Фрэнк Райан - Виролюция. Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза
Ответ на этот вопрос не так уж прост. Отчасти польза в том, что понимание эволюционной биологии дает нам понимание происхождения жизни и принципов функционирования живых организмов. Несомненно, такое знание очень важно в век массированного вторжения людей в места, прежде человека почти не знавшие, в тропические леса и глубины океана — а это вторжение провоцирует ущемление и даже полное вымирание многих видов живых существ. Но тут я хочу рассказать о пользе, которую может принести понимание эволюционной биологии в исследовании генетической подоплеки заболеваний. В прошлом люди смотрели на эволюционную биологию лишь с точки зрения эволюции путем естественного отбора — а естественный отбор, честно говоря, почти не имеет прямого отношения к медицине. Я уже писал здесь, что генетические факторы эволюции — те силы, которые, выражаясь классическим дарвиновским языком, дают начало передаваемым по наследству изменениям, — ответственны и за возникновение болезней. И понимание этих факторов принципиально важно для лечения многих наследственных заболеваний, калечащих людей, причиняющих страдания и боль, не дающих полноценно жить и ведущих к преждевременной смерти.
Здесь уже говорилось о важности понимания мутаций — случайных ошибок при копировании ДНК в процессе деления клетки. Мы уже узнали, как возникли человеческие митохондрии посредством симбиотического соединения свободной дышащей кислородом бактерии и древнего протиста в отдаленнейшем прошлом. Для совершенствования получившегося голобионтического генома естественный отбор имел больше миллиарда лет.
Геном человеческих митохондрий — наиболее компактный из всех митохондриальных геномов; он состоит из тридцати семи бактериальных генов, в отличие от генов нашего ядра организованных в типичную для бактериальных органелл кольцевую структуру. Эти гены кодируют очень важные транспортные РНК и протеины, определяющие возможность дышать кислородом и извлекать энергию из этого процесса. Из более чем двух тысяч генов, наличествовавших у бактерии — предка митохондрии, около трехсот перекочевало в ядро; многие из них обеспечивают генетическую связь между ядром и митохондриями, необходимую для усвоения кислорода клеткой. Каждая человеческая клетка содержит много митохондрий — от сотен до тысяч. Митохондрии размножаются независимо от ядра, на манер бактерий — почкованием. Получаем мы митохондрии исключительно от матерей, митохондрии содержатся в цитоплазме яйцеклетки — и это весьма существенно сказывается на характере передачи наследственных заболеваний, обусловленных изменениями в митохондриях. И в самом деле, сейчас не вызывает сомнений: генетика митохондриальных заболеваний сильно отличается от генетики заболеваний, вызванных изменениями генов ядра. Генетика митохондриальных болезней гораздо сложнее.
Но что же это за болезни и как же их генетическая подоплека связана с симбиозом митохондрий и клеток?
Когда мы вдыхаем кислород, он проникает в каждую клетку нашего тела и быстро достигает митохондрий, где и осуществляется самое таинство процесса дыхания. Там с помощью кислорода сахара превращаются в пригодную для хранения и переноски форму, аденозинтрифосфат, или АТФ, — универсальный источник энергии для живых клеток. Процесс этот известен под названием «окислительное фосфорилирование». Потому митохондрии — поставщик энергии для каждой живой клетки нашего тела. Парадоксальным образом кислород является опаснейшим для живых тканей ядом и потому требует тщательнейшего обхождения. Биологи считают, что именно в силу токсичности кислорода митохондрии не слились с ядром, несмотря на колоссальное время существования симбиоза клетка — митохондрии. И сейчас при химических реакциях в митохондрии и вблизи нее создаются весьма ядовитые кислородные соединения, известные как «токсичные свободные радикалы», — и они способны вызывать заболевания.
Митохондрии весьма важны и для поддержания здоровья тканей и клеток. Например, нормальное функционирование органов и тканей во многом зависит от своевременного возобновления клеток, а это подразумевает запрограммированную смерть старых клеток, так называемый «апоптоз». Митохондрии напрямую вовлечены в этот процесс. Потому едва ли окажется удивительным обнаружить прямую связь между нарушениями митохондриальных генов и тяжелыми наследственными болезнями.
