5.1.4.2. Проблема оценки общей частоты мутаций на геном и на поколение
Условия, необходимые для получения оценки. До сих пор мы рассматривали только частоты мутаций отдельных генов или кодонов. Было бы желательно экстраполировать эти величины и получить общую частоту мутаций на геном. Однако решение этой проблемы требует выяснения ряда вопросов.
1. Необходимо знать частоты мутаций более чем одного кодона.
2. Надо располагать определенной информацией о том, являются ли частоты этих кодонных мутаций репрезентативными в отношении большинства кодонов структурных генов. Например, должно быть известно, возникают ли мутации в этих генах случайно или некоторые сайты более мутабильны, чем другие.
3. Происходят ли мутации вне структурных генов с теми же частотами, что и мутации в структурных генах? Как отмечалось выше (разд. 2.3), преобладающая часть ДНК человека не содержит структурных генов, кодирующих полипептидные цепи. Однако относительно функции большей части этой ДНК пока можно лишь строить предположения. При любой попытке оценить частоту мутации для генома в целом следует принимать во внимание возможную роль ДНК, не кодирующей структурные гены, о которой мы знаем так мало.
Случайно ли распределяются известные мутанты гемоглобина по длине генов Нb α и Hb β? Один из наиболее поразительных феноменов, связанных со спонтанными мутациями у бактериофагов, - существование «горячих точек», т.е. точек, характеризующихся особенно высокой мутабильностью. Этот феномен был открыт Бензером (1957) [1390] на фаге Т4 Е. coli. Если, обобщая, перейти от гемоглобиновых генов ко всему геному человека, следует в первую очередь поставить вопрос, можно ли обнаружить такие горячие точки также и у людей. Наиболее прямой подход, который здесь можно было бы применить, заключается в сравнении частот мутаций в различных сайтах внутри генов. Однако осуществление этого подхода невозможно, так как такие частоты мутаций неизвестны. Поэтому пришлось ограничиться изучением распределения известных мутантов по длинам а- и р-генов.
Отклонения от случайности могут быть в том случае, если частота мутаций одних кодонов выше, чем других, или если некоторые кодоны проявляют более выраженную или менее выраженную тенденцию к мутационному превращению, чем соседние с ними. Распределение известных мутаций в генах Нb α и Hb β показано на рис. 5.24 [119]. Небольшое отклонение от случайности для генов Нb α можно объяснить с помощью правдоподобного предположения о том, что определенные сайты столь важны для функции, что мутации в них несовместимы с жизнью и потому не будут выявляться и учитываться в соответствующих исследованиях.
Вполне возможно, что новых мутаций в расчете на геном и поколение возникает много, однако получение достоверной оценки их частоты пока невозможно. Общее количество ДНК в гаплоидной клетке человека равно ~ 3,0 — 3,5 х 10–12 г, а гаплоидный геном содержит около 3 — 3,5 х 109 пар нуклеогидов. Поскольку один кодон состоит из трех нуклеотидных пар, максимально возможное число кодонов равно приблизительно 1 х 109. Учитывая приведенную оценку, можно предположить, что частота кодонной мутации, приводящей к замене одного определенного основания, составляет 2,5 х 10–9. Чтобы охарактеризовать общую мутабильность на кодон,
5 Мутации 189
|
Рис. 5.24. Распределение замен отдельных аминокислот (обусловленных заменами отдельных оснований) в α- и β-цепях гемоглобина человека. Это распределение основано на данных о вариантах гемоглобина, обнаруженных в современных популяциях человека [119] |
выраженную через количество аминокислотных замен, это число надо умножить приблизительно на 7: каждое основание может быть замещено любым из трех других и приблизительно 75% всех нуклеотидных замен, главным образом в первых двух позициях кодонов, приводит к аминокислотным заменам. Отсюда следует, что общая частота мутаций равна 1,75 х 10–8 на кодон. Умножая эту величину на 1 х 109, получаем 17,5 мутаций на гаплоидный геном или одну половую клетку и 35 мутаций de novo на индивида (две половые клетки), принадлежащего к данной популяции.
Это число настолько велико, что вызывает определенный страх. Возникает вопрос: как же удается человеческому роду продолжать свое существование? Даже если принять во внимание, что многие из известных мутаций гемоглобиновых генов оказывают слабое неблагоприятное влияние или совсем не оказывают вредного влияния на своих носителей, трудно допустить, что частота мутаций может иметь такую величину. Наиболее распространенный ответ состоит в том, что преобладающая часть ДНК человека не содержит структурных генов, кодирующих специфические белки, а имеет какую-то другую, менее специфическую, возможно регуляторную, функцию, или в том, что большие ее участки фактически лишены функции: они представляют собой, говоря словами Оно [1588], некий «хлам» или их функция имеет столь универсальный характер, что большинство замен отдельных пар оснований фактически не имеет никакого значения. Вспомним, например, что гетерохроматину приписывалась в порядке рабочей гипотезы функция «стража тела» [385]. Поразительно высокий уровень полиморфизма сайтов рестрикции, обнаруженный при изучении нетранскрибируемых участков ДНК (разд. 2.3.2.7), подкрепляет это предположение, так как он вряд ли мог бы поддерживаться, если бы это было сопряжено с риском для каких-то важных функций. Тем не менее Нил [1578] высказал мысль, что эта «молчащая» ДНК едва ли может быть свободной от влияния мутаций и – рано или поздно – от давления отбора. Он склоняется к предположению, что частоты мутаций разных кодонов могут обнаруживать сильные различия.
Фрагментарность информации, которой на сегодняшний день мы располагаем, не позволяет даже гипотетически решить эту
190 5 Мутации
проблему. Наша цель состоит скорее в том, чтобы поставить вопросы, нежели в том, чтобы ответить на них [1510, 157, 1673]. Знакомство с результатами проведенного в последующие годы изучения структуры хроматина (разд. 2.3) позволяет надеяться, что на некоторые из этих вопросов скоро будет получен ответ.