Класифікація мутацій

Спадкові хвороби розвиваються внаслідок мутацій. Мутації — раптові, стрибкоподібні зміни генотипу.

Мутації можуть торкатися всіх морфологічних, фізіологічних, біохімічних і поведінкових ознак. Частіше мутації є шкідливими. Вони знижують життєздатність організму (напівлетальні мутації) або спричинюють його загибель (летальні мутації). Рідше мутації є нейтральними або такими, що підвищують життєздатність особин. Напівлетальні і летальні мутації відіграють важливу роль в розвитку спадкової патології людини. Вплив мутацій на життєдіяльність організмів може залежати від умов навколишнього середовища. Мутації можуть бути нейтральними за одних умов і викликати патологічні реакції при інших.

Відомо кілька класифікацій мутацій.

А. Залежно від причин, що спричинили мутацію:

1. Спонтанні, що виникають без видимих причин

2. Індуковані мутації, спричинені дією відомого мутагенного фактора

Б. Стосовно можливості спадкування

1. Соматичні, що відбуваються в соматичних клітинах

2. Генеративні, що відбуваються в статевих клітинах

В. За характером зміни генотипу

1. Генні мутації — зміни генів

2. Хромосомні мутації або хромосомна аберація — зміна структури хромосом

3. Геномні мутації — зміна кількості хромосом

Г. За фенотипічним проявом

1. Домінантні або рецесивні

2. Летальні, напівлетальні, нейтральний, корисні

Спонтанні та індуковані мутації

Спонтанні мутації виникають в звичайних (природних) умовах без цілеспрямованого впливу на організм яким-небудь мутагеном. Більша частина спонтанних мутацій виникає внаслідок помилок в роботі ферментів, що забезпечують редуплікацію, репарацію ДНК, рекомбінацію генів при кросинговері та інші процеси. До цієї груп належать також природні мутагени навколишнього середовища (космічна іонізуюча радіація, ультрафіолетове випромінювання сонячного спектру), мутації, причиною яких є ендогенні фактори (хімічна модифікація пуринових і піримідинових основ у клітинах, що приводить до спарювання їх з некомплементарними азотистими основами, наявність вільних радикалів, помилки редуплікації і репарації ДНК та ін.).

Індуковані мутації виникають під впливом відомого мутагенного фактор. Мутагенні фактори, як і при спонтанних мутаціях, порушують редуплікацію, репарацію ДНК, рекомбінацію генів і розбіжність хромосом, можуть спричинити одно- або двуниткові розриви ДНК. Вони можуть бути хімічної, фізичної і біологічної природи.

Соматичні і генеративні мутації

Соматичні мутації виникають в соматичних клітинах, не успадковуються при статевому розмноженні. Організм у якого виникли соматичні мутації називають мозаїком. Мутації, які виникають на ранніх етапах ембріонального розвитку, можуть призвести до мозаїчних форм хромосомних і моногенних хвороб (наприклад, мозаїчна форма синдрома Дауна, спорадичні випадки м’язової дистрофії Дюшенна, нейрофіброматозу).

У постембріональному періоді вони мають значення у формуванні пухлин. Кожна злоякісна пухлина є наслідком 4–7 послідовних соматичних мутацій. Соматичні мутації можуть спричинити зміни антигенних структур клітини, й імунна система організму розпочинає з ними боротьбу (аутоімунна агресія). Накопичення соматичних мутацій є однією з причин старіння.

Генеративні мутації виникають в статевих клітинах. Фенотипічно не виявляються у самого індивіда, але успадковуються і виявляються у нащадків.

ГЕННІ МУТАЦІЇ

Генні мутації (трансгенації) — це зміна будови гена. Ген у вузькому розумінні слова — це ділянка ДНК, в якій закодована інформація про будову одного білка. Мутації, що стосуються однієї пари нуклеотидів, називаються точковими або крапковими.

Виділяють стабільні і динамічні (нестабільні) мутації. Стабільні мутації, одного разу виникнувши, передаються без зміни подальшим поколінням (якщо вони не дають летального ефекту), а динамічні можуть змінюватися в наступних поколіннях. Стабільні мутації класифікуються у відповідності з характером зміни ДНК: заміни нуклеотидів, делеції, вставки, дуплікації, інверсії. До динамічних мутацій належать експансії тринуклеотидних повторів.

Види стабільних мутацій

1. Заміна нуклеотиду на комплементарний або некомплементарний. Це найпоширеніший тип мутацій. Наприклад, при серпоподібно-клітинній анемії в гені, який кодує бета-ланцюг глобіну, замість триплета ЦТЦ в шостій позиції триплет ЦАЦ. Це приводить до заміни шостої амінокислоти (замість глутамінової кислоти включається валін).

