Мутации и отбор

Мутации – ошибки репликации. Неизбежность мутаций. Одна из причин, по которой невозможно полностью избавиться от мутаций – "экономическая" (повышать до бесконечности уровень точности репликации - слишком "дорого"). К этому нужно добавить, что, скорее всего, полная остановка мутагенеза и не была бы поддержана отбором, даже если в результате мутации вдруг возникла бы абсолютно безошибочная и при этом "дешевая" система репликации и репарации (репарация – исправление ошибок в ДНК).

Для подтверждения этого тезиса рассмотрим один весьма поучительный пример – исследование, проведенное итальянскими и американскими биологами в 2006 году. Исследование проводилось на вирусах полиомиелита. Большинство вирусов, вызывающих болезни человека, — РНК-содержащие. Их наследственный материал хранится в форме РНК (а не ДНК, как у всех высших форм жизни). Среди немногочисленных белков, закодированных в геноме таких вирусов, присутствует фермент РНК-полимераза, синтезирующий новые копии вирусной РНК.

Популяции РНК-содержащих вирусов неоднородны: они состоят из целого набора генетически различающихся линий. Процесс удвоения (репликации) вирусной РНК происходит с большим числом ошибок (мутаций), благодаря чему могут быстро возникать новые варианты вируса. У полиовируса на каждый акт репликации приходится в среднем 1,9 мутаций. При этом, конечно, появляется много нежизнеспособных вариантов, однако эти потери оправданы, поскольку высокая скорость мутирования помогает вирусам приспосабливаться к меняющимся условиям, в том числе к деятельности иммунной системы хозяина, новым лекарствам, переходам от одного хозяина к другому и из ткани в ткань.

Авторы обсуждаемой работы предположили, что дело здесь не ограничивается поиском оптимального для данной ситуации варианта генома. Возможно, возникающие вариации вирусов могут помогать друг другу за счет разделения функций. Например, в одной линии может возникнуть мутация, повышающая скорость репликации вирусной РНК, в другой линии — другая мутация, повышающая, например, эффективность самосборки белковых молекул в вирусную оболочку — капсид. Поскольку обе линии живут и размножаются в одной и той же хозяйской клетке, они могут пользоваться «достижениями» друг друга: эффективная РНК-полимераза первой линии будет размножать и геномы второй, а более эффективные капсидные белки второй линии будут «упаковывать» и РНК первой. Не исключено, кстати, что совместить обе эти мутации в одном и том же геноме просто невозможно. Вирусный геном очень мал, и у него не так уж много степеней свободы (вариантов мутаций, совместимых с жизнью).

Возможность экспериментальной проверки гипотезы о взаимопомощи среди вирусов появилась благодаря тому, что удалось обнаружить и выделить мутантную форму полиовируса со «сверхточной» РНК-полимеразой, совершающей очень мало ошибок при копировании РНК. Эта мутация (состоящая в замене глицина серином в 64-ой позиции РНК-полимеразы) возникла и закрепилась в ходе адаптации вируса к препарату рибавирину, резко повышающему (за пределы допустимого) скорость мутирования вирусов. В отсутствии рибавирина такие вирусы мутируют с аномально низкой частотой (0,3 мутации на геном вместо положенных 1,9).

Первым делом ученые проверили, действительно ли скорость мутирования важна для приспособляемости вирусов. Это подтвердилось: вирусы-мутанты с замедленным мутагенезом приспосабливались к неблагоприятным условиям (лекарствам) гораздо медленнее своих «диких» собратьев. Кроме того, эти мутанты оказались неспособны проникать в спинной и головной мозг зараженных мышей, как это делают нормальные полиовирусы. Однако искусственное увеличение темпа мутагенеза (при помощи вышеупомянутого рибавирина) привело к тому, что жизнеспособность вирусов полностью восстановилась.

Более того, удалось показать, что общая «эффективность» популяции вирусов зависит не от наличия в ней какой-то одной особо удачной линии, а от кооперативного взаимодействия нескольких разных линий, обладателей разных мутаций, которые помогают друг другу. Например, оказалось, что вирусы, сами по себе не способные проникать в мозг, успешно проникают туда в компании с некоторыми другими вирусами, носителями других мутаций. Следовательно, одни линии вирусов помогают другим преодолеть гематоэнцефалический барьер.

Этот эксперименты подтвердил гипотезу о взаимовыгодной кооперации между разнообразными мутантами, составляющими вирусную популяцию.

Поучительность этого исследования для нас состоит в том, что оно позволяет обосновать следующие два положения:

1) Некоторые организмы потенциально вполне способны в ходе эволюции выработать более точную систему репликации и уменьшить темп мутагенеза,

2) Однако они этого не делают (отбор не поддерживает такие изменения), потому что низкий темп мутагенеза снижает жизнеспособность всего сообщества организмов, находящихся в кооперативных отношениях друг с другом.

----------------------------------------------------

Так или иначе, мутагенез с той или иной скоростью идет постоянно, при каждой репликации и между актами репликации тоже. Это то, с чем всем живым существам приходится считаться. Это одно из обстоятельств, к которым они обязаны приспосабливаться. Для любой популяции живых организмов всегда существует риск погибнуть под грузом вредных мутаций (потому что вредные мутации возникают намного чаще, чем полезные). Кто не может защититься от этой опасности, тот погибает.

Главная защита, впрочем, дана всем живым существам изначально и присутствует «по умолчанию». Эта защита – естественный отбор. Те организмы, у которых в ДНК много вредных мутаций, погибают первыми и не передают свои гены потомству. Такой отбор называют «очищающим» или «негативным». Он отбраковывает носителей вредных мутаций и тем самым очищает генофонд. А еще бывает «позитивный» отбор, он поддерживает полезные мутации.

В тезисной форме:

· Мутации неизбежны.

· Вредные мутации, как правило, возникают намного чаще, чем полезные.

· Поэтому любая популяция находится под угрозой генетического вырождения.

· Главная защита от этой угрозы – естественный отбор.

· Отбор, отбраковывающий вредные мутации, называется очищающим или отрицательным (негативным).

· Отбор, поддерживающий полезные мутации, называется положительным (позитивным).

Судьба популяции во многом зависит от того, насколько часто возникают мутации, то есть от скорости мутагенеза, и от того, насколько быстро очищающий отбор отбраковывает вредные мутации. Если вредные мутации возникают быстрее, чем очищающий отбор успевает их отбраковывать, происходит вырождение, и в конце концов популяция погибает. Если популяция все же существует и не вымирает, то это значит, что эффективность отбора, действующего на эту популяцию, достаточно высока, чтобы компенсировать мутагенез.

-----------------------------------------