Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы генетики. Учебное пособие
.pdf
только что транскрибированная РНК имеет много «лишних»
(некодирующих) участков (рис. 3.4). Только очень немногие
структурные гены вообще не имеют интронов. По завершении
транскрипции первичный мРНК-транскрипт разрезается ферментами. Из него вырезаются интроны, а экзоны сшиваются
друг с другом «торец в торец» с образованием функциональной
мРНК (этот процесс называется сплайсингом мРНК). Иногда
сплайсинг мРНК может проходить по альтернативному варианту. Например, в одной ткани функциональная мРНК может
образовываться в результате соединения всех экзонов первичной мРНК, а в другой какой-то экзон будет вырезан вместе
с интронами и образуется другая функциональная мРНК.
Благодаря альтернативному сплайсингу в разных тканях могут образовываться с помощью одного и того же структурного
гена разные белки. Такой сплайсинг характерен не менее чем
для половины генов человека. В среднем на одном гене за счет
альтернативного сплайсинга может образоваться три разных
белка. Таким образом существование альтернативного сплайсинга разрушает формулу «один ген — один белок».
Ошибки процесса разрезания-сшивки гена, которые затра-
гивают места между экзонами и интронами, могут приводить
к сплайсинговым мутациям. Захват в область интрона части экзона приводит к синтезу укороченного белка, а проведение разреза по интронной области — к обессмысливанию структуры мРНК
и, соответственно, белка. Как правило, сплайсинговые мутации
вызывают заболевания, которые протекают очень тяжело.
Что такое геном человека? В современной интерпретации
понятие геном шире, чем первоначальное, когда под геномом
понимали совокупность всех генов организма. Сейчас геномом
П-образными стрелками указаны места удаления интронов a и b
Рис. 3.4. Сплайсинг первичной мРНК.
71
называют всю наследственную систему клеток, представленную
ДНК всех хромосом организма данного вида. При полной расшифровке генома человека в рамках программы «Геном человека»
была определена последовательность оснований во всех участках
ДНК, а не только в области генов. Оказалось, что около 70% генома представляют собой последовательности, не кодирующие
ни белки, ни функционально значимые РНК. В этих межгенных
участках содержатся элементы, включающие гены и способствующие репликации ДНК. Часть же текстов, записанных в них,
кажутся пока ученым полной бессмыслицей, и на сегодняшний
день практически ничего не известно об их функции.
Задание 3.4. Митохондриальная или цитоплазматическая
наследственность. ДНК, необходимая для функционирования
клеток, содержится не только в ядре, но и в некоторых клеточных
органеллах. В частности, имеется митохондриальная ДНК (митДНК), содержащая так называемые митохондриальные гены.
1) Что это за ДНК?
2) Каковы ее отличия от ядерной ДНК?
3) Для самопроверки воспользуйтесь ответом, приведенным
ниже.
МитДНК небольшая по сравнению с ядерной ДНК, но имеет
большое значение для организма. В клетках человека насчитывается от 100 до 1000 митохондрий, и в каждой из них имеется
от 2-х до 10-ти молекул кольцевой митДНК. Эта ДНК — часть
генома человека, ее называют митохондриальным геномом.
Размер митохондриального генома в 200 000 раз меньше ядерного, он включает всего 37 генов. Эти гены ответственны за
синтез важных для клетки митохондриальных белков, участвующих в обеспечении организма энергией.
Геном митохондрий подвержен мутациям не менее, а даже,
быть может, более, чем ядерный. В нем происходят и точковые
мутации, и небольшие потери ДНК — делеции и, наоборот, вставки — инсерции. Патологические мутации обнаружены почти
во всех митохондриальных генах. В настоящее время описано
около 30 наследственных заболеваний, связанных с мутациями
в митДНК. Это атрофия зрительного нерва Лебера, митохондриальная миоэнцефалопатия и др. Митохондриальные белки синтезируются во всех тканях и особенно в нервах и мышцах, поэтому
при митохондриальных наследственных болезнях имеются множественные (системные) нарушения. Им свойственно наличие
мышечных поражений в виде судорог и нарушений сердечного
ритма, а также нейропатий и нарушений зрения.
72
2. ГЕННЫЕ МУТАЦИИ КАК ПРИЧИНА
НАСЛЕДСТВЕННЫХ БОЛЕЗНЕЙ
Определение генной мутации. Любые два человека (если
они не однояйцовые близнецы) имеют значительные индивидуальные различия (различия по фенотипу). Они вызваны
в первую очередь особенностями их ДНК. Различия между
нуклеотидными последовательностями ДНК разных индивидуумов связаны с тем, что за время существования человечества в геноме накопилось большое число случайных изменений.
Изменения в структуре генов называют или генными мута-
циями или полиморфизмами. Различия между мутациями
и олиморфизмами достаточно условные. Если определенные
изменения в участке ДНК имеются более чем у 1% людей,
их относят к полиморфизмам, если изменения встречаются
реже — к мутациям. Полиморфизмы обычно свойственны
здоровым людям, а мутации ассоциируются с заметными отклонениями от нормы. Мутации достаются каждому из нас от
наших родителей — т. е. наследуются. Вместе с тем они могут
возникать заново. То, что мутации продолжают происходить
и в настоящее время, видно по родословным, в которых появляются индивидуумы с доминантными болезнями. В таких
случаях говорят о спорадическом, т. е. первичном, единичном
случае заболевания среди многих поколений. Обычно такие
мутации бывают случайными. Однако им могут способствовать воздействия на организм радиоактивного излучения или
химических веществ, называемых мутагенами.
Заранее предсказать, когда именно произойдут мутации
и где, нельзя, поэтому для их изучения применяют статистические методы. Частотой мутации называют вероятность,
с какой половая клетка может подвергнуться определенной
мутации за свою жизнь. Частоту мутаций для какого-либо
доминантного заболевания можно определить по количеству
спорадических случаев. Например, как это было сделано для
особой формы карликовости (ахондроплазии), которая является давно известным доминантным заболеванием. Мутация,
вызывающая карликовость, обладает высокой пенетрантностью (проявляемостью), т. е. все, у кого она имеется, демонстрируют мутантный фенотип. Мутация в гене ахондроплазии
произошла исторически давно, что нашло отражение в древних рисунках и статуях. Исследования медиков показало, что
распространение этой болезни связано не только с передачей
патологического гена по наследству, но и с новыми мутация-
73
ми в нормальном варианте гена. Из 94 075 детей, родившихся
от нормальных родителей в больницах Копенгагена, ахонд-
роплазия наблюдалась у 8-ми. То есть на 12 тыс. рождений
приходится приблизительно один спорадический случай ахон-
дроплазии. Поскольку у каждого ребенка по два идентичных
гена, из которых мутировать мог каждый, то частота мутации
одного гена ахондроплазии равна 1 : 24 000, или 4×10
–5
, что
является довольно редким событием.
Типы генных мутаций. Возникают мутации, в основном,
во время репликации ДНК и различаются по протяженности
охваченного ими участка ДНК. Это могут быть как точковые,
так и протяженные мутации. Точковые мутации, которые
случают в одном или нескольких нуклеотидах гена, являются
самыми распространенными. К ним в первую очередь относятся мутации с заменой пар оснований (их также называют
миссенс-мутации) в участке ДНК. Мутации с заменой пар
оснований случаются обычно при репликации ДНК, когда
в качестве нового основания во вновь синтезируемой цепи
появляется не то основание, которое должно было присоединиться по правилам. Они происходят как спонтанно, так и под
действием различных мутагенов. Хорошо известно, например,
мутагенное действие аналога тимина — 5-бромурацила. Аналоги оснований — это мутагенные молекулы, очень похожие
на обычные основания и способные встраиваться в ДНК. Например, 5-бромурацил подобен тимину и может встраиваться
в ДНК как парное основание для аденина. Но иногда в нем
происходит внутренний сдвиг, и тогда он принимает свойства
цитозина. Если такой сдвиг происходит во время следующего
раунда репликации ДНК, то с 5-бромурацилом соединяется
гуанин. В следующем раунде репликации прежняя пара А-Т
заменяется на Г-Ц.
