Mutacja genetyczna, czyli dzięki czemu istniejesz

Mutacja to takie fajne słowo. Intuicyjnie
ten, kto miał do czynienia z biologią zgadnie, że dosłownie oznacza zmianę. O
ile wcześniej już tego nie wiedział. Nastolatkom kojarzy się ono zapewne
najczęściej z modyfikacją głosu, wyraźną szczególnie u chłopców. Jeżeli czytacie
fantastykę, to prawdopodobnie zwróciliście uwagę na wykorzystywanie motywu
mutanta. Kto grał w pierwszą część polskiej gry Wiedźmin (The Witcher)? Od pewnego momentu fabuły zmutowani stanowią
ważniejszych przeciwników. Temat mutacji genetycznych w kontekście naszego
zdrowia i rozumienia świata, tak rzeczywistego, jak i w ramach szeroko pojętej
kultury i sztuki jest tak istotny, że zdecydowanie warto, a może wręcz należy
orientować się w jego podstawach. Czym więc jest mutacja i
jakie to ma dla nas znaczenie?

Informacja genetyczna

Pixabay

Na początku, by móc zrozumieć
czym są mutacje, trzeba wiedzieć jakie są fundamenty funkcjonowania informacji
genetycznej i jak jest ona zorganizowana. Cząsteczka DNA jest replikatorem –
ulega powielaniu. Jeżeli życie definiujemy m.in. jako byt zdolny do rozmnażania
(co w odniesieniu do organizmów na naszej planecie jest jednym z podstawowych
kryteriów), to by coś było żywe, musi się replikować, tym samym wydając na
świat kolejne pokolenia. Tak też stało się w odległej przeszłości, około 3,6
miliarda lat temu. Z cząsteczek organicznych powstały prareplikatory –
przodkowie DNA. Z odpowiedniego środowiska wyłoniły się także błony
biologiczne, które zostały przez owe powielacze zamieszkane. Podczas każdej
kolejnej replikacji istniała szansa, że nastąpi jakaś podmiana i w danym miejscu
wstawiony zostanie inny pranukleotyd, niż u „rodzica”. Dzięki temu zjawisku
zaczął się proces ewolucji. Prareplikatory, które lepiej się rozmnażały i
skuteczniej wykorzystywały dostępne w środowisku związki azotowe (a robiły to poprawniej dzięki zaistniałym mutacjom), zwiększały udział
swojego „potomstwa” w przyszłych pokoleniach. Proces ten tak samo jak niegdyś
zachodził wśród prymitywnych, samoreplikujących się cząsteczek organicznych,
tak dotyczy nas i dziś. Różnica polega na tym, że nasze DNA schowane jest w
komórkach, które są zabezpieczone w tkankach, te z kolei tworzą narządy,
składające się na cały organizm.

Ktoś mógłby zapytać: ale dlaczego
obecnie nie obserwujemy powstawania takich pierwotnych replikatorów z materii
organicznej? Na to pytanie odpowiecie sobie, jeśli pomyślicie o bakteriach i
ogólnie mikroorganizmach. Kiedy owe nie istniały, nie było czegoś, co mogłoby
rozkładać zaistniałe prareplikatory. Dziś mamy już bakterie, powstałe na skutek
ewolucji tychże, wytworzonych około 3,6 miliarda lat temu. Odpowiedź tę można rozszerzyć
o zawartość tlenu. Jeżeli przyjmiemy, że jego stężenie było na planecie niższe
lub bliskie zeru w momencie powstania prareplikatorów, a pamiętamy
jednocześnie, że tlen to cząsteczka bardzo reaktywna, toksyczna, to zdamy sobie
sprawę z tego, że jego późniejsza obecność mogła uniemożliwić zachodzenie
biogenezy. Przyczyn współczesnego braku obserwacji takich zjawisk może być
zdecydowanie więcej. Na przykład nie dotarliśmy do środowiska, w którym taki
proces mógłby zajść.

