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.