Что биологи понимают под вредными генами

Строго говоря, в генетике нет моральных категорий добра и зла. Любой ген представляет собой участок молекулы ДНК с инструкцией по сборке конкретного полипептида. Когда в этой инструкции происходит замена, выпадение или вставка нуклеотидов, получающийся белок меняет форму, начинает работать хуже или полностью теряет свою функцию. Такую измененную версию гена называют вредным или летальным аллелем.

Степень вреда всегда зависит от окружающей среды. Аллель, вызывающий тяжелое нарушение обмена веществ в одних условиях, в другой среде может оказаться нейтральным или даже спасительным для организма. Эволюционный успех любого варианта гена оценивается только через биологическую приспособленность, то есть через способность особи выжить и оставить плодовитое потомство.

Почему естественный отбор не вычищает дефектные аллели

Кажется логичным, что естественный отбор обязан быстро отсеивать любые варианты ДНК, снижающие жизнеспособность особей. Однако в генофонде популяций человека и животных постоянно циркулируют тысячи поврежденных генов. На это есть четыре главные биологические причины.

Маскировка рецессивных мутаций у гетерозигот

Большинство тяжелых генетических поломок рецессивны. Это значит, что болезнь развивается только у рецессивных гомозигот, получивших дефектную копию гена сразу от обоих родителей. Если же человек получает мутантный аллель только от мамы или только от папы, его вторая копия гена остается здоровой. Нормальный доминантный аллель берет на себя выработку нужного фермента, поэтому фенотипически гетерозиготный носитель абсолютно здоров.

Отбор действует исключительно на фенотип особи, а не на сам скрытый нуклеотидный код. Поскольку здоровые гетерозиготные носители успешно живут и размножаются, они передают мутацию следующим поколениям. Если мутантный аллель встречается редко, абсолютное большинство его копий находится именно у гетерозигот. При частоте мутантного аллеля один на тысячу лишь один человек из миллиона родится с болезнью, а носителями будут двое из тысячи. Отбор физически не способен полностью удалить рецессивный признак из популяции.

Сверхдоминирование и балансирующий отбор

Иногда присутствие единственной копии дефектного гена дает особи мощное преимущество перед сородичами с полностью здоровой ДНК. Это явление биологи называют гетерозиготным преимуществом или сверхдоминированием. В таких условиях в популяции начинает действовать балансирующий отбор, целенаправленно поддерживающий высокую долю опасной мутации в генофонде.

Аналогичный механизм ученые предполагают для муковисцидоза, распространенного среди европейцев. Дефект в гене CFTR нарушает транспорт ионов хлора через мембраны эпителиальных клеток. У гомозигот развивается тяжелое поражение легких и поджелудочной железы. Гетерозиготные носители мутации обладают повышенной устойчивостью к обезвоживанию при холере и брюшном тифе, бактериальные токсины которых вызывают смертельную диарею через гиперстимуляцию именно белка CFTR.

Поздний возраст проявления болезни

Естественный отбор оценивает передачу генов будущим поколениям. Если опасная генетическая поломка начинает разрушать организм уже после завершения периода активного размножения, отбор оказывается бессилен. Эволюция не способна отсеять признак, проявившийся у человека после сорока или пятидесяти лет, когда его дети уже родились и унаследовали этот дефект.

По такому принципу в человеческой популяции сохраняется хорея Гентингтона. Это тяжелое нейродегенеративное заболевание передается доминантно и вызывается увеличением числа повторов триплета CAG в гене HTT. Первые симптомы в виде непроизвольных движений и распада личности начинаются в среднем возрасте тридцати пяти или сорока пяти лет, когда большинство носителей уже обзавелись семьями.

Постоянный приток новых мутаций

Даже если естественный отбор уничтожает всех носителей тяжелой аномалии, мутационное давление восполняет потери генофонда. Ошибки репликации ДНК в половых клетках родителей происходят спонтанно при каждом делении. Некоторые участки генома обладают повышенной частотой спонтанных сбоев.

Ярким примером служит ахондроплазия, нарушающая рост костей скелета. Мутация в гене рецептора фактора роста фибробластов FGFR3 носит доминантный характер. Около восьмидесяти процентов детей с ахондроплазией рождаются у абсолютно здоровых родителей со средним ростом в результате случайной ошибки копирования ДНК в сперматозоиде отца.

Частые вопросы

Почему близкородственные браки увеличивают риск проявления плохих генов?

У родственников общий генофонд предков, поэтому вероятность нести одинаковые скрытые рецессивные мутации у них в десятки раз выше, чем у случайных партнеров. При скрещивании родственников эти дефектные аллели переходят в гомозиготное состояние и проявляются в виде тяжелых врожденных патологий.

Может ли полностью исчезнуть доминантный летальный ген?

Да, если доминантная мутация проявляется с рождения и лишает особь возможности размножаться, отбор отсекает ее за одно поколение. Сохраняться способны лишь те доминантные болезни, которые заявляют о себе в зрелом возрасте или имеют неполную пенетрантность, когда носитель гена сам остается здоровым.

Что такое антагонистическая плейотропия?

Это ситуация, когда один и тот же ген управляет несколькими признаками, принося пользу организму в молодом возрасте, но провоцируя патологии в старости. Например, мутации, стимулирующие бурное деление клеток и крепкий иммунитет в юности, в пожилом возрасте могут повышать вероятность онкологических заболеваний.

Способна ли современная медицина отменить естественный отбор у человека?

Медицина существенно ослабила действие стабилизирующего отбора против многих патологий. Люди с фенилкетонурией, гемофилией или врожденным сахарным диабетом успешно живут и заводят детей благодаря поддерживающей терапии. В результате доля мутантных аллелей этих болезней в популяциях медленно нарастает.