Żeby przodkowie DNA mogli zorganizować
się w komórki, tkanki i organy, musieli stworzyć coś, co pozwoliłoby im na
kierowanie swoim rozwojem. Ewolucja takich narzędzi, które nazywamy dziś
ogólnie mechanizmami ekspresji genów (i jej regulacji) nie była rzecz jasna
świadomym planem tychże cząsteczek. Najzwyczajniej te, których mutacje w
kolejnych pokoleniach umożliwiały powstanie takich mechanizmów, a dalej
usprawniały je, były lepiej dostosowane do środowiska. Przetrwały, wydały
liczniejsze „potomstwo” i tym samym następowała dalsza ewolucja procesu
transkrypcji, translacji, zjawisk regulujących ich zachodzenie. Zmieniał się
także kod genetyczny, mówiący
o tym, jaka trójka nukleotydów koduje jaki aminokwas podczas biosyntezy białka
(translacji). Po powstaniu prareplikatorów i prakomórek doniosłym wydarzeniem
było tworzenie kolonii, które, według najbardziej prawdopodobnych hipotez, dały
początek wielokomórkowcom. Te były w stanie specjalizować się w określone
rodzaje komórek (np. mięśniowe czy nerwowe) i dały ogromne możliwości dalszej
ewolucji życia, które obserwujemy każdego dnia przeglądając się w lustrze, a
które z pewnością jeszcze się nie wyczerpały i najpewniej nie mają dna.

Dziś świat istot żywych dzielimy
u podstawy na dwie grupy – jądrowce (eukarionty) i bezjądrowe (prokarionty,
przedjądrowce). Jednym z kolejnych etapów ewolucji mechanizmów panowania nad
informacją genetyczną było z całą pewnością utworzenie jądra. W nim komórka
umiejscowiła to, co najcenniejsze, czyli DNA (lub w przeszłości jego przodka). Obecnie
występuje ono u jądrowców w formie chromosomów. Człowiek ma ich 23 pary. Jeden
chromosom, to jeden łańcuch DNA, nawinięty na białka – histony, wraz z którymi
tworzy chromatynę. Łańcuch ten zbudowany jest z wspomnianych już nukleotydów,
które tworzą określone sekwencje, kodujące białka lub funkcjonalne RNA bądź też będące elementami
niekodującymi, a odpowiadającymi za regulację ekspresji czy pozwalające na alternatywne składanie genów po transkrypcji (ten kawałek wytniemy,
tamten zostawimy, dzięki czemu z jednej sekwencji otrzymamy różne białka) albo
istniejące jako szczątkowe „śmieci” ewolucyjne, nie pełniące żadnej funkcji.

Mutacje genetyczne

Tak jak już napisałem, podczas
podziału komórkowego zachodzi replikacja DNA. W trakcie tego procesu zawsze
istnieje ryzyko, że wystąpi błąd. Kopiując określony fragment chromosomu, enzym
o nazwie polimeraza wstawi nie ten nukleotyd, co trzeba lub jeden nukleotyd nie
zostanie dodany bądź też pojawi się nukleotyd nadliczbowy. To jest właśnie
mutacja punktowa, która powstała w określonym genie. Jeżeli naszej sekwencji
ubędzie więcej, niż jednego nukleotydu bądź też dodatkowe cegiełki zostaną
dodane w nadmiarze, to będziemy mieli do czynienia z mutacją genową. Mutować
mogą także całe chromosomy. Na przykład gdy jakiś fragment chromosomu „pęknie”
i odpadnie, to mamy do czynienia z delecją. Jeśli zostanie nadmiernie
doreplikowany – z duplikacją. Jeżeli odwróci się o 180 stopni to z inwersją.
Gdy zajdzie wymiana fragmentów chromosomów z różnej pary, mówimy o
translokacji. Kawałek jednego chromosomu może też przyczepić się do końcówki
innego chromosomu, a mutację taką nazywamy tandem fuzją. Wreszcie, mamy do
czynienia z mutacjami całych genomów, czego przykładami są trisomie,
tetrasomie, monosomie – nadmiar lub niedobór chromosomów. Występują one na
skutek błędów pojawiających się w trakcie rozwoju plemników lub oocytów, a więc
mutacje pojawiają się zarówno przy podziałach mitotycznych, czyli w komórkach
somatycznych, jak i podczas mejozy, czyli w trakcie gametogenezy, w komórkach
generatywnych (płciowych, rozrodczych).

