Mutacje – skąd biorą się zmiany w naszym DNA?

Każdy człowiek różni się genetycznie od swoich rodziców. Nie jesteśmy po prostu mieszanką połowy DNA matki i połowy DNA ojca. W naszym genomie znajdują się również zmiany, których nie miał żaden z nich. To nowe mutacje.

Słowo „mutacja” często kojarzy się z czymś niebezpiecznym: chorobą, nowotworem albo wadą genetyczną. Z punktu widzenia ewolucji mutacja nie jest jednak ani dobra, ani zła. Jest po prostu zmianą w DNA. Jej konsekwencje mogą być szkodliwe, korzystne albo praktycznie żadne.

Co więcej, bez mutacji ewolucja w znanej nam formie nie mogłaby zachodzić. To właśnie one są pierwotnym źródłem nowych wariantów genetycznych. Dobór naturalny może później „pracować” na powstałej zmienności, ale sam jej nie tworzy.

Czym właściwie jest mutacja?

Najprościej mówiąc, mutacja jest zmianą sekwencji DNA.

DNA możemy wyobrazić sobie jako niezwykle długi zapis złożony z czterech „liter”: A, T, C i G. Ludzki genom zawiera około 3 miliardów par zasad. Za każdym razem, kiedy komórka się dzieli, ogromna ilość informacji musi zostać skopiowana.

Mechanizmy kopiowania i naprawy DNA są niezwykle skuteczne, ale nie są idealne. Czasami podczas kopiowania pojawia się błąd. Jedna litera może zostać zastąpiona inną, fragment DNA może zniknąć albo przeciwnie – zostać dodany lub powielony.

Mutacje mogą również powstawać na skutek uszkodzeń DNA. Promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie jonizujące czy niektóre substancje chemiczne mogą zwiększać prawdopodobieństwo ich wystąpienia.

Nie oznacza to jednak, że każda mutacja jest wynikiem działania czegoś „szkodliwego”. Mutacje spontaniczne pojawiają się cały czas jako naturalna konsekwencja funkcjonowania komórek.

Nie każdą mutację przekażemy dzieciom

Ważne jest rozróżnienie dwóch podstawowych rodzajów mutacji.

Mutacje somatyczne powstają w komórkach naszego ciała już w trakcie życia. Jeśli zmiana pojawi się na przykład w komórce skóry, może zostać przekazana jej komórkom potomnym, ale nie naszym dzieciom. W efekcie poszczególne komórki jednego człowieka nie zawsze mają dokładnie identyczne genomy. Wraz z wiekiem takich zmian przybywa.

Niektóre mutacje somatyczne mogą przyczyniać się do powstawania nowotworów, choć oczywiście ogromna część z nich nigdy nie spowoduje zauważalnych konsekwencji.

Z punktu widzenia ewolucji populacji szczególnie interesujące są natomiast mutacje linii płciowej – powstające w komórkach prowadzących do powstania plemników lub komórek jajowych. Jeżeli taka mutacja znajdzie się w komórce uczestniczącej w zapłodnieniu, może zostać przekazana następnemu pokoleniu.

Właśnie w ten sposób zupełnie nowa zmiana genetyczna może wejść do puli genowej populacji.

Ile nowych mutacji ma człowiek?

Całkiem sporo.

Badania genomów rodziców i ich dzieci pokazują, że w każdym pokoleniu pojawiają się dziesiątki nowych zmian pojedynczych nukleotydów, których nie było w genomach rodziców. Dokładna liczba zależy m.in. od sposobu liczenia i wieku rodziców, ale dla pojedynczego człowieka mówimy mniej więcej o kilkudziesięciu nowych mutacjach punktowych.

W skali pojedynczej osoby nie brzmi to może imponująco. Kiedy jednak pomnożymy tę liczbę przez miliardy ludzi oraz tysiące kolejnych pokoleń, otrzymujemy ogromną ilość nowej zmienności genetycznej.

Każde pokolenie jest więc kolejnym eksperymentem ewolucyjnym.