За фенотиповим ефектом мутації класифікують на міс сенс, нонсенс, сайленс --мутаціїї Міссенс-мутації приводять до заміни амінокислоти (missens — тобто із зміною сенсу ушкоджуваного триплета). Тяжкість фенотипічного прояву залежатиме від місця, в якому відбулася заміна. Заміни в активній частині білка призводять до серйозних порушень його функції.

Нонсенс – мутації (nonsense — «безглузді») - поява стоп-кодону всередині гена. Це призводить до передчасної зупинки трансляції і синтезу вкороченого фрагмента білка.

Сайленс - заміна нуклеотиду може не змінити сенсу триплету. Триплет змінюється, але через виродженість (надмірність) генетичного коду амінокислота не змінюється, і тому не змінюється структура білка. Такі мутації називаються «мовчазними» («сайленс»-мутації). В результаті нормальні гени у різних людей можуть відрізнятися за певною кількістю нуклеотидів 3 кодуючій частині. Таке явище називається нормальним поліморфізмом ДНК.

2. Делеція — втрата одного або кількох нуклеотидів. Відбувається так звана мутація зі зміною рамки зчитування.

3. Вставка одного або кількох нуклеотидів (інсерція). Якщо кількість нуклеотидів, що вклинилися, кратна трьом, то це приводить до вставки однієї або кількох амінокислот. Якщо не кратна трьом, то змінюється рамка зчитування.

Мутації зі зсувом рамки зчитування ведуть до синтезу чужорідного білка, який швидко деградує під впливом внутрішньоклітинних протеаз.

4. Дуплікація — подвоєння нуклеотидів, також приводить до зміни рамки зчитування.

5. Інверсія — поворот ділянки гена на 180°, може привести до заміни однієї або кількох амінокислот.

Якщо нонсенс-мутація або мутація зі зсувом рамки зчитування відбувається в 5’-ділянці гена (тобто ближче до його початку), то поліпептид взагалі не синтезується або повністю змінюється будова поліпептиду, що приводить до повної втрати його активності.

Мутації можуть відбуватися в некодуючій частині гена. Вони можуть фенотипічно не проявлятися. Проте мутації в інтронах можуть порушувати сплайсинг (сплайсингові мутації). Такі мутації призводять до неправильного вирізування інтронов. В результаті відбуваються значні порушення будови білка, що призводять до розвитку тяжких клінічних проявів. Сплайсингові мутації часто зустрічаються в генах, що кодують колаген.

У рідкісних випадках мутації торкаються різних регуляторних послідовностей (наприклад, промотор). Це не порушує структуру білка, але змінює швидкість та інтенсивність його синтезу. Такі регуляторні мутації призводять до кількісних змін вмісту білка в клітині.

В окремих випадках розвиток спадкового захворювання може бути пов’язаний не з безпосередніми мутаціями в гені, а з вторинними порушеннями його функції внаслідок так званого ефекту положення. Прикладом може бути лице-лопатково-плечова м’язова дистрофія, це аутосомно-домінантне захворювання, обумовлене делецією ділянки ДНК у субтеломерній частині хромосоми 4q35. Ця ділянка хромосоми не містить структурних генів. Проте мутація призводить до переміщення сусіднього гена FRG1, розташованого поряд з цією ділянкою, в ділянку впливу теломери. Внаслідок мутації порушується будова хроматину і ген інактивується (ефект положення), що приводить до розвитку захворювання.

Динамічні мутації (експансії тринуклеотидних повторів). До динамічних мутацій належать експансії тринуклеотидних повторів. Суть мутації полягає в зростанні кількості певних триплетів, розташованих в регуляторній або кодуючій частині гена. Вперше такий тип мутації був описаний в 1991 р. при вивченні будови гена, що відповідає за розвиток синдрому ламкої Х-хромосоми. Ген локалізований в довгому плечі Х-хромосоми (Хq27.3). У 5’-нетрансльованій ділянці цього гена в нормі знаходиться від 6 до 42 триплетів ЦГГ, які розташовуються один за одним, тобто тандемом. Під час мейозу в гені може відбуватися збільшення кількості копій триплету ЦГГ (так звана «експансія тринуклеотидних повторів»). Механізм збільшення кількості тринуклеотидних повторів ще недостатньо зрозумілий. Хвороба розвивається лише тоді, коли кількість повторів у цій ділянці перевершує певний критичний рівень. Хромосоми, в яких є 50–200 повторів, вважаються «премутацією». Премутації не спричинюють зміни фенотипу, але роблять цю ділянку гена нестабільною. У людини, що має премутацію, під час мейозу кількість триплетів зростає до 1000 і більше, що призводить до порушення транскрипції гена і розвитку у нащадків захворювань. Подовжена мутантна ділянка є вельми нестабільною, що призводить до подальшої зміни (частіше наростання) кількості повторів при передачі гена в наступне покоління. У зв’язку з цим мутації за типом експансії тринуклеотидних повторів дістали назву динамічні мутації. Тяжкість захворювання залежить від кількості повторів.