Wróćmy teraz do szerszego
spojrzenia na kwestię mutacji. Tak jak już padło, są one jednym ze zjawisk
zapewniających zmienność organizmom i tym samym umożliwiającym ewolucję, której
bez przekształceń z pokolenia na pokolenie by nie było. Jeszcze jednym ważnym
czynnikiem zmienności jest rekombinacja (również będąca, nieściśle rzecz
biorąc, mutacją), czyli crossing-over,
zachodząca podczas mejozy, oczywiście u organizmów rozmnażających się płciowo.
Jest to nic innego, jak tasowanie między chromosomami homologicznymi, w wyniku
czego zwiększa się bioróżnorodność. Kierunkowość rekombinacji polega na tym, że
te komórki generatywne, będące po crossing-over,
dostąpią zaszczytu stworzenia zygoty, których właściciele lepiej radzili sobie
w środowisku: skutecznie zdobywali pokarm, unikali wrogów i znaleźli partnera
seksualnego. Trzecim, choć niekoniecznie ostatnim elementem zmienności
genetycznej jest horyzontalny transfer genów, zwany inaczej poziomym. U
zwierząt ma miejsce dzięki wirusom, które przenoszą z jednych organizmów na
drugie jakieś sekwencje DNA, u mikroorganizmów natomiast zachodzi poprzez
koniugację – bakterie wymieniają się sekwencjami informacji genetycznej.
Ponadto gdy bakteria wchłonie określoną sekwencję DNA np. innej bakterii i jej
nie strawi, to ma szansę na włączenie jej do swojego genomu. Pewnego rodzaju
zmienność zapewnia także wzór metylacji DNA, jego dziedziczenie i modyfikacje na
skutek oddziaływania czynników środowiskowych.

Podstawową przyczyną, jaka
zapewnia występowanie mutacji, jest wspomniana już replikacja i szansa
wystąpienia błędu w czasie jej trwania. Istnieją jednak czynniki, które
zwiększają ryzyko zajścia mutacji bądź też bezpośrednio ją wywołują. Jednym z
nich są wirusy. Mogą wniknąć na stałe do genomu jakiegoś organizmu, co nazywamy
wymienionym już horyzontalnym transferem genów, ale wnikając dodają swoją
sekwencję, która zmieni wcześniejszy ciąg nukleotydów. Zmodyfikowany fragment DNA
może kodować inną kolejność aminokwasów w białku. Może spowodować przesunięcie
ramki odczytu w trakcie translacji, co okazuje się często szczególnie istotne.
Nie każda bowiem mutacja jest w ogóle zauważalna. Wiele z nich ma charakter
neutralny – zmutowana sekwencja i tak koduje taki sam łańcuch białkowy lub
podmienione aminokwasy nie mają większego znaczenia dla funkcjonalności
kodowanego białka.

