Мутации: ошибки, которые движут эволюцию
Мутации — случайные изменения в последовательности ДНК. Большинство из них нейтральны или вредны. Но редкие полезные мутации — двигатель эволюции: они дают носителям преимущество в выживании или размножении и распространяются через естественный отбор. Без мутаций не было бы эволюции — все организмы оставались бы идентичными.
Скорость мутирования
Базовая скорость точечных мутаций у людей — около 1–2 × 10⁻⁸ на нуклеотид на поколение. В геноме из 6 миллиардов нуклеотидов (диплоидном) это означает около 60–100 новых мутаций на человека за поколение. Большинство приходятся на некодирующие регионы и не имеют фенотипических последствий. Мутации в кодирующих регионах составляют лишь малую часть.
Вредные мутации и генетические болезни
Большинство мутаций, меняющих белок, вредны — нарушают функцию белка. Случайная замена аминокислоты в активном центре фермента может полностью его инактивировать. Мутации в жизненно важных генах летальны на ранних этапах развития — их носители не рождаются или не выживают. Накопление вредных мутаций у особей снижает их «приспособленность» (fitness) — это создаёт постоянное давление отбора против вредных аллелей.
Полезные мутации: примеры
Устойчивость к малярии: серповидноклеточная анемия у гомозигот смертельна, но гетерозиготы устойчивы к малярии P. falciparum. В малярийных регионах Африки частота аллеля серповидности достигает 20–40% — естественный отбор сохраняет «вредную» мутацию, потому что гетерозиготы имеют преимущество.
Лактазная персистентность: большинство млекопитающих теряют способность переваривать лактозу (молочный сахар) во взрослом возрасте. У части человечества мутация сохраняет активность лактазы — это позволило скотоводческим культурам использовать молоко как ресурс. Мутация независимо возникла несколько раз — в Европе, Африке, Аравии.
Адаптация к высокогорью: тибетцы имеют мутацию в гене EPAS1 (HIF2α), снижающую гемоглобин при гипоксии и защищающую от тромбоза. Этот аллель, вероятно, заимствован от денисовцев через межвидовое скрещивание.
Нейтральные мутации и молекулярная эволюция
Большинство молекулярных различий между видами — нейтральные мутации, «дрейфующие» в популяции без участия отбора. Синонимичные (молчащие) замены — нуклеотид меняется, но аминокислота та же. Замены в некодирующих регионах. Псевдогены — «сломанные» копии функциональных генов. Нейтральные мутации накапливаются с постоянной скоростью и используются как «молекулярные часы» для датировки эволюционных событий.
Эпигенетические изменения
Наряду с мутациями ДНК существуют эпигенетические изменения — модификации, влияющие на экспрессию генов без изменения последовательности. Метилирование ДНК и модификации гистонов — обратимые, могут наследоваться. Некоторые эпигенетические изменения передаются потомкам, что создаёт эволюционный механизм, дополняющий классическую генетику.