1) Мутации, понятие. Факторы, вызывающие мутации

Мутации – это изменение нуклеотидной последовательности ДНК под влиянием факторов внешней и внутренней среды.

Мутации в половых клетках передаются потомству (вертикальный перенос наследственных болезней); мутации в соматических клетках передаются в ряду клеточных поколений одного организма (горизонтальный перенос наследственных болезней).

Различают спонтанные мутации (самопроизвольные) и индуцированные. Первые возникают при естественных ошибках передачи наследственной информации. Известно, что на каждые 10⁶-10⁹ репликаций приходится по одной мутации. Но при нормальном функционировании репаративной системы мутации не накапливаются и исправляются. Индуцированные мутации появляются под влиянием факторов внешней среды и репаративная система не справляется с ними.

Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенами. Они бывают: 1) природные (свободные радикалы, пероксидные соединения и др.); 2) чужеродные (физические, химические, биологические). К физическим факторам относятся альфа-, бета-, гамма-облучение, УФО. К химическим факторам относятся: а) азотная, азотистая кислота и их соли. Эти вещества приводят к замене гуанина на ксантин, аденина на гипоксантин, цитозина на урацил, т.к. аминогруппа азотистых соединений замещается на гидроксигруппы. Б) алкилирующие соединения: иприт, эпоксиды, диазосоединения. Эти вещества включают в азотистые основания метильную или этильную группы. Г) лекарственные препараты, особенно антибиотики, т.к. они влияют на трансляцию и другие механизмы передачи наследственной информации. Поэтому все лекарства проходят проверку на мутагенную активность.

Физические и химические факторы ОС вызывают в ДНК повреждения 4-х типов:первый тип – затрагивающий единичные нуклеотиды; к этому типу относятся депуринизация, дезаминирование цитозина до урацила, дезаминирование аденина до гипоксантина, алкилирование оснований, вставка или делеция нуклеотида, включение основания-аналога. Второй тип – затрагивающий пару нуклеотидов: УФ-индуцируемое образование тиминовых димеров – 24% димеров образуется в здоровых клетках за 32 часа после УФО. При этом образуются ковалентные связи между С-5 и С-5; С-6 и С-6 соседних внутрицепочечных тиминов. К этому типу повреждений кроме обрразования димеров относятся поперечные сшивки бифункциональным алкилирующим агентом; третий тип – разрывы цепей: происходит под действием ионизирующей радиации; четвертый тип – поперечные сшивки: между основаниями одной или разных цепей, между ДНК и белком.

К биологическим факторам относят вирусы краснухи, кори, гриппа и др. Эти вирусы содержат ревертазу, они строят свои ДНК на РНК-матрице, затем эти ДНК встраиваются в геном хозяина. Особенно опасно проникновение вирусов в первые три месяца беременности, т.к. в этот период идет закладка всех органов и тканей плода.

2) Репаративные системы

Поврежденные участки ДНК могут быть подвергнуты репарации, замещены путем рекомбинации или остаться без изменений. В последнем случае возникают мутации.

Известно три типа или системы репарации. Первая система функционирует только при фотооблучении. Она специфична в отношении димеров пиримидиновых оснований, индуцируемых УФО. Вторая система репарации – вырезающая (эксцизионная). В процессе ее функционирования происходит вырезание измененных оснований. Образующиеся бреши заполняются комплементарными основаниями (внеплановый синтез ДНК). Третья система репарации – пострепликационная. Включается после репликации мутированной ДНК.

Репарация осуществляется по 4-м механизмам: 1) мисматч-репарация; 2) вырезание оснований; 3) вырезание нуклеотидов; 4) репарация поломки двойной спирали. Мисматч-репарация исправляет ошибки, возникающие при копировании ДНК. Например, цитозин может быть  вставлен напротив аденина или ДНК-полимераза может соединять в синтезируемой цепи 2-5 непарных оснований. Этот механизм репарации происходит следующим образом: исходная (неповрежденная) цепь ДНК метилируется. Это позволяет репарирующим ферментам найти цепь, содержащую ошибки. При нахождении ошибки, эндонуклеаза вырезает участок на поврежденной цепи ДНК, а экзонуклеаза заканчивает переваривание поврежденного участка. Дефект заполняется ДНК-полимеразой и сшивается ДНК-лигазой. Нарушение этого механизма репарации приводит к развитию неполипозного рака толстого кишечника. Исследования показали, что этот вид рака связан со 2-ой хромосомой (ген – hMSH2). Мутации в этом гене лежат в основе 50-60% случаев этого рака.

Вырезание оснований: депурификация ДНК,  которая происходит спонтанно вследствие термической лабильности N-гликозидной  связи происходит с частотой 5000-10000 на клетку в день при +37С. Специфические ферменты узнают депуринизированные участки и замещают пурин без прерывания фосфодиэфирной связи. Цитозин, аденин, гуанин в ДНК могут спонтанно превращаться в урацил, гипоксантин или ксантин (соответственно), поэтому неудивительно, что с помощью N-гликозилаз такие основания, нехарактерные для ДНК узнаются и удаляются. Это удаление позволяет апуриновым или апиримидиновым эндонуклеазам вырезать оставшийся без основания сахар; ДНК-полимераза заполняет дефект; ДНК-лигаза сшивает.

Вырезание нуклеотида: этот механизм используется для замещения регионов поврежденной ДНК длиной до 30 нуклеотидов. Такие повреждения могут быть вследствие УФО, которое индуцирует образование циклобутановых пиримидин-пиримидиновых димеров, а также вследствие курения, которое вызывает образование бензопиррен-гуанина. Показано, что у больных пигментной ксеродермой нарушен процесс репарации по механизму вырезания нуклеотидов.

Репарация по механизму восстановления двойной спирали: этот механизм включается при повреждении ДНК вследствие ионизирующей радиации, воздействия АФК и некоторых лекарств. В процессе участвуют особый ДНК-связывающий белок и ДНК-протеинкиназа. В комплексе с поврежденной ДНК данный белок и фермент способствуют раскручиванию ДНК, поврежденные хвосты ДНК удаляются с помощью экзонуклеаз; пробелы заполняются с помощью ДНК-полимераз и сшиваются с помощью ДНК-лигаз.

Ферменты репарации могут служить и в других целях. Например, некоторые ферменты репарации найдены в составе транскрипционного комплекса.