Раздел 5.3. Эндогенные механизмы возникновения мутаций.

Основную часть мутаций, ведущих к наследственным болез-

ням, составляют точечные мутации, делеции и в меньшей степе-

ни инсерции и дупликации. При этом, как показывает детальный

сравнительный анализ, частота, тип и локализация этих мута-

ций отнюдь неслучайны и зависят от многих, пока еще невы-

ясненных эндогенных механизмов мутагенеза. В пользу такого

вывода свидетельствует уникальный характер спектра мутаций

для каждого из многих десятков генов, первичная структура

ДНК и типы мутаций которых уже хорошо изучены. Так, для мно-

гих структурных генов доминирующими по спектру и частоте яв-

ляются точечные мутации (ген трансмембранного регуляторного

белка муковисцидоза, ген фенилаланингидроксилазы, ген факто-

ра IX cвертывания крови, бета-глобиновый ген и мн др.), тог-

да как для других - достаточно протяженные структурные пе-

рестройки типа делеций, дупликаций и инсерций (гены дистро-

фина, фактора VIII свертывания крови, 21-гидроксилазы)

(см.Главу X). К структурным факторам, определяющим эндоген-

ные механизмы мутагенеза, можно отнести (1) наличие прямых и

обратных повторов и симметричных элементов вблизи места пе-

рестройки; (2) высокую концентрация СpG динуклеотидов; (3)

наличие внегенных последовательностей ДНК, гомологичных

фрагментам структурного гена; (4) мобильные элементы генома.

Естественно, что реализация этих структурных факторов в те

или иные типы мутаций возможна лишь в процессе репликации

(1,2) и рекомбинации (3) ДНК хромосом.

Как подробно рассмотрено в серии работ D.N Cooper и

M.Кrawczak (1990, 1991), наличие в первичной структуре ДНК

прямых повторов, идентичных повторяющихся последователь-

ностей, инвертированных повторов, шпилечных структур, квази-

палиндромных последовательностей и симметричных элементов

генома (например CTGAAGTC) нередко ведет к образованию пе-

тель при репликации ДНК вследствие скользящего нарушения

спаривания (slipping mispairing) родительской и дочерней це-

пей ДНК. Эти новые структурные элементы ДНК либо уничтожа-

ются ферментами системы репарации, что ведет к делециям, ли-

бо сохраняются и дублируются, что приводит к дупликациям и

инсерциям, при этом возникшие изменения закрепляются при

последующих раундах репликации. Авторы приходят к следующим

выводам: (1) возникновение подобных мутаций происходит

неслучайно, но зависит от особенностей первичной структуры

ДНК в месте перестройки; (2) в основе структурных перестроек

ДНК лежат ошибки репликации; (3) принципиально сходные моде-

ли эндогенного мутагенеза характерны как для делеций, так и

для инсерций. Считается, что именно механизм скользящего на-

рушения спаривания ответственен за мутации экспансии, приво-

дящие к быстрому увеличению числа тринуклеотидных повторов и

к нарушению работы соответствующих генов, а также за высокую

изменчивость, наблюдаемую во многих местах локализации мини-

и микросателлтных тандемных повторов.

Недавно показано, что повышенной эндогенной мутаген-

ностью обладают вообще все последовательности ДНК, находящи-

еся в определенном конформационном состоянии, а именно в

состоянии изгиба (bent DNA) (Milot et al.,1992). Известно,

что такая конформационная структура ДНК свойственна промо-

торным частям генов, местам начала репликации (origins of

replication), местам контакта хромосом с ядерным матриксом.

Именно эти участки ДНК являются местами посадки ферментов

топоизомераз, вовлеченных в процессы репликации, транскрип-

ции, рекобинации, в том числе, как оказалось, и в процесс

негомологичной (незаконной -illegitimate) рекомбнации. Уста-

новлено, что именно негомологичная рекомбинация может приво-

дить не только к внутригенным делециям, дупликациям и другим

мутациям на молекулярном уровне, но и является одной из

основных причин крупных структурных хромосомных перестроек

типа транслокаций, инверсий и других.

Замены или утраты отдельных оснований в геномной ДНК

могут возникать в результате нарушения процессов репликации

и репарации. Ошибки в ДНК матрице, вызванные действием пов-

реждающих внешних агентов, либо спонтанной деградацией осно-

ваний закрепляются в последующих циклах репликации. Основные

типы спонтанной деградации включают потерю оснований и про-

цесс дезаминирования. Особенно чувствительны к дезаминирова-

нию цитозиновые остатки. Установлено, что у позвоночных поч-

ти половина всех цитозиновых остатков в ДНК метилирована в

5-ом положении. Процесс метилирования особенно часто захва-

тывает области повторов 5'CpG 3', расположенные как внутри

генов, так и в их промоторных частях. При дезаминировании

5-метилцитозин превращается в тимин. В цикле последующей

репликации, возникший в результате дезаминирования мисмэтч

(T-G) может либо коррегироваться в нормальный вариант (С-G),

либо приводить к мутациям типа трансцизий (Т-G) или (С-А).

Естественно, что гены, имеющие в своей структуре большой

процент CpG оснований, особенно часто подвергаются спонтан-

ному мутированию типа трансцизий. В частности, преобладание

подобных точечных мутаций известно для генов факторов IX и

VIII свертывания крови, для гена фенилкетонурии и других.

Так, из 76 мутаций гена фактора IX в 21 случае найдены

трансцизии CpG - TpG или СрА (Green et al.,1990). Преоблада-

ние таких мутаций отмечено и в 22 CpG дуплетах гена фенила-

ланингидроксилазы у больных фенилкетонурией (Abadie et

al.,1989).

Другим важным фактором эндогенного мутагенеза является

наличие тесно сцепленных с генами гомологичных последова-

тельностей ДНК (псевдогенов). В мейозе такая ситуация неред-

ко приводит к неравной гомологичной рекомбинации и, как

следствие этого, к генной конверсии, сопровождающейся струк-

турными перестройками типа делеций, дупликаций и т.п. Подоб-

ный механизм мутаций, как оказалось, является доминирующим

для гена 21-гидроксилазы (Morel, Miller,1991), а также для

гена фактора VIII свертывания крови (Lakich et al.,1993).

Важная роль ошибок рекобинации в этиологии структурных поло-

мок гена особенно очевидна при анализе гена дистрофина, му-

тации которого ведут к миопатии Дюшенна. Известно, что в 60%

случаев мутации этого гена представляют собой делеции, зах-

ватывающие один или несколько соседних экзонов. Известно

также, что подавляющее большинство делеций сосредоточено в

двух "горячих" районах этого гигантского по размерам гена

(2,2 Мб), и при этом частота внутригенных рекомбинаций почти

в 4 раза больше, чем можно предполагать, исходя из его раз-

меров (Oudet et al.,1992). Любопытно отметить, что в одной

из этих горячих точек (интрон 7) недавно обнаружен кластер

транспозоноподобных повторяющихся последовательностей.

Удельный вес мобильных (транспозонподобных) элементов типа

Alu и Line повторов (см. Главу 2) в возникновении генных му-

таций до конца не выяснен. Имеются единичные наблюдения о

реальном перемещнии этих элементов по типу конверсии и их

интеграции в структурные гены аденозиндезаминазы, аполипоп-

ротеина С, факторов VIII и IX свертывания крови, кальмодули-

на (Vidaud et al.,1993).