Jeśli z kolei porównamy częstość
mutacji negatywnych (wywołujących choroby, np. nowotworowe) do mutacji pozytywnych,
to jak to często bywa – dużo łatwiej jest napsuć, niż poprawić, lecz pozytywne
mutacje także się zdarzają. Przykładem takiej mutacji jest np. zmiana
receptora (będącego białkiem), z którym oddziałuje HIV. Ludzie noszący tę
mutację są odporni na tego wirusa. Jest ich stosunkowo niewiele, bo wirus ten
stał się w populacji ludzi powszechny niedawno. Gdyby męczył
ludzkość od wieków, przetrwali by ci, którzy posiadaliby tę mutację i tym samym
byłaby dziś ona szeroko rozpowszechniona. Z drugiej strony, przed inwazją owego
wirusa, mutacja ta najpewniej była zbędna, neutralna. Co nam to mówi? Jest to
najważniejszy element, o jakim informuje nas teoria ewolucji – mutacje są
weryfikowane (preferowane, czyli pozytywne lub odrzucane, czyli zmniejszające
rozrodczość, negatywne) przez dobór naturalny, tj. przez czynniki środowiskowe.

Naturalnie, wiedząc już to o czym
wyżej, dzięki zachodzeniu mutacji, które stymulują ewolucję biologiczną, po
zsekwencjonowaniu genomów różnych gatunków organizmów możemy sprawdzić, jak
ewoluowało ich DNA. Jest to praca trudna, ale uogólniając, polega na
porównywaniu sekwencji nukleotydów. Jeżeli mamy prawie taki sam fragment, z
niewielką różnicą, możemy przypuszczać, że ewoluował on u obu grup ze wspólnego
przodka. Możemy oczywiście założyć też, że mutował wielokrotnie i przypadkowo
jest bardzo podobny u jednej i drugiej grupy organizmów. Podobieństwo może
wynikać jeszcze z jednej rzeczy – horyzontalnego transferu genów. Gdy wirus
przeniesie określoną sekwencję z jednego gatunku na drugi, to choć sekwencja ta
nie pochodzi od ich wspólnego przodka, wstępnie jako taka może być
rozpatrywana. Do wyszukiwania podobieństw i wykluczania opisanych fałszywych
pokrewieństw sekwencji wykorzystuje się programy komputerowe o odpowiednich
algorytmach. Gdy pokrewieństwo jakichś sekwencji DNA lub białek zostanie już
prawidłowo uzgodniona, to na tej podstawie układamy ich drogę ewolucji. Gdy
chcemy ustalić ewolucję całych gatunków, metodę tę wykorzystuje się także w
odniesieniu do datowań skamieniałości form pośrednich oraz do innych danych.

Stwierdzenie, że gdyby nie
mutacje, to nie byłoby nas tutaj jest prawdziwe. Faktem jest też, że gdyby nie
mutacje, to nie chorowalibyśmy na nowotwory, przy czym, gdyby tych mutacji nie
było, to oczywiście nie miałby kto chorować. Po ziemi chodzą szczęśliwcy, u
których zaszła mutacja, która w warunkach, w których żyją, okazała się być
przydatna. Miliony pechowców umarło, bo zaszła w ich organizmie ważna,
szkodliwa mutacja. Stosownie będzie chyba zakończyć ten artykuł cytatem biologa, Richarda Dawkinsa z książki „Rozplatanie tęczy”: „Umrzemy i to czyni z nas szczęściarzy.
Większość ludzi nigdy nie umrze, ponieważ nigdy się nie narodzi. Ludzi, którzy
potencjalnie mogliby teraz być na moim miejscu, ale w rzeczywistości nigdy nie
przyjdą na ten świat, jest zapewne więcej niż ziaren piasku na pustyni. Wśród
owych nienarodzonych duchów są z pewnością poeci więksi od Keatsa i uczeni
więksi od Newtona. Wiemy to, ponieważ liczba możliwych sekwencji ludzkiego DNA
znacznie przewyższa liczbę ludzi rzeczywiście żyjących. Świat jest
niesprawiedliwy, ale cóż, to właśnie myśmy się na nim znaleźli, ty i ja,
całkiem zwyczajnie.” Rzecz jasna wszystkie te możliwości, nieskończenie
wiele potencjalnych kombinacji DNA, zawdzięczamy istnieniu mutacji.Chcesz wesprzeć rozwój mojego bloga? Możesz to zrobić zostając jego patronem tutaj. 

Literatura