- •Федеральное «агенство по здравоохранению и социальному развитию»
- •Введение
- •Роль нуклеиновых кислот как носителей генетической информации
- •Структура нуклеиновых кислот
- •Репликация днк Полуконсервативный механизм репликации
- •Ферменты репликации
- •Этапы репликации
- •Молекулярная структура генетического материала эукариот Количественные особенности генома эукариот
- •Нуклеотидные последовательности в геноме эукариот
- •Гетерогенность днк эукариот по нуклеотидному составу
- •Число молекул днк в хромосомах эукариот
- •Хроматин и компактизация хромосом
- •Особенности репликации эукариотических хромосом
- •Транскрипция днк
- •Этапы транскрипции
- •Сплайсинг про – иРнк у эукариот
- •Генетический код
- •Трансляция иРнк
- •Особенности и различия про- и эукариотических иРнк
- •Регуляция действия генов
- •Индукция и репрессия генов
- •Модель оперона
- •Лактозный оперон e.Coli
- •Гистидиновый оперон s. Tuphimurium
- •Триптофановый оперон e .Coli
- •Переключение генетической активности во время фаговой инфекции
- •Особенности генетической регуляции у высших эукариот
- •Виды изменчивости
- •Модификационная изменчивость
- •Мутационный процесс
- •Типы мутаций
- •Геномные мутации
- •Структурные мутации хромосом
- •Генные мутации
- •Молекулярный механизм генных мутаций
- •Мутации со сдвигом рамки
- •Обратные мутации и супрессоры
- •Индуцированный мутагенез
- •Мутагенное действие ионизирующих излучений
- •Мутагенное действие ультрафиолетовых лучей
- •Мутагенное действие химических соединений
- •Мутагены, действующие на покоящуюся и реплицирующуюся днк
- •Мутагены, действующие на реплицирующуюся днк
- •Специфичность и направленность индуцированного мутагенеза
- •Мутагенез и репарация днк
- •Дорепликативная репарация
- •Фотореактивация
- •Темновая эксцизионная репарация
- •Пострепликативная репарация (прр)
- •Индуцируемая репарация
- •Спонтанный мутагенез
- •Связь спонтанного мутагенеза с репликацией, репарацией и рекомбинацией днк
- •Гены мутаторы и антимутаторы
- •Мигрирующие генетические элементы (мгэ) и их роль в возникновении спонтанных мутаций. Мутабильные гены.
- •Роль других факторов эндогенного происхождения в спонтанном мутагенезе
- •Проблема специфичности и направленности применительно к спонтанному мутагенезу. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости
- •Прикладное значение мутаций
- •Вопросы для контроля знаний
Мутагены, действующие на покоящуюся и реплицирующуюся днк
Алкилирующие агенты. Известны 9 классов алкилирующих агентов, различающихся по типу алкильных групп (СН3-метильной, С2Н5-этильной и более сложных), которые они переносят на биологически важные макромолекулы, включая ДНК, и по числу алкильных групп, которые может отдавать одна молекула алкилирующего агента. Последнее свойство характеризует функциональность соединения, причем “полифункциональными” называют все алкилирующие агенты, у которых число алкильных групп больше единицы. Степень функциональности определяется особенностями соединения, а не только числом алкильных групп. Так, несущий две метильные группы метилметансульфонат СН3ОSOСН3, способен отдавать только одну из них, поэтому относится к монофункциональным.
Механизм мутагенного и летального действия многих алкилирующих агентов не вполне ясен. Известно, однако, что при действии соединений из группы нитрозоалкиламинов (нитрозонитроалкилгуанидина, алкилнитрозомочевины) основным предмутационным изменением в ДНК является образование О6-алкилгуанина, а гибель клеток вызывается преимущественно образованием 3-алкиладенина и 3-алкилгуанина. Вместе с тем наиболее часто алкилированию подвергается атом азота в 7-ом положении гуанина. Например, 98% всех повреждений ДНК, индуцированных метилметансульфонатом, составляют метилированные основания, среди которых на долю N7-мелтилгуанина приходится 84%. Тем не менее мутагенный эффект этого алкилирующего агента непосредственно не связан с присутствием в ДНК модифицированных оснований, а обусловлен индукцией системы ошибающейся репарации ДНК.
Главное следствие мутагенного действия алкилирующих агентов - появление мутаций типа транзиций ГЦАТ. Кроме того, в результате ошибок репарации могут возникать мутации типа транзиций АТГЦ, трансверсий и сдвига рамки считывания. Некоторые, особенно бифункциональные алкилирующие агенты, например азотистый иприт или антибиотик митомицин С, вызывают поперечные сшивки цепей молекул ДНК, приводящие к разрывам хромосом и, как следствие, к хромосомным аберрациям.
Мутагенное действие некоторых нитрозосоединений (диэтилнитрозомочевины, нитрозометил- и нитрозоэтилмочевины и др.) столь значительно, что общая частота вызываемых ими мутаций может достигать 100%. Из этих соединений часто используется N-метил-N/-нитро-N-нитрозогуанидин (сокращенно нитрозогуанидин), способный индуцировать мутации в участках хромосомы E. coli, которые в момент обработки мутагеном находятся в репликативной вилке. На дрозофиле же этот мутаген вызывает генные мутации и перестройки в сперматозоидах, в которых репликации ДНК не происходит. Нитрозоалкилмочевины нашли широкое применение в селекции растений.
В механизме разрывов цепи ДНК под действием алкилирующих агентов важная роль принадлежит процессу возникновения “апуриновых брешей”, возникающих вследствие ослабления связей между алкилированным гуанином либо (реже) аденином и сахарофосфатным остовом, ведущего к постепенному выпадению пурина из алкилированной ДНК. На место выпавшего пурина в образовавшийся апуриновый сайт может встроиться какое-либо другое основание, что ведет к возникновению генной мутации.
Отмечено сходство генетических эффектов между алкилирующими агентами и рентгеновскими лучами. Поэтому иприт и близкие к нему соединения иногда называют “радиомиметиками” (от греч. “mimetes”-подражатель). Действительно, многие алкилирующие агенты, как и рентгеновские лучи, вызывают доминантные, сцепленные с полом летали и видимые мутации, крупные и мелкие делеции, инверсии и транслокации. Подобно рентгеновским лучам, химические радиомиметики способны индуцировать кроссинговер в соматических и половых клетках.
Доказательства существования замедленного мутагенеза и нестабильности, связанных с действием алкилирующих агентов, были получены при анализе мозаичных мутантов у дрозофилы и дрожжей. У таких мутантов часть клеток является мутантной по определенному признаку, а другая часть сохраняет по тому же признаку дикий фенотип. Способность вызывать мозаичные мутации присуща всем мутагенам, как физическим, так и химическим. Образование мозаик непосредственно связано с молекулярным механизмом индуцированного мутагенеза. Известно, что в каждом данном сайте предмутационные изменения затрагивают одну или обе цепи дуплекса ДНК. Фиксация таких потенциальных мутационных повреждений связана с репликацией. При репликации ошибка в одной цепи ДНК ведет к формированию мутагенного клона, тогда как другая, нормальная, цепь обеспечивает правильный матричный синтез комплементарной цепи и образование клона дикого типа. Как же в таком случае можно объяснить факт образования полных мутаций? Для объяснения этого явления предложена репарационная гипотеза, согласно которой в клетках имеется какой-то фермент, способный удалить ошибочное основание до первой репликации, т.е. до момента фиксации мутации. В зависимости от того, какая из цепей ДНК подвергается коррекции в ходе последующего репаративного ресинтеза, а затем и вегетативной репликации, возникнут чистые клоны мутантного или дикого типа. При отсутствии коррекции появится смешанный клон. Известно, однако, что репаративные ферменты могут различать поврежденную и интактную цепи ДНК.
Гидроксиламин. В отличие от большинства алкилирующих агентов гидроксилирующий агент гидроксиламин NH2OH обладает строго специфичным мутагенным действием. Он индуцирует преимущественно транзиции ГЦАТ. Механизм мутагенности гидроксиламина не вполне ясен, однако известно, что он предпочтительно взаимодействует с цитозином, присоединяя к нему аминогруппу. Такой модифицированный цитозин способен ошибочно спариваться с аденином, что и ведет к образованию транзиции ГЦАТ. Ввиду своей специфичности гидроксиламин часто используется для определения типа транзиции, вызванной другими мутагенами. Например, мутанты, возникшие в результате транзиций, могут быть разделены на два класса в зависимости от способности ревертировать под действием гидроксиламина. Очевидно, те из них, которые содержат в мутантном сайте пару АТ, не ревертируют. Напротив, если мутация привела к замене оснований типа АТГЦ, то она будет ревертировать.
Поскольку гидроксиламин способен действовать на покоящуюся ДНК, он эффективно используется в качестве агента индуцирующего in vitro мутации в трансформирующей ДНК бактерий либо у внеклеточных бактериофагов. Мутагенное действие гидроксиламина на эукариотические организмы выражено слабо.
Азотистая кислота. Азотистая кислота HNO2 - сильный мутаген, действующий путем окислительного дезаминирования оснований, содержащих аминогруппы (гуанин, аденин, цитозин). Замещение аминогруппы кетогруппой превращает аденин в гипоксантин, спаривающийся преимущественно не с тимином, а с цитозином. Дезаминирование цитозина превращает его в урацил, спаривающийся с аденином. Дезаминирование гуанина переводит его в ксантин, однако это не нарушает специфичности спаривания, т.к. оба они образуют водородные связи с цитозином. Первые два типа дезаминирования ведут к транзициям АТГЦ и ГЦАТ соответственно. Поскольку азотистая кислота индуцирует транзиции в обоих направлениях, вызываемые ею мутации способны ревертировать при повторной обработке тем же мутагеном.
Помимо замен оснований азотистая кислота индуцирует делеции, что обусловлено ее способностью к поперечному сшиванию цепей ДНК. У эукариот мутагенное действие азотистой кислоты, по-видимому, также связано с вызываемыми ею сшивками между ДНК и гистоном. Показана мутагенность азотистой кислоты в отношении различных бактерий, бактериофагов, РНК-вых вирусов, грибов. In vitro азотистая кислота индуцирует мутации в трансформирующейся ДНК, но по эффективности уступает в этом отношении гидроксиламину.