До сьогодні відомо більше десяти спадкових захворювань нервової системи, обумовлених динамічними мутаціями (синдром фрагільної Х-хромосоми, хорея Гентінгтона, міотонічна дистрофія, атаксія Фридрайха та ін.).

Хвороби експансії тринуклеотидних повторів мають низку спільних ознак:

— Для них характерний феномен антиципаці - наростання тяжкості симптомів захворювання і/або більш рання маніфестація в подальших поколіннях. Це обумовлено збільшенням кількості повторів при передачі генів.

— При одних захворюваннях кількість триплетів збільшується при овогенезі (синдром ламкої Х-хромосоми, міотонічна дистрофія), при інших при сперматогенезі (хорея Гентінгтона). Відповідно для одних захворювань може спостерігатися материнський ефект (більш ранній початок і значна тяжкість захворювання, якщо ген успадковується від матері — синдром фрагільної Х-хромосоми), а для інших — батьківський (хорея Гентінгтона). При мейозі може відбуватися як збільшення кількості триплетів, так і їх зменшення (практично до норми).

Деякі спадкові захворювання обумовлені експансією складніших за своєю структурою повторюваних ділянок ДНК, що складаються з десятків нуклеотидів. Серед них можна назвати спадкову форму пріонних хвороб (хвороба Крейтцфельдта — Якоба), яка в частині випадків може бути спричинена збільшенням кількості копій трансльованого повтору гена пріонного білка на хромосомі 20р. У нормі екзон гена має 5 повторів, а при хворобі може бути до 9 додаткових повторів.

За фенотипічним ефектом мутації можна розділити на три класи:

— мутації, що ведуть до повної втрати функції (loss-of-function мутації);

— мутації, що супроводжуються кількісною зміною білка — такі зміни частіше виникають при мутації в регуляторних ділянках;

— мутації, що змінюють властивості білка таким чином, що вони справляють ушкоджуючий вплив на життєздатність клітин (gain-of-function мутації).

Мутації можуть торкатися структурних, транспортних, ембріональних білків, ферментів. Від цього залежить фенотипічний ефект мутації. Генні мутації можуть призвести до загибелі організму (летальний ефект), розвитку моногенного захворювання або залишатися прихованими до певного моменту (вплив лікарських препаратів або інших ксенобіотиків).

У гені, відповідальному за моногенне захворювання, можуть відбуватися різні мутації (міссенс, нонсенс, зі зсувом рамки зчитування 1000 т. ін.). Тому ступінь зміни будови білка і ступінь зміни його функцій можуть варіювати у різних хворих. Це є однією з причин генетичного поліморфізму моногенних захворювань. А генетичний поліморфізм, у свою чергу, обумовлює клінічний поліморфізм моногенних захворювань в популяції.

Іноді різні мутації одного і того ж гена настільки по-різному змінюють структуру і функцію білка, що це приводить до цілком різних з клінічної точки зору захворювань. Наприклад, : різні мутації в гені рецептора тирозинкінази (RET) призводять до чотирьох різних захворювань, таких як сімейна медулярна карцинома щитоподібної залози, хвороба Гиршпрунга, множинна ендокринна неоплазія тип 2А (МЕН-2А) і тип 2В (МЕН-2В).

Різні мутації одного і того ж гена, що призводять до різних захворювань, називаються алельними серіями. По суті це множинні алелі. Нині відомо більше 100 таких хвороб.

Частота генних мутацій.

Сукупність мутацій, що виникли знову, створюють в популяції мутаційний тягар. Якщо мутації не змінюють життєздатність і плідність індивіда, то вони можуть передаватися з покоління в покоління за законами Менделя. Обумовлений ними генетичний тягар називається сегрегаційним тягарем. Деякі рецесивні гени можуть в гетерозиготному стані давати які-небудь переваги своїм носіям. Це сприяє накопиченню таких генів в популяції. Наприклад, у Середземноморських країнах часто зустрічається ген серпоподібно-клітинної анемії (S). Гетерозиготи за цим геном не хворіють на малярію. Гетерозиготи за геном муковісцидозу, можливо, легше хворіли на холеру, що дозволило цьому гену накопичитися на Півдні України.

Домінантні мутації, що знижують плідність або володіють летальною дією, взагалі не можуть успадковуватися. Вони кожного разу виникають знову.

Частота мутацій різних генів коливається від 10^-5 до 10^-6 на одну гамету за одне покоління (тобто від 1 мутації на 10⁵ гамет до 1 — на 10⁶ гамет). Проте це величина може варіювати від 10^-4 для високомутабельних генів до 10^-11 для найстійкіших. Приклади частот мутацій деяких генів, що спричинюють захворювання, наведено в табл.1.

Таблиця 1