Co ciekawe, znaczna część nowych mutacji pochodzi od ojca. Jedną z przyczyn jest sposób powstawania plemników. Komórki będące ich prekursorami dzielą się przez całe dorosłe życie mężczyzny, a kolejne podziały oznaczają kolejne okazje do powstania błędu. Dlatego wraz z wiekiem ojca przeciętna liczba nowych mutacji przekazywanych dziecku wzrasta.

Nie znaczy to oczywiście, że starszy ojciec musi mieć dziecko z chorobą genetyczną. Mówimy o statystycznym wzroście liczby nowych mutacji, z których zdecydowana większość nie prowadzi do poważnych konsekwencji.

Czy mutacje są złe?

To jedno z największych nieporozumień dotyczących genetyki. Mutacja nie jest synonimem choroby.

Jej znaczenie zależy od tego, gdzie powstała, w jaki sposób wpływa na funkcjonowanie organizmu oraz w jakim środowisku żyje jego nosiciel.

Niektóre mutacje są rzeczywiście szkodliwe. Jeśli zmiana zaburzy działanie ważnego genu, może prowadzić do choroby albo zmniejszyć szanse organizmu na przeżycie i pozostawienie potomstwa.

Inne okazują się korzystne. Jeżeli zwiększają sukces reprodukcyjny swoich nosicieli, dobór naturalny może sprawić, że z czasem staną się częstsze w populacji.

Ale ogromne znaczenie ma jeszcze trzecia grupa – mutacje neutralne lub niemal neutralne.

Nie każda zmiana DNA wpływa przecież zauważalnie na organizm. Duża część mutacji może nie zmieniać naszych cech w sposób mający znaczenie dla przeżycia czy rozmnażania. Ich los zależy wtedy w znacznej mierze od przypadku, czyli dryfu genetycznego.

Dlatego nie powinniśmy patrzeć na genom jak na zbiór zmian, z których każda musiała pojawić się „po coś”. Ewolucja nie działa w ten sposób.

Mutacja nie powstaje dlatego, że jest potrzebna

To kolejny częsty błąd w myśleniu o ewolucji. Organizm nie wytwarza konkretnej mutacji dlatego, że jej potrzebuje.

Jeżeli klimat staje się chłodniejszy, ludzie nie zaczynają mutować „w kierunku” lepszego przystosowania do zimna. Mutacje pojawiają się bez przewidywania przyszłych potrzeb organizmu.

Dopiero później środowisko może wpływać na to, co stanie się z ich nosicielami.

Wyobraźmy sobie populację, w której przypadkowo pojawia się wariant genetyczny ułatwiający funkcjonowanie w określonych warunkach. Jeśli jego nosiciele pozostawiają przeciętnie więcej potomstwa, wariant może stopniowo zwiększać swoją częstość.

Mutacja dostarczyła zmianę. Dobór naturalny wpłynął na jej dalszy los. To dwie różne rzeczy.

Dobra mutacja? To zależy od środowiska

Nawet podział na mutacje korzystne i szkodliwe bywa zbyt prosty.

Ten sam wariant genetyczny może być korzystny w jednym środowisku, a obojętny lub niekorzystny w innym.

Dobrym przykładem jest tolerancja laktozy u dorosłych. U większości ssaków aktywność enzymu trawiącego laktozę spada po okresie karmienia mlekiem. U części populacji ludzkich rozpowszechniły się jednak warianty regulacyjne pozwalające zachować wysoką aktywność laktazy również w dorosłości.

W społecznościach wykorzystujących mleko zwierząt dawało to dodatkowe źródło energii i składników odżywczych. W populacji, która nie hodowała zwierząt mlecznych, taka cecha nie musiała jednak przynosić podobnej przewagi.

Mutacja nie ma więc uniwersalnej wartości. Jej znaczenie zależy od kontekstu.

Co dzieje się z nową mutacją?

Wyobraźmy sobie, że w niewielkiej populacji rodzi się dziecko posiadające nową mutację. Co będzie dalej?

Najbardziej prawdopodobny scenariusz jest mało spektakularny: po kilku pokoleniach wariant może po prostu zniknąć. Jego nosiciel może nie mieć dzieci albo przypadkiem nie przekazać go potomstwu.

