20. Генные мутации, их классификация: делеции, дупликации, инверсии, транслокации. Причины и механизмы возникновения. Значение в развитии патологических состояний человека.
Неустраненные и/или неисправленные изменения химической структуры генов (сайтов, нуклеотидных последовательностей ДНК), воспроизводимые в последующих циклах репликации и проявляющиеся у потомков в виде измененных вариантов признака, называют генными мутациями.
Такие изменения можно подразделить на три группы. Мутации первой группы заключаются в замене одного нуклеотида на другой. Напомним, что нуклеотиды, из которых состоят макромолекулы ДНК, различаются по азотистому основанию, что дает право рассматривать главное событие генных мутаций первой группы как замену одного азотистого основания на другое. На их долю приходится порядка 20% спонтанно (самопроизвольно, без видимой причины) случающихся генных изменений.
Вторая группа мутаций обусловлена сдвигом «рамки считывания», что является следствием изменения числа пар нуклеотидов в пределах гена как в сторону уменьшения (делеция - потеря участка гена), так и увеличения (дупликация - удвоение участка гена). Причиной сдвига «рамки считывания» может стать встраивание (инсерция) в ген участка молекулы ДНК, в частности, вирусной природы (МГЭ, или транспозоны) или из другой хромосомы - транслокация
мутации
Мутации третьей группы связаны с изменением порядка следования нуклеотидов в пределах гена (инверсия).
Названные варианты генных мутаций в функционально-генетическом отношении отвечают принципу «все или ничего», т. е. мутация либо произошла и проявилась в фенотипе (возможно, через поколения), либо нет. Они случаются как в смысловых (экзоны), так и иных (интроны, области промоторов, энхансеров или сайленсеров, сервисные, регуля-торные или конценсусные сайты, 5' и 3' транскрибируемые, но не транслируемые участки транскриптона) нуклеотидных последовательностях ДНК. При типах мутаций, описанных выше, фенотипические эффекты наблюдаются при изменении в молекуле ДНК одного нуклеотида или в биспирали ДНК 1 п.н. Это позволяет в качестве элементарной единицы мутационного процесса (мутон) считать отдельно взятый нуклеотид или пару нуклеотидов.
утации по типу замены нуклеотидов происходят в силу разных причин. Одна из них заключается в том, что под влиянием определенных химических агентов или без видимой физико-химической причины изменяется азотистое основание нуклеотида, уже включенного в молекулу ДНК. Если такое искажение молекулярной структуры ДНК не устраняется механизмами молекулярной репарации (см. п. 2.4.5.3-а), то в ближайшем цикле репликации к измененному ну-клеотиду присоединится нуклеотид, комплементарный именно ему, а не тому, который занимал соответствующее место в молекуле ДНК до изменения. В итоге возникает новая пара нуклеотидов, что приводит к искажению биоинформации в рассматриваемом участке биспи-рали ДНК. Так, вследствие дезаминирования цитозина цитидиловый нуклеотид в паре Ц-Г превращается в уридиловый, комплементарным которому является адениловый нуклеотид. В силу отмеченного при ближайшей репликации образуется пара У-А (рис. 4.5, I), а при следующей - возникает биспираль с парой А-Т вместо пары Ц-Г. Замена пары Ц-Г на пару А-Т происходит также в том случае, если цитозин оказывается метилированным по 5-му углеродному атому. Дезамини-руемый 5-метилцитозин превращается в тимин (рис. 4.5, II), который в ближайшем репликационном цикле дает пару с аденином. Известны примеры включения в строящуюся цепь ДНК нуклеотида с химически измененным азотистым основанием или его аналогом. Если ошибка не обнаруживается, то участие ошибочно включенного «неправильного» нуклеотида в последующих репликационных циклах приводит к замене в соответствующих участках двойной спирали ДНК нормальной пары нуклеотидов на другую, что сопряжено с искажением биоинформации. Так, к адениловому нуклеотиду материнской цепи ДНК может присоединиться нуклеотид не с тимином, а с 5-бромурацилом (5-БУ). При репликации нуклеотид с 5-БУ обычно присоединяет не аденило-вый, а гуаниловый нуклеотид. В следующем репликационном цикле гуаниловый нуклеотид образует пару с цитидиловым. В итоге пара А-Т заменяется парой Г-Ц (рис. 4.6).