Другие мутагены, такие как нитрозамины, вызывают
превращение (сдвиг) гуанина в метилгуанин. В отличие от
нормального гуанина, метилгуанин иногда образует пару
с тимином (вместо цитозина), что тоже приводит к мутации
(рис. 3.5). Нитрозамины обычно образуются в кислой среде
желудка из нитритов, и это является важным аргументом
против бесконтрольного употребления нитритов в пищевой
промышленности. Поскольку повреждения от 5-бромурацила и нитрозаминов происходят обычно при репликации,
к действию этих агентов прежде всего восприимчивы делящиеся клетки, включая и клетки, находящиеся в процессе
гаметогенеза.
74
Рис. 3.5. Мутация с заменой пар оснований, вызванная нитрозамином
Точковые мутации с заменами оснований могут происхо-
дить спонтанно и без влияния химических мутагенов. Это
связано с тем, что основания ДНК могут существовать в особых формах, в которых они приобретают свойства других оснований. Так, например, в обычной форме аденин соединяется
с тимином, а в особой форме образует пару с цитозином. При
последующей репликации в ДНК вместо пары А-Т появится
пара Г-Ц.
Когда мутации не сильно изменяют общую структуру коди-
руемого геном белка, их называют нейтральными или молчащими. Однако часто мутации заметно искажают пространственную структуру белка, и мутации становятся значащими.
Значащие мутации часто приводят к возникновению различных наследственных болезней. Таковыми являются и многие
мутации с заменой оснований в кодирующей части гена (миссенс-мутации). Если они приводят к полной или частичной
потере функциональной активности белка, то вызывают развитие наследственного заболевания. Известны примеры, когда
замена даже одного основания вызывает патологию. Таковой
является серповидноклеточная анемия. При серповиднокле-
точной анемии эритроциты принимают серповидную форму
(в норме эритроцит имеет форму плоского диска), что позволяет легко выявить болезнь. При этом заболевании гемоглобин
эритроцитов больных отличается от нормального гемоглобина
по способности переносить кислород крови, в результате чего
у них развивается достаточно тяжелая анемия (малокровие).
Обнаружено в общей сложности более 200 различных видов
мутантных гемоглобинов, большинство из которых вызывают
серповидноклеточную анемию. Гемоглобин человека состоит
из α- и β-цепей. Мутации как правило обусловлены заменой
75
короткой последовательности аминокислот, а часто и только
одной аминокислоты, либо в α-, либо в β-цепи. Аминокислоту,
на которую произошла замена в мутантном белке, современными методами можно легко определить. В табл. 3.3 приведены
некоторые из известных мутаций такого рода. Для отличия
от мутантных форм нормальный гемоглобин называют HbA.
Названия же аномальных форм часто происходят от названий
тех мест, где эти формы были обнаружены. В других случаях
они имеют буквенные обозначения. Таким образом, серповидноклеточная анемия является молекулярной болезнью генетического происхождения, при которой замена аминокислоты
в белке представляет собой результат точковой мутации в гене
ДНК, кодирующем его синтез.
К большой группе точковых мутаций относятся и мутации
с делециями или вставками в ген нескольких оснований.
Некоторые делеции и вставки оснований могут происходить
спонтанно. Например, основания аденин и гуанин выпадают
из ДНК с достаточно высокой частотой. К счастью, в клетках
имеются механизмы восстановления, которые вновь вставляют основания в нужные места или вырезают искаженные
последовательности и заменяют их вновь синтезируемыми. Но
часть повреждений ДНК не восстанавливается, и они становятся мутациями. Известны и мутагенные факторы, которые
сходным образом повреждают ДНК. Один из мутагенов — краситель профлавин был использован еще в экспериментах
Уотсона и Крика для подтверждения их идеи о триплетности
генетического кода.
Будучи, как и мутации с заменой пар оснований, локальными по своей природе, делеции и вставки нуклеотидов могут
приводить к более серьезным нарушениям функции гена изза сдвига рамки считывания генетического кода. При сдвиге
в считываемый триплет вовлекаются основания из соседнего
триплета, и код каждого следующего триплета также нарушается (рис. 3.6). Такой сдвиг может приводить к преждевременному появлению стоп-кодонов в гене и мРНК и преждевременному прекращению синтеза белка, а также к синтезу сильно
искаженного белка. Мутации, связанные с преждевременным
появлением стоп-кодонов в гене, называют нонсенс-мутация-
ми. Они обладают сильным повреждающим действием. Примером болезни, связанной с преждевременным образованием
в гене стоп-кодона, является синдром Холта-Орама (синдром
«рука-сердце»). Он характеризуется скелетными аномалиями пальцев рук и пороками сердца. Мутированным при этом
76
1. УЦУ УА У ЦУЦ А*АГ АГЦ ГГА ЦУА АА Г…. УАА
2. Сер Тир Лей Лиз Сер Гли Лей Лиз Стоп
3. УЦУ УА У ЦУ Ц АГ А ГЦ Г ГАЦ УАА АГ УАА
4. Сер Тир Лей Арг Ала Асп Стоп
Рис. 3.6. Делеция основания, приведшая к сдвигу рамки
1 и 2. строки показывают исходную мРНК и соответствующую ей цепь
аминокислот в белке; 3 и 4 строки показывают последовательность
оснований в мРНК после делеции основания, отмеченного *,
а также соответствующую новому коду последовательность аминокислот
считывания генетического кода.
в белке
синдроме оказывается ген, расположенный на 12-й хромосоме.
Всего в этом гене обнаружено 8 мутаций, и большая часть из
них связана с преждевременным образованием стоп-кодона.
Таблица 3.3
Последовательность первых 17 аминокислот β-цепи
гемоглобина человека с указанием некоторых мутаций
Позиция Аминокислоты
в норме
1. Вал
2. Гис Тир Тогучи
3. Лей
4. Тре
5. Про
6. Глу Вал S
7. Глу Лиз
8. Лиз
Замена
при мутации
Лиз Х, С
Гли
Название мутации
Джорджтаун,
Сириадж
G
77
Окончание табл. 3.3
Позиция Аминокислоты
в норме
9. Сер Цис Порто-Алегре
10. Ала
11. Вал
12. Тре
13. Ала
14. Лей Арг Сорст
15. Три
16. Гли Арг D, Бушман
17. Лиз
Замена
при мутации
Асп J, Балтимор,
Название мутации
Тринидад
Более обширными мутациями с делециями и вставками
в кодирующую часть гена являются мутации, вызванные
ошибками сплайсинга. Они затрагивают участки ДНК на стыке экзонов и интронов (см. рис. 3.4) и сопровождаются либо
вырезанием экзона и образование укороченного белка, либо
вставкой интронной области и образованием бессмысленного
белка. Как правило, сплайсинговые мутации обуславливают
тяжелое течение болезни.
Среди протяженных мутаций выделяются динамические
мутации или мутации экспансии. Они представляют собой патологическое увеличение числа повторов некоторых триплетов.
Многие триплеты и в норме могут повторяться в гене по несколько раз. Люди обычно различаются по количеству таких повторов,
оставаясь здоровыми. Однако у некоторых индивидуумов их
число достигает патологического уровня и вызывает болезнь.
Примерами болезней с мутациями экспансии являются хорея
Гентингтона, синдром ломкой Х-хромосомы, миотоническая
дистрофия, болезнь Кеннеди. При хорее Гентингтона в матричной цепи гена имеется участок, состоящий из многократных
повторов триплета ГТЦ (в кодирующей цепи и мРНК — ЦАГ).
Миотоническая дистрофия связана с экспансией триплета ГАЦ
(в мРНК — ЦУГ), болезнь Кеннеди — триплета ГТЦ (в мРНК —
ЦАГ). В сумме экспансия триплетов ЦАГ (по мРНК) обнаружена
при 8 дегенеративных заболеваниях нервной системы.
Рассматривая значение мутаций для организма, нужно
иметь в виду, что они не только могут вызвать потерю функции
78
белка, но и привести к приобретению белком новой аномальной функции. Кроме того, случаясь в регуляторных участках
гена, мутации могут изменить количество белка в клетке. Мутации первого типа (потеря функции белка) могут оказаться
чрезвычайно опасными и даже летальными для организма.
Но и вторые часто приводят к возникновению тяжелых наследственных болезней из-за токсичности нового продукта.
Иногда трудно бывает понять, к какому из этих трех типов
относится мутация. Так, мутация в гене гентингтине, вызывающая хорею Гентингтона, уже достаточно давно изучена на
молекулярном уровне. Известна структура аномального белка.
Известно, что у больных число повторов триплета ЦАГ в мРНК
достигает нескольких сотен, и поэтому в синтезированном
белке имеется избыток кодируемой этим триплетом аминокислоты глутамина. Однако почему аномальный белок оказывает
столь разрушительное воздействие на мозг, так и остается
неясным. Проще всего предположить, что белок с аномально
большим количеством глутамина, не может нормально функционировать. Однако гипотеза «утраты функции» не проходит,
поскольку это заболевание доминантное и развивается также
у гетерозигот, имеющих вторую копию гена гентингтина нормальной. Другими словами в клетках гетерозиготных больных
присутствует достаточное количество нормального белка, но
в присутствии мутантного белка он почему-то не может выполнять свою функцию. Возникает другая гипотеза, гипотеза об
«изменении функции». Согласно ей, мутация в гене приводит
к синтезу токсичного белка, который может успешно конкурировать с нормальным белком в биохимических процессах,
но направлять их по ложному пути.
Не следует, однако, забывать, что генные мутации могут
быть важны для человека не только в отрицательном, но и в положительном смысле. В качестве примера можно привести
широко известную мутацию человека — делецию части гена
CCR5. Эта мутация вызывает невосприимчивость людей к вирусу СПИДа (к вирусу иммунодефицита человека). В Европе
такая мутация встречается у 9% людей. Им СПИД не страшен.
Но в Африке она встречается менее чем у 0,1% жителей.
Гетерогенность наследственных болезней. Особенностью
генных болезней является их гетерогенность. Это означает,
во-первых, что одно и то же фенотипическое проявление может
быть вызвано разными мутациями внутри одного гена, если
все эти мутации нарушают функцию белка. Во-вторых, гетерогенность некоторых наследственных болезней может быть
79
связана с наличием в популяции генокопий, т. е. болезней
с одинаковыми симптомами, но вызванными мутациями в разных генах. Иногда отграничить разные формы одной и той же
болезни не представляется возможным, поэтому их считают
одной болезнью. Когда находятся соответствующие методы,
выделяют несколько ее нозологических форм. Например, гемофилию ранее считали одной болезнью, потом было показано,
что имеются гемофилии A и B, которые контролируются генами разных локусов, локализованных в Х-хромосоме (см. рис.
1.8). Наличие генокопий при гемофилии связано с тем, что
в организме человека имеется более десяти разных факторов
свертывания крови, нарушение синтеза каждого из которых
приводит к длительному кровотечению. Еще один пример:
пигментная дегенерация сетчатки может быть обусловлена
несколькими генами, локализованными в аутосомах, а также
в Х-хромосоме.
Мутагенные факторы. Мутации могут быть индуцированы
многими химическими веществами, а также коротковолновым излучением (ультрафиолетом, рентгеновскими и γ-лучами), которые могут влиять на основания ДНК и вызывать
в ней структурные изменения. Мутагенное действие разных
физических и химических факторов в первую очередь проявляется в провоцировании опухолей. Это связано с тем,
что основой опухолевого перерождения является появление в организме генетически измененных клеток, которые
начинают неконтролируемо размножаться. Так, например,
основная угроза ультрафиолетового облучения — развитие
рака кожи. Известно, что среди работающих на открытом
воздухе, под лучами солнца, случаи рака кожи выше средних показателей. У фермеров США, например, более часто
чем в среднем по популяции обнаруживается рак кожи шеи,
а у водителей грузовиков рак развивается чаще на левой
руке, чем на правой. Мы живем в мире, заполненном отходами и продуктами промышленного производства, влияние
которых на ДНК пока еще плохо изучено. Однако некоторые
из них определенно являются мутагенами. Так, при сгорании
многих веществ образуется бензопирен, который ферментами
печени преобразуется в форму, реагирующую с ДНК. Бензопирен образуется и при копчении продуктов. Многим, кому
нравится арахис и арахисовое масло, полезно знать, что на
их поверхности образуется плесень, вырабатывающая афлатоксины, еще один класс мутагенов. Не следует забывать
и о самом распространенном мутагене — о табачном дыме.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]