Одно из наиболее распространенных наследственных заболеваний зрения — болезнь Лебера, или наследственная атрофия зрительного нерва. Мужчин она поражает в четыре раза чаще, чем женщин. У пораженных ею людей в детстве зрение нормальное, но в подростковом возрасте либо чуть позже вдруг возникает странное замутнение посреди поля зрения. Обычно такое начинается на одном глазу, но быстро распространяется и на второй. Вскоре зрение больного серьезно ухудшается, вплоть до фактической слепоты, а при обследовании врачи замечают странное просветление диска — области в центре глазного яблока, где к нему подсоединяется глазной нерв. Подоплека этого заболевания долго оставалось загадкой, пока в 1988 году не обнаружили: болезнь вызвана мутациями митохондриальных генов. Хотя около двух десятков мутаций связаны с этой болезнью, за 85–90 процентов случаев ответственны всего лишь три мутации. Почему эти мутации воздействуют именно на зрительный нерв, в точности не известно. Возможно, митохондрии неверно программируют апоптоз клеток в зрительном нерве, и это вызывает его дегенерацию.
Поскольку болезнь Лебера наследуется только от матери и генетическая подоплека ее сложна, иногда считали, что эта болезнь связана с дефектами Х-хромосомы, то есть что дефектный ген переносится материнской Х-хромосомой, — но генетика заболевания вовсе не следует законам Менделя. Она определяется передачей цитоплазмы материнской яйцеклетки, что и влечет иной характер наследования. Чтобы понять его, а также то, каким образом дефекты митохондриального генома вызывают заболевания, рассмотрим подробнее происходящее на генетическом уровне.
Геном митохондрии очень мал по сравнению с ядерным геномом, и потому было бы логичным предположить редкость митохондриальных наследственных заболеваний по сравнению с ядерными — но это не так. Они встречаются довольно часто, и причиной тому бактериальная природа митохондрий. Среди унаследованных от наших предков-позвоночных ядерных генов лишь малый процент участвует в кодировании белков, и потому мутации ядерной ДНК далеко не всегда приводят к заболеваниям. С другой стороны, большинство митохондриальных ДНК кодируют функционально важные белки, и потому мутации этих ДНК с гораздо большей вероятностью приводят к болезни. К этому следует добавить большую склонность бактериальных генов к мутациям — мутации в митохондриальных ДНК случаются в десять — двадцать раз чаще, чем в ядерных. А вдобавок митохондриальные заболевания могут возникать и в силу мутаций части митохондриального генома, оказавшейся в ядре. В дополнение ко всему этому митохондрии делятся куда чаще, чем сама клетка, а митохондрий в клетке много. Естественно, мутации возникают куда чаще, чем в таком же по размеру наборе ядерных генов. Поскольку митохондриальные мутации могут возникать и спустя много времени после рождения ребенка, налицо ситуация, когда в одних и тех же клетках ткани бывают и нормальные, и мутировавшие митохондрии. Не правда ли, яркий пример того, как разница в происхождении и эволюционном развитии — в нашем случае факт симбиоза с некогда свободно существовавшей бактерией — сказывается на возникновении и развитии болезни, несмотря на то что симбиоз продолжается уже колоссальное время — миллиард лет? Генетическую подоплеку митохондриальных заболеваний невозможно понять, не поняв симбиотической природы эволюции митохондрий.
Митохондриальные заболевания возникают в семьях из поколения в поколение, бывают всевозможных степеней тяжести — от легких до фатальных, — а проявление болезни зависит от пораженного органа и степени его потребности в кислороде. Надеюсь, теперь читатель поймет, отчего столь сложно такие заболевания диагностировать, в особенности у новорожденных детей и в младенчестве, несмотря на обилие митохондриальных заболеваний. Приблизительно один новорожденный ребенок из семи тысяч шестисот страдает от них. Они составляют значительную часть того, что доктора именуют «врожденными пороками метаболизма». Ведущие к тяжелым заболеваниям мутации были идентифицированы у тридцати из тридцати семи митохондриальных генов и более чем у трех десятков ядерных генов митохондриального происхождения. У больных детей развиваются и прогрессируют неврологические заболевания, сопровождаемые различными изменениями в органах и тканях с высоким потреблением кислорода: мозга, сердца, печени и скелетных мышц. Болезни эти включают смертельно опасную молочную ацидемию (болезнь Лейха), кардиомиопатию с катарактой (синдром Сенджерса) и другие серьезные расстройства метаболизма. Поражены могут быть печень, сердце, почки, кишечник, эндокринные железы и кровь. Из-за этих болезней происходит дегенерация мозга и нервной системы.
