Вернемся к нашим котам. У сиамского кота в 940-й позиции от начала гена тирозиназы во втором экзоне находится аденин, а у несиамского кота – гуанин. Как и почему произошла эта замена?
Она произошла потому, что нет в жизни совершенства. ДНК копирует сама себя при каждом клеточном делении. Самокопирование ДНК происходит по тому же принципу комплементарности, как и синтез РНК: А к Т, Г к Ц. Перед началом клеточного деления двойная спираль ДНК освобождается от облепивших ее белков и расплетается, выставляя наружу свои неспаренные нуклеотиды. К ним-то и присоединяются свободные партнеры, а продольные сшивки между ними обеспечивает фермент ДНК-полимераза.
Процесс самокопирования (репликации) ДНК фантастически точен. Но не абсолютно. Время от времени случаются ошибки – мутации. Очень редко, 2,3 на 1 000 000 000 нуклеотидов в год13. Стоит мутации возникнуть, и она будет передаваться всем дочерним клеткам в каждом следующем цикле клеточного деления.
Мутация нашего сиамского кота возникла не у него, а когда-то очень давно в одной-единственной половой клетке у далекого предка всех сиамских котов, живущих сейчас на Земле.
Почему же замена всего одного нуклеотида, которая привела к замене одной аминокислоты, вызвала такие заметные изменения в окраске? В каждом белке есть вариабельные и консервативные районы. В вариабельных районах белка замена одной аминокислоты на другую не приводит к выраженным негативным последствиям. Если последствий от мутаций совсем нет, то такие мутации называют нейтральными. Другие части белка консервативны, но не потому, что мутации там редко возникают, а потому, что многие возникающие в таких местах мутации ведут к сильному нарушению работоспособности белка. Такие мутации считаются вредными. Иногда (гораздо реже, чем вредные и нейтральные) в этих местах возникают полезные[10] мутации, которые, например, повышают стабильность или активность белка.
Чем обусловлена такая разница в неприкосновенности различных частей белка? Консервативные районы белка – это те участки, в которых эволюция уже нашла почти идеальную комбинацию аминокислот и все, что возникает новое, хуже, чем устоявшееся старое. У большинства позвоночных (а не только у несиамских котов) в белке тирозиназы в позиции 301 стоит глицин. Скорее всего, глицин в этом положении позвоночные унаследовали от общего предка, жившего более 420 миллионов лет назад. Чтобы продержаться такое долгое время и не быть замененным какой-нибудь случайной мутацией на другую аминокислоту (как это произошло у сиамских котов), глицин в положении 301 должен играть важную роль в функциональности тирозиназы и поддерживаться естественным отбором.
Аминокислоты отличаются друг от друга по нескольким параметрам. Их классифицируют по наличию и отсутствию заряда, сродству к воде (гидрофобные и гидрофильные), размеру и по многим другим параметрам. Замена одной аминокислоты на другую, но близкую по физико-химическим свойствам не приводит к таким значимым фенотипическим проявлениям, как замена на совершенно отличную аминокислоту. Глицин не имеет заряда, а аргинин положительно заряжен. Сиамские коты являются наглядным доказательством того, к чему может привести изменение заряда аминокислоты.
Мутации происходят на уровне ДНК, а мы обсуждаем здесь эффекты на уровне белка. Если мы приглядимся к ДНК, то мы заметим, что абсолютное большинство мутаций на самом деле обязаны быть нейтральными. Почти все замены в межгенных областях генома и в интронах – нейтральны по определению, поскольку эти последовательности не участвуют в синтезе белков.
Почему почти? Потому что мутации в регуляторных районах генома (о них мы поговорим чуть позже) и на границах интронов, где располагаются точки разрезания и сшивки мРНК, могут вызвать гораздо более серьезные изменения в работе генов, чем замены в экзонах.
К нейтральным, безусловно, относятся так называемые синонимические мутации – одиночные замены нуклеотидов, которые не меняют смысл кодонов. Например, у кодона для лейцина УУА есть еще пять синонимов: УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ. В этих пределах они могут мутировать как угодно. Последовательности ДНК и РНК меняются, а последовательность аминокислот в белке остается неизменной.
Сиамская мутация привела к изменению смысла кодона. Такие мутации называются несинонимическими. Они происходят чаще синонимических, потому что возникают в результате большинства замен в первой и второй позициях кодонов. Синонимические же, как правило, затрагивают третью позицию.