negrįžtamų DNR pakitimų baigiasi, manoma, vis dėlto blogai. Didžioji dalis likusiųjų yra neutrali ir daugmaž atsitiktinai pasiskirsto populiacijoje, ir tik nedidelė dalis anksčiau ar vėliau suteikia kokios nors naudos.

Bet kaip tu kartais tą naudą apibrėši? Kokia apčiuopiama biologinė nauda iš mėlynų akių? Mažiau melanino ir šviesesnė oda? Bet, kaip matome, ne nuo vieno geno ta šviesi oda priklauso. Tad neatrodo nei absurdiška, nei nemoksliška, nes juo labiau nematyta gamtoje versija, jog mėlyna akių spalva paplito, nes žmonėms ji paprasčiausia atrodė graži.

Techo naujienos į Jūsų el. pašo dėžutę: