Генные мутации
Мутации этого типа, как
правило, затрагивают единичные
гены и образуются наиболее часто. С
ними связано большинство изменений
морфологических, биохимических и
физиологических признаков организма.
В зависимости от
направления изменения признака
различают пять типов генных
мутаций (по Г. Меллеру, 1928): гиперморфные
- приводящие к усилению действия
гена за счет увеличения синтезируемого
под его контролем продукта; гипоморфные
- ослабляющие действие гена за
счет уменьшения количества биохимического
продукта, кодируемого аллелью дикого
типа; неоморфные - ведущие к образованию
мутантной аллели, кодирующей синтез
продукта, отличающегося от продукта,
синтезируемого под контролем
соответствующего гена дикого
типа и не взаимодействующего
с ним; аморфные - инактивирующие
действие гена; антиморфные - противоположные
по действию аллелям дикого
типа.
Поскольку генные мутации
нередко слабо изменяют различные
признаки организма, их относят
к “малым” мутациям. Последние
создают основу для эволюционной
пластичности видов в природных
условиях и служат материалом
для селекционной работы, направленной
на получение и отбор полезных
мутаций, для создания новых
сортов растений, пород животных
и штаммов микроорганизмов с
нужными комбинациями наследственных
признаков.
Для идентификации
и изучения мутаций различных
типов используют несколько методов.
Метод гибридологического анализа
позволяет следить за расщеплением
и рекомбинацией маркеров и
тем самым сравнительно легко
различить хромосомы (ядерные)
и внехромосомные (цитоплазматические)
мутации. У эукариот первые
подчиняются закономерностям наследования
при моногибридном скрещивании,
поскольку они проходят через
стадию мейоза. У прокариот, лишенных
мейоза, наследование совместно
с известными сцепленными хромосомными
или цитоплазматическими генами
служит показателем соответствующей
локализации мутаций. Цитогенетический
метод, основанный на исследовании
строения хромосом под световым
микроскопом, позволяет выявить
мутации, связанные с крупными
хромосомными перестройками. Биохимический
метод дает возможность в ряде
случаев непосредственно проследить
за изменениями в последовательностях
нуклеотидов в пределах отдельных
генов и сравнить их с изменениями
в составе и структуре кодируемых
ими продуктов.
Все названные и
ряд других методов позволяют
исследовать частоту образования
и природу мутаций, провести
их идентификацию.
Молекулярный механизм генных
мутаций
Различают два основных типа
внутригенных мутационных изменений:
замену оснований и мутации со
сдвигом рамки, связанные с выпадением
или вставкой одного или нескольких
оснований.
Мутации, затрагивающие
лишь одну пару оснований и
приводящие к ее замене на
другую, удвоению или делеции,
называют точковыми.
Замена оснований возникает
следующими путями:
1. Замена одного пурина
на другой пурин или пиримидина
на другой пиримидин. Эти замены
называются транзициями. Возможно
4 типа транзиций: А?Г, Т?Ц.
2. Замены пурина на пиримидин
и наоборот. Такие замены, называемые
трансверсиями, могут быть 8 типов:
А?Т, А?Ц, Г?Ц, Г?Т. Тип замены
оснований может зависеть от
особенностей мутагенного воздействия,
обусловившего индукцию мутации,
а также от того, какая последовательность
нуклеотидов окружает изменяющееся
основание.
Мутации замены оснований
приводят к появлению двух
типов мутантных кодонов в
иРНК - с изменённым смыслом (миссенс)
и бессмысленного (нонсенс). Результатом
миссенс-мутации, ведущей к изменению
кодирующих триплетов, может быть
замена одной аминокислоты в
полипептиде на другую, однако, поскольку
код имеет вырожденный характер,
не всякая мутация в кодоне
приводит к замене аминокислоты.
Кроме того, не всякая замена
аминокислоты отразится на функциональной
активности белка. Следовательно, в обоих
случаях мутация останется не выявленной.
Это объясняет, почему частоты мутаций
в данном гене и встречаемость мутантов
по нему могут не совпадать. Тем не менее,
в ряде случаев миссенс-мутация может
иметь серьёзные последствия для организма.
Примером мутации такого типа может служить
появление гемоглобина S при серповидно-клеточной
анемии у человека. Известно, что гемоглобин
S - один из вариантов нормального гемоглобина
А, состоящего из двух идентичных ?-цепей
и двух идентичных ?-цепей. Лица, гомозиготные
по мутантной аллели, кодирующей синтез
аномальной ?-цепи, страдают тяжелой формой
гемолитической анемии. В условиях недостатка
кислорода гемоглобин S образует кристаллоподобные
сцепления, нарушающие морфологию эритроцитов.
Они удлиняются, принимая серповидную
форму. Такие аномальные клетки могут
закупорить мелкие сосуды и прекратить
тем самым доступ кислорода различным
тканям. Сравнение аминокислотных последовательностей
?-цепей гемоглобинов А и S показало, что
различие между ними определяется заменой
только одной аминокислоты. В ?-цепи гемоглобина
А шестой аминокислотой, считая от NН2-конца,
является отрицательно заряженная глутаминовая
кислота, а в том же положении ?-цепи гемоглобина
S находится нейтральный валин. Такая замена
связана с миссенс-мутацией типа трансверсии
ТА?АТ, приводящей к замещению тимина на
аденин в триплете, расположенном в транскрибирующейся
цепи ДНК. В результате последующей репликации
пара ТА меняется на АТ, а в соответствующем
кодоне вместо аденина появляется урацил.
Кодон ГА (пурин) кодирует глутаминовую
кислоту, кодон ГУ (пурин)- валин.
По характеру влияния
на активность ферментов различают
несколько типов миссенс-мутаций.
Мутации, приводящие к образованию
менее активных ферментов либо
снижающие уровень их синтеза,
называют растекающимися или
ликовыми (от англ. leaky - пропускающий,
неплотный). Некоторые миссенс-мутации
приводят к продукции ферментов
с нормальной активностью в
одних (“пермиссивных”), но слабоактивных
в других (“непермиссивных”) условиях.
К подобным мутациям относятся
все описанные выше условно
летальные мутации в генах,
кодирующих какую-либо жизненно
важную функцию, например, репликацию
ДНК.
Отличительная особенность
миссенс-мутаций - их способность
к внутригенной (межаллельной) комплементации,
приводящей к образованию функционально
активного фермента в случае
комбинации данной мутации с
некоторыми другими миссенс-мутациями
в том же гене. Наконец, ферменты,
инактивированные в результате
миссенс-мутации, могут сохранять
свою иммунологическую специфичность
и вступать в перекрестную
иммунологическую реакцию с нормальным
ферментом. Перечисленные особенности
миссенс-мутаций позволяют отличить
их от генных мутаций других
типов.
К типу “нонсенс”
относят мутации, приводящие к
замене пар оснований, при которой
кодон, определяющий какую-либо
аминокислоту, превращается в один
из нонсенс-кодонов, не транслирующихся
на рибосомах. Проявление такого кодона
не в конце структурного гена, а внутри
него, приводит к преждевременной терминации
трансляции, т.е. к обрыву полипептидной
цепи. Подобная терминация, как правило,
сопровождается полным выключением функции
фермента.
Мутации со сдвигом рамки
Мутации со сдвигом рамки
(называемые также фрейм-шифт), обусловленные
вставками или выпадениями одного
из нескольких нуклеотидов, по своим
свойствам напоминают нонсенс-мутации:
они, как правило, не бывают “ликовыми”,
а их проявление не зависит от температуры
или других условий внешней среды.
Более того, мутации со сдвигом
рамки часто представляют собой
и нонсенс-мутации, поскольку вставки
или выпадения оснований приводят
к образованию нонсенс-кодонов, расположенных
дистально по ходу транскрипции. В
этом случае между мутациями типов
“фреймшифт” и “нонсенс” расположена
область, кодирующая ошибочную аминокислотную
последовательность. Поэтому внутригенные
суперсупрессоры, подавляющие обычные
нонсенс-мутации, не могут исправить
дефект, вызванный мутацией со сдвигом
рамки. Эта особенность и используется
для различения мутаций обоих
типов.
Генные мутации часто
оказывают плейотропное (множественное)
действие. Плейотропная мутация
изменяет сразу несколько признаков
организма. Примером плейотропной
мутации может служить также
точечная мутация, приводящая
к образованию гемоглобина S. Следствием
ее является не только гемолитическая
(серповидноклеточная) анемия, но
и ряд нарушений развития различных
органов, включая кости, сердце,
легкие, почки и селезенку. Вместе
с тем внешне здоровые лица,
гетерозиготные по мутантной
аллели, обозначаемой как Hbs, отличаются
устойчивостью к одному из
видов малярии. Поэтому эта
мутация в свое время была
подхвачена отбором, а лица, гетерозиготные
по указанной аллели, составляют
до 40% населения в некоторых неблагополучных
по данному виду малярии районах
Африки. Другой пример мутаций
этого типа - мутация по гену, кодирующему
биосинтез одного из минорных
оснований, входящих в состав
различных тРНК у бактерий. В
результате такой мутации при
повышенной температуре синтезируются
дефектные тРНК, что может привести
мутантные клетки к гибели
вследствие резкого нарушения
трансляции.
К плейотропным мутациям
иного типа относятся полярные
мутации в генах, входящих в
состав одного оперона. Такие
мутации инактивируют не только
тот ген, в котором они возникают,
но и все другие гены, расположенные
дистально от первого по отношению
к промотор-операторной регуляторной
области. Подобные эффекты вызываются
нонсенс-мутациями, причем степень
их полярности выражена тем
сильнее, чем ближе нонсенс-триплет
к регуляторной зоне. Полярные
мутации могут быть вызваны не только
мутациями типа замены оснований и сдвига
рамки, но и вставками мигрирующих генетических
элементов. Механизм возникновения полярности
связан с терминацией полицистронной
иРНК, внутри которой возник нонсенс-кодон.
Вместе с тем мутации в регуляторной промотор-оперативной
области, блокирующие саму возможность
образования такой иРНК, также обусловливают
полярный эффект.
Обратные мутации и
супрессоры
Мутации гена “дикого типа”,
приводящие к изменению признака,
т.е. к мутантному фенотипу, называют
прямыми. Многие прямые мутации способны
ревертировать. Это означает, что
какая-то другая мутация восстанавливает
исходный дикий фенотип мутанта,
вызванный первой мутацией. Такие
мутации называют обратными или
реверсиями. Восстановление дикого фенотипа
может произойти за счет истинной
обратной мутации в том же сайте
гена, что и прямая мутация. Это
приводит к восстановлению исходной
нуклеотидной последовательности. Другая
возможность образования реверсий
состоит в том, что вторая мутация
локализуется в другом месте генома
и каким-то образом компенсирует
дефект, обусловленный первой мутацией.
Мутации такого типа называют супрессорными,
поскольку они супрессируют (подавляют)
действие исходных мутаций. Для того
чтобы отличить истинные обратные мутации
от супрессорных, используют метод
анализирующих скрещиваний, при
которых ревертанты скрещивают с
исходным диким фенотипом. Если образование
ревертанта связано с истинной обратной
мутацией, все потомство от такого
скрещивания должно иметь дикий
фенотип. Если же анализируемый организм
несет две мутации - прямую и супрессорную,
то в результате рекомбинации возникает
потомство дикого либо мутантного фенотипа.
Частота возникновения последнего
зависит от того, насколько сцеплены
прямая и супрессорная мутации. В
случае тесного сцепления вероятность
образования рекомбинантного потомства
с мутантным фенотипом снижается.
Вместе с тем потомство, несущее
только супрессорную мутацию, может
иметь дикий фенотип по признаку,
контролируемому исходной мутацией,
но мутантный по другому признаку,
контролируемому самой супрессорной
мутацией. Описанные результаты анализирующих
скрещиваний наиболее четко выявляются
у гаплоидных организмов. У диплоидов
в таких скрещиваниях участвуют
гемозиготный организм дикого типа и
гомозиготный фенотипически нормальный
ревертант. Далее для выявления
особей с мутантным фенотипом
проводят скрещивания между гетерозиготами
из F1.
Частота истинных мутаций
существенно ниже частоты прямых
мутаций, поскольку последние
могут возникнуть в различных
сайтах одного гена. Большинство
обратных мутаций (или реверсий)
- супрессорные. Супрессия может
быть внутригенная и внегенная.
Внутригенная супрессия мутаций
с заменой основания была продемонстрирована
Яновским (1967), показавшим, что активность
мутантного фермента триптофансинтетазы
у E. coli восстанавливается, если
в том же мутантном триплете
возникает вторая мутация, в
результате которой в полипептид,
кодируемый мутантным геном, включается
более подходящая аминокислота.
Так, замена в 210-ом положении
глицина (ЦГА) на аргинин (АГА)
в результате миссенс-мутации
trpА23 инактивирует фермент. Вторая
мутация, вызывающая замену кодона АГА
на АГУ (или АГЦ), приведет к включению
в белок серина вместо аргинина, что, хотя
и не будет истинной реверсией, приведет
к восстановлению каталитической функции
мутантного фермента. Возможность подобной
внутрикодонной супрессии продемонстрирована
также в случае нонсенс-мутаций в локусе
rII фага Т4. Наряду с этим, эффект мутаций
с заменой оснований в одном сайте может
супрессироваться за счет реверсии в другом
сайте. В этом случае замена оснований
в одном триплете супрессируется второй
заменой в другом триплете того же гена.
Предполагается, что подобная супрессия
связана с возможностью взаимной компенсации
обеих мутаций в результате образования
третичной структуры фермента, при которой
его активность восстанавливается.
Помимо супрессии мутации
с заменой оснований, внутригенная
супрессия касается также мутаций
со сдвигом рамки. Обнаружение
такой супрессии способствовало
установлению триплетности кода.
Внегенная супрессия
также присуща как миссенс-
и нонсенс-мутациям, так и мутациям
со сдвигом рамки. Внегенная
супрессия миссенс-мутаций - результат
изменений в структуре тРНК, затрагивающих
специфичность взаимодействий между
кодоном и антикодоном и между
тРНК и аминокислотой. В любом
случае мутантная тРНК может
включить в синтезирующую полипептидную
цепь другую аминокислоту вместо
той, которая кодируется триплетом
с миссенс-мутацией. Как правило,
такая миссенс-супрессия не слишком
эффективна, поскольку изменения
в тРНК в большинстве случаев
небезразличны для организма.
Очевидно, подобные изменения не
должны затрагивать возможность
правильной трансляции иРНК. Это
ограничение компенсируется различными
многократными повторами генов
тРНК в геномах, что относится
как к про-, так и к эукариотам.
Например, у дрозофилы обнаружено
более 700 структурных генов, кодирующих
60 тРНК. Внегенная супрессия нонсенс-мутаций
также связана с процессом
трансляции. Суть ее состоит в
появлении тРНК, антикодон которых
распознает терминирующие нонсенс-кодоны
как значимые. В результате эти
кодоны считываются и в соответствующем
месте полипептидной цепи не
происходит обрыва. Подстановка
напротив нонсенс-кодона определенной
аминокислоты часто приводит
к образованию активного фермента.
Один из наиболее изученных
примеров такой супрессии - изменение
нуклеотидов в антикодоне тирозиновой
тРНК у E.coli, приводящее к тому,
что тРНК, у которой в результате
супрессорной мутации антикодон
АУГ сменился на АУУ, приобретает
способность взаимодействовать
с амбер-кодоном УАА и подставляет
тирозин в соответствующее место
растущей полипептидной цепи. Однако
подобная супрессия удается лишь
в том случае, если подставленная
напротив нонсенс-кодона аминокислота
не нарушит нормального функционирования
фермента. Следует подчеркнуть, что
для нонсенс-супрессоров характерна
кодон-специфичность, но не ген-специфичность.
Это означает, например, что амбер-супрессор
способен восстановить активность
различных генов с амбер-мутациями
независимо от того, где локализованы
мутантные гены, но не обусловливает
реверсии к дикому типу у
тех же генов, если они несут
не амбер-, а какую-то иную мутацию.
Вследствие такой плейотропности
действия нонсенс-супрессоров их
часто называют суперсупрессорами.
Суперсупрессия обнаружена не
только у бактерий и фагов,
но и у эукариот (грибов, дрожжей).