Jeżeli mutacja jest silnie szkodliwa, dobór naturalny może dodatkowo zmniejszać jej częstość. Jeżeli zwiększa sukces reprodukcyjny, ma większą szansę rozprzestrzeniać się w populacji. Ale nawet korzystna mutacja może zniknąć przez przypadek, szczególnie kiedy jest jeszcze bardzo rzadka.

I odwrotnie – mutacja neutralna może przypadkiem stać się częsta.

Tutaj do gry wchodzi dryf genetyczny. W małych populacjach jego znaczenie jest szczególnie duże. Historia człowieka pełna była niewielkich, izolowanych grup, migracji i gwałtownych spadków liczebności. Dlatego nie każda różnica genetyczna pomiędzy dzisiejszymi populacjami musi być śladem przystosowania do konkretnego środowiska.

Część jest po prostu rezultatem historii i przypadku.

Mutacje stworzyły różnorodność człowieka

Każda odziedziczona różnica genetyczna występująca dziś wśród ludzi ma gdzieś w swojej historii mutację.

W pewnym momencie u jednego z naszych przodków musiała pojawić się zmiana DNA, której wcześniej w tej konkretnej linii nie było. Jeśli została przekazana potomstwu, mogła rozprzestrzeniać się dalej.

Niektóre takie zmiany pozostają niezwykle rzadkie. Inne występują u milionów ludzi. Jeszcze inne stały się tak powszechne, że posiada je niemal cała nasza populacja.

To samo dotyczy zmian, które zaszły znacznie wcześniej – jeszcze u wspólnych przodków człowieka i innych naczelnych.

Mutacje dostarczały materiału, na którym przez miliony lat działały dobór naturalny, dryf genetyczny i inne procesy ewolucyjne.

Czy mutacje sprawiają, że człowiek nadal ewoluuje?

Tak. Czasami można spotkać się z przekonaniem, że rozwój medycyny i technologii zatrzymał ewolucję człowieka. Nie zatrzymał.

Mutacje nadal powstają. Ludzie nadal różnią się liczbą potomstwa. Populacje nadal migrują i mieszają się ze sobą, a częstości wariantów genetycznych nadal mogą zmieniać się z pokolenia na pokolenie.

Zmieniło się natomiast środowisko, w którym działają procesy ewolucyjne.

Nie oznacza to też, że człowiek zmierza w stronę jakiejś „doskonalszej” postaci. Ewolucja nie ma zaplanowanego celu. Nowa mutacja nie jest kolejnym krokiem na drabinie prowadzącej do coraz lepszego organizmu.

Jest po prostu nową wersją fragmentu DNA.

Większość takich zmian zapewne nigdy nie odegra większej roli. Niektóre znikną po jednym czy kilku pokoleniach. Inne przetrwają tysiące lat. Nieliczne mogą kiedyś stać się cechą charakterystyczną ogromnej części naszych potomków.

Nie jesteśmy więc końcowym produktem ewolucji. Jesteśmy jednym z jej kolejnych pokoleń.

Bibliografia

Crow, J. F. (2000). The origins, patterns and implications of human spontaneous mutation. Nature Reviews Genetics, 1, 40–47.

Eyre-Walker, A., & Keightley, P. D. (2007). The distribution of fitness effects of new mutations. Nature Reviews Genetics, 8, 610–618.

Kong, A. et al. (2012). Rate of de novo mutations and the importance of father’s age to disease risk. Nature, 488, 471–475.

Lynch, M. et al. (2016). Genetic drift, selection and the evolution of the mutation rate. Nature Reviews Genetics, 17, 704–714.

Ségurel, L., Wyman, M. J., & Przeworski, M. (2014). Determinants of Mutation Rate Variation in the Human Germline. Annual Review of Genomics and Human Genetics, 15, 47–70.

Seplyarskiy, V. B., & Sunyaev, S. (2021). The origin of human mutation in light of genomic data. Nature Reviews Genetics, 22, 672–686.

Veltman, J. A., & Brunner, H. G. (2012). De novo mutations in human genetic disease. Nature Reviews Genetics, 13, 565–575.

Yu, Z. et al. (2024). Genetic variation across and within individuals. Nature Reviews Genetics, 25, 548–562.