Из приведенных примеров видно, что замены нуклеотидов в ДНК происходят до или в процессе репликации первоначально в одной по-линуклеотидной цепи. Если эти изменения не исправляются, то в ходе последующих репликаций они становятся достоянием обеих полину-клеотидных цепей биспирали ДНК. Из сказанного следует, что важным источником генных мутаций по типу замены нуклеотидов являются нарушения процессов репликации и репарации ДНК.
Следствием замены одного нуклеотида в макромолекуле или 1 п.н. в биспирали ДНК является образование нового триплета в нуклеотидной последовательности, кодирующей последовательность аминокислот в полипептиде. В силу вырожденности генетического кода в 25% таких замен возникает триплет-синоним, что не дает изменений аминокислотной последовательности в соответствующем полипептиде. 2-3% замен ведут к образованию триплетов-терминаторов (стоп-кодонов), что фенотипически проявляется в трансляции на мутантных и(м)РНК укороченных полипептидов. Еще один вариант генных мутаций по типу замены нуклеотидов приводит к появлению триплетов, шифрующих другие аминокислоты, которые, однако, характеризуются сходными физико-химическими свойствами, являясь, например, также гидрофобными. Это хотя и ведет к изменению аминокислотного состава полипептида, тем не менее не вызывает резкого изменения его характеристик (см. п. 2.4.5.3-а). Таким образом, генные мутации с полномасштабным фенотипическим эффектом составляют порядка 70-75% всех изменений макромолекулярной структуры ДНК, связанных с нуклеотидными заменами. В качестве примера приведем изменение в гене β-глобина аллеля А («дикий тип») гемоглобина человека на аллель серповидно-клеточности эритроцитов S (мутантный). Фенотипические проявления мутации, ведущее положение среди которых занимает болезнь «серпо-видноклеточная анемия», многообразны (см. рис. 4.3). Суть мутации сводится к замене второго нуклеотида (Т) в триплетах, кодирующих стоящую в β-полипептиде на 6-м месте глутаминовую кислоту (ЦТТ или ЦТЦ), на нуклеотид (А), превращающих их в триплеты, кодирующие аминокислоту валин (ЦАТ или ЦАЦ).
Генные мутации по типу сдвига «рамки считывания» составляют немалую часть спонтанных (самопроизвольных, случающихся без очевидной причины) мутаций. Их число возрастает при действии некоторых химических соединений, в частности акридиновых. Выпадение нуклеотидных пар (делеция) на достаточно протяженных участках макромолекул ДНК типично для мутаций под действием рентгеновских лучей. У плодовой мухи, например, имеется мутация по типу делеции, вызываемая рентгеновским облучением и фенотипически проявляющаяся в изменении окраски глаз, при которой ген, ответственный за цвет глаз, теряет порядка 100 п.н. Действуя на фаг Т4 химическим веществом профлавином, вызывают мутации, состоящие как в выпадении, так и во вставках нуклеотидных пар. При этом фенотипический эффект наблюдается, если в биспирали ДНК появляется или ею теряется всего 1 п.н.
Значительное количество вставок объясняется встраиванием в ДНК МГЭ (транспозонов).
С определенной вероятностью вставки и выпадения п.н. происходят вследствие ошибок рекомбинации, например, при неравном кроссинго-вере (рис. 4.7). Если вследствие неравного кроссинговера в ген встраивается фрагмент псевдогена, говорят о генной конверсии. Такой вариант отражает суть большинства известных мутаций гена фермента 21-гидроксилазы, приводящих к развитию у человека адреногениталь-ного синдрома (врожденная гиперплазия коры надпочечников).
К выпадению или вставкам пар нуклеотидов приводят достаточно частые мутации в сайтах сплайсинга - на границе интронов и экзонов. Эти мутации проявляются в нарушении акта вырезания интронов из пре-и(м)РНК транскрипта. В результате созревающая и(м)РНК лишается части или всего экзона. Еще один возможный вариант - сохранение в и(м)РНК интронной нуклеотидной последовательности.
Считывание информации с ДНК - непрерывный процесс, т. е. ген транскрибируется одним блоком с началом в точке инициации и завершением в точке терминации (транскрибируемые, но не транслируемые 5'- и 3'-участки транскриптона в данном случае в расчет не принимаются, см. п. 2.4.5.5). Учитывая сказанное, а также свойство непере-
Рис. 4.7. Мутация со сдвигом «рамки считывания» вследствие неравноценного обмена наследственным материалом при внутригенном кроссинговере: I - разрывы аллельных генов в разных участках и обмен фрагментами между ними; II - выпадение 3-й и 4-й пар нуклеотидов, приводящее к сдвигу «рамки считывания»; III - удвоение 3-й и 4-й пар нуклеотидов, сдвиг «рамки считывания»
Рис. 4.8. Результат изменения числа нуклеотидных пар в биспирали ДНК. Сдвиг «рамки считывания» вследствие вставки одного нуклеотида в кодогенную цепь нуклеиновой кислоты приводит к изменению аминокислотного состава соответствующего полипептида
крываемости генетического кода (см. п. 2.4.5.2), становится понятным, почему выпадения или вставки нуклеотидных пар, сдвигая «рамку считывания», ведут к изменению содержания генетической информации и, таким образом, представляют собой истинные мутации (рис. 4.8). Иногда следствием сдвига «рамки считывания» становится образование стоп-кодона, что приводит к синтезу укороченного полипетида. Если из биспирали ДНК теряются или в ней появляются дополнительно пары нуклеотидов, количество которых кратно трем, то сдвига «рамки считывания» не происходит (свойство триплетности генетического кода, см. п. 2.4.5.2). На уровне трансляции в таких случаях в образуемых полипептидах соответственно теряются или приобретаются дополнительные аминокислотные остатки.
Мутации по типу изменения положения определенного числа пар нуклеотидов в макромолекуле ДНК происходят вследствие поворота участка нуклеиновой кислоты на 180° (инверсия). Обычно этому предшествует образование соответствующим участком ДНК петли, в пределах которой репликация происходит в направлении, обратном «правильному». На уровне трансляции это проявляется в частичном изменении порядка следования аминокислотных остатков в полипептиде, что меняет его функциональные свойства.
Мутации по типу экспансии нуклеотидных повторов, так же как и другие варианты генных мутаций, случаются как в транслируемых (информативных - экзоны), так и в нетранслируемых (неинформативных - интроны) частях генов, что накладывает свой отпечаток на фенотипи-
ческие проявления. Так, экспансия тринуклеотида (триплета) ЦАГ, кодирующего аминокислоту глутамин, в транслируемой части генов до 40-80 повторов, не нарушая процессов транскрипции и трансляции, приводит к появлению в молекуле полипептида «трека» из соответствующего количества глутаминовых аминокислотных остатков. Такой увеличенный в размерах белок функционально дефектен. Мутации описанного типа лежат в основе развития наследственных нейродегене-ративных патологий, в частности хореи Гентингтона («пляска святого Витта» - одним из ведущих клинических фенотипических проявлений является гиперкинез).
Если мутация локализуется в нетранслируемой части гена, то количество, например, ЦГГ-повторов, соответствующее пороговому значению, исчисляется сотнями и тысячами. Клинико-фенотипические проявления мутаций такого типа разнообразны: синдром Мартина-Белла (ломкая хромосома Х) с классической триадой признаков - олигофрения, дисморфия (нарушения процессов морфогенеза в онтогенезе), макроор-хидизм.
Генные мутации классифицируют по ряду оснований.
Большинство изменений макромолекулярной структуры генов фено-типически неблагоприятно (классификация по влиянию на жизнеспособность и/или плодовитость особей) - вредные генные мутации. Среди них выделяют летальные и полулетальные мутации. Первые несовместимы с жизнью в принципе, вторые ограничивают жизнеспособность организма настолько, что он, как правило, не способен достичь возраста половой (репродуктивной, биологической) зрелости, принять участие в размножении и, таким образом, передать свои гены (аллели) организмам следующего поколения.
Закономерен вопрос, почему вновь возникающие мутации обычно вредны. Здесь не следует забывать, что структурно-функциональная организация геномов клеток и организмов носит системный характер. С одной стороны, мутационные изменения закономерны, т. е. они происходят у всех живых форм без исключения регулярно с частотой в среднем 10-5-10-7 мутаций на один локус за поколение. С другой - мутационные изменения случайны в том смысле, что практически невозможно предсказать, когда, какой ген и с какими биоинформационными (фенотипическими) последствиями мутирует. Важно, однако, то, что мутируют гены, встроенные в систему функционально взаимодействующих и взаимовлияющих генов (нуклеотидных последовательностей, сайтов ДНК). В таких условиях каждая мутация, чтобы не нести в себе неблагоприятные фенотипические последствия, должна с момента своего возникновения удовлетворять «правилам», по которым существует система генома (см. п. 4.3.1.1, генотипическая или среда 1-го порядка).
Редко случаются изменения генов с благоприятными фенотипиче-скими последствиями - полезные генные мутации. Известны нейтральные генные мутации, не сказывающиеся на жизнеспособности и репродуктивном потенциале.
Большинство вновь возникающих мутаций (классификация по проявлению в гетерозиготном состоянии) дает рецессивный аллель, кото-
рый, будучи по своим фенотипическим последствиям обычно вредным, у диплоидных эукариот на некоторое время укрыт от действия естественного отбора в гетерозиготах. Предположительно именно это сыграло ведущую роль в формировании резерва наследственной изменчивости. Реже аллели, образующиеся вследствие мутации, проявляют свойства доминантности или кодоминирования (см. п. 4.3.1.2).
Генетики начала и середины ХХ в. выделяли спонтанные (самопроизвольные, случающиеся без видимой причины) и индуцированные (вызываемые факторами известной природы - химические соединения, ионизирующее излучение, биологические агенты, в частности вирусы) мутации - классификация по происхождению. На настоящий момент актуальность приведенной классификации, с одной стороны, несколько снизилась в связи с тем, что многое стало известно о природе факторов спонтанного мутагенеза - активные формы кислорода, ионизирующее излучение космического происхождения, внутриклеточные тепловые колебания. С другой стороны, в связи с появлением значительного количества производимых промышленностью мутагенов, в число которых входят удобрения, инсектициды и пестициды, лекарства, средства борьбы с бытовыми насекомыми и другие химические вещества, а также все более широко используемые в быту приборы и устройства, эксплуатация которых связана с электромагнитными и другого рода излучениями, осознается необходимость мониторинга присутствия и концентрации в среде жизни людей факторов, индуцирующих мутагенез.
Различают также мутации прямые (классификация по направлению), которые переводят аллель «дикого типа» в мутантный аллель, и обратные (реверсии), возвращающие мутантный аллель в алелль «дикого типа», биохимические, морфологические, физиологические, поведенческие и др. (классификация по фенотипическому проявлению), цитоплазматические (митохондриальные, в клетках растений - также пластидные) и ядерные (классификация по локализации в клетке изменяемого генетического материала).
Принципиально деление мутаций на генеративные, случающиеся в половых клетках, и соматические, затрагивающие генетический аппарат соматических клеток (классификация по месту возникновения и характеру наследования). Мутации различного ранга (генные, хромосомные, геномные), возникающие в соматических клетках, наследуются потомками этих клеток, что делает организм генотипическим мозаи-ком, т. е. особью со смешанными клеточными популяциями, которые содержат как генетически нормальные, так и мутировавшие клетки.