2.3 Мутации как нарушения последовательности чередования нуклеиновых оснований в структуре гена

Традиционно, под геном в молекулярной биологии понимают участок ДНК, кодирующий белковую молекулу. Ген - это ограниченный участок геномной ДНК (или РНК для некоторых вирусов) отвечающий за определенную и специфическую функцию. За время применения методов генной инженерии представления о гене существенно изменились, однако незыблемым остается основной принцип, заложенный в понятие гена как фрагмента нуклеиновой кислоты, в последовательности нуклеотидов которой закодирована информация о последовательности нуклеотидов в другой нуклеиновой кислоте или аминокислотной последовательности в белке. Изменение фенотипа организма однозначно связано с мутационными изменениями генотипа. Генотипические различия, как и считалось ранее, всегда передаются от родителей потомству, т.е. носят наследуемый характер .

Наