Генетический материал может изменяться и перестраиваться

Пострепликативная модификация ДНК. Одна из главных пострепликативных реакций, которая оказывает влияние на структуру ДНК - метилирование. Субстратом естественного (не индуцируемого химически) метилирования эукариотической ДНК – являются остатки цитозина, которые входят в структуру динуклеотида ЦфГ. Цитидин метилируется по 5 положению кольца пиримидина с образованием 5-метиллцитидина. Метилирование ДНК хорошо изучено у прокариот. Функция этого процесса у бактерий - защита распада своих молекул ДНК под влиянием рестриктаз, синтезируемых бактериями для борьбы с вирусами, молекулы ДНК которых не метилируются. Метилированый геном бактерии устойчив к действию этих ферментов. Точная роль метилирования ДНК у эукариот недостаточно ясна. Первоначально предполагалось, что метилированная ДНК реже участвует в транскрипции. Это нашло экспериментальное подтверждение для некоторых генов. Например, снижение метилирования MyoD гена (ген, регулирующий дифференцировку мышечных клеток путем регуляции экспрессии специфических для мышц генов) приводило к преобразованию фибробластов в миобасты. Эксперименты были выполнены на фибробластах, в условиях внедрения в фибробласты 5-азацитидина во вновь синтезируемую ДНК. Этот аналог цитидина не метилируется . В результате возникала ДНК с низкой способностью к метилированию. Однако, снижение метилирования еще не является индикатором того, будет ли ген транскрипционно активным или нет.

Пострепликативное метилирование катализируется специальной метилазной системой . Эта система узнает образцы метилированых остатков Ц в материнской цепи ДНК после репликации и меилирует остатки цитозина ЦфГ динуклеотидов дочерней цепи.

Точечные мутации – результат влияния внешней среды на геном.

ДНК – удивительно устойчивая молекула. Недавно, часть ДНК, полученной от 2400 летней мумии, была изолирована и в ней исследована последовательность нуклеотидов. И, тем не менее, ДНК в хромосомах может изменять нуклеотидную последовательность под влиянием химических соединений, высокой температуры или радиации. Изменения в структуре ДНК могут также происходить спонтанно. Можно выделить повреждения ДНК четырех типов:

А. Повреждения, затрагивающие единичные нуклеотиды

Б. Повреждения, затрагивающие пары нуклеотидов.

В. Разрыв цепей

Г. Поперечные сшивки.

Отдельные примеры таких повреждений приведены в таблице 8.9.

Таблица 8.9. Повреждение ДНК и причины их вызывающие.
Повреждение ДНК	Примеры причин
Отсутствие основания	Депуринация (5000 пуринов за сутки на клетку) удаление урацила (дезаминирование Ц) (100 за сутки на клетку)
Измененное основание	Ионизирующая радиация, алкилирующие реактивы
Неправильное основание	Мутация, вызванная неправильной коррекцией ошибочно включенного основания
Интеркаляция	Ароматические соединения, вызывающие делеции и вставки
Димеры пиримидинов	Циклобутановые димеры, образующиеся под действием УФ облучения
Одноцепочечные разрывы ДНК	Разрыв ионизирующей радиацией или химическим реактивами (например блеомицином)
Попепречные сшивки между цепями	Ковалентное связывание цепей бифункциональными алкилирующими реактивами (митомицин)
Двуцепочечные разрывы	Разрыв молекулы свободными радикалами

Р ис.8.28.Некоторые формы точечных мутаций и их влияние на первичную структуру белка.

Такие изменения постоянно восстанавливаются целым рядом различных процессов репарации. Однако иногда изменившуюся последовательность нуклеотидов в ДНК не удается восстановить к ее первоначальному состоянию; тогда возникает мутация. Мутация обычно происходит на одной из двух цепей ДНК. Для проявления мутации, клетка должна разделится с образованием одной дочерней клетки несущей мутацию.

Различают несколько типов мутации. Замены одной пары оснований называются точечными мутациями. Если в результате такой замены возникает бессмысленный кодон, мутацию называют нонсенс мутацией, если образуется кодон для другой аминокислоты - миссенс мутацией. Миссенс мутация, которая приводит к утрате функции гена полностью, называется ноль (пустой) мутацией. Однако, многие миссенс-мутации оказывают более тонкие эффекты на функцию гена.

Например, они могут изменять функцию белка таким способом, что белок становится активным только при некоторых температурах. Такие чувствительные к температуре мутации - ценные инструменты, для изучения эффектов некоторых продуктов гена на организм. Есть два вида точечных мутаций. Если пуриновое основание заменено другим пуриновым, или пиримидиновое другим пиримидиновым, мутацию называют транзицией. Замена пурина пиримидином, или наоборот, называют трансверсией.

Потеря одной или более пар нуклеотидов называется делецией. Вставка или делеция любого числа пар нуклеотидов, которое не кратно трем, вызывает изменение в рамке считывания генетического кода. Такие мутации, поэтому, называют мутациями сдвига рамки считывания. Мутация сдвига рамки часто генерируют бессмысленный кодон в рамке считывания, вызывая тем самым преждевременное завершение синтеза белка.

Рекомбинация ДНК. Рекомбинация ДНК относится к явлению, при котором две родительских цепи ДНК подвергаются сплайсингу, обмениваясь частями их соответствующих цепей. Этот процесс приводит к образованию новых молекул ДНК, которые содержат смешанную генетическую информацию от каждой родительской цепи. Существует 3 главных формы генетической рекомбинации. Это - гомологичная рекомбинация, сайтспецифическая рекомбинация и транспозиция.

Гомологичная рекомбинация - процесс генетического обмена, который происходит между любыми двумя молекулами ДНК, которые обладают областью (или областями) гомологичных последовательностей ДНК. Эта форма рекомбинации часто происходит, когда сестринские хроматиды соединяются во время мейоза. Процесс гомологичной рекомбинации между материнскими и отцовскими хромосомами придает генетическое разнообразие организму. Гомологичная рекомбинация вовлекает в обмен большие области хромосом.

Сайтспецифическая рекомбинация включает обмен между небольшими областями последовательности ДНК (приблизительно 20 - 200 пар оснований) и требует узнавания специфических последовательностей белками, вовлекаемыми в процесс рекомбинации. Сайт специфическая рекомбинации используется, прежде всего, для изменения программ генов, экспрессируемых на определенных стадиях развития. Наиболее изученная сайтспецифическая рекомбинация у человека происходит при переустройстве генов иммуноглобулинов в В-лимфоцитах в ответ на презентацию антигенов. Это приводит к образованию чрезвычайно большого числа вариантов антител. Типичная молекула антитела состоит из тяжелых и легких цепей. Гены этих пептидных цепей модифицируются при участии механизма сайтспецифической рекомбинации. Результатом такой модификации становится образование приблизительно 3000 различных комбинаций легких цепей и приблизительно 5000 комбинаций тяжелых цепей. Учитывая механизм сборки молекул иммуноглобулинов, возникает возможность образования свыше 10 000 000 различных молекул антител.

Транспозиция ДНК- уникальная форма рекомбинации, при которой специальные подвижные генетические элементы могут перемещаться от одной области в другую в пределах одной хромосомы или на другую хромосому. Поскольку существует вероятность нарушения жизненно важных генов при транспозиции, этот процесс должен тщательно регулироваться. Однако точный механизм такой регуляции остается слабо изученным.

Транспозиция происходит чаще у бактерий и дрожжей чем у человека. Впервые о возможности транспозиции в человеческом геноме стало известно после обнаружения в геноме процессированных генов. Эти гены были комплементарны иРНК, кодируемой нормальными генами. Они содержали поли(A) хвосты и в них отсутствовали участки, комплементарные интронам нормального гена. Такие специфические формы генов возникли, по-видимому, путем обратной транскрипции, подобно генам ретровирусов с последующим включением их в геном путем транспозиции. Большинство таких процессированных генов функционально неактивны, поэтому они получили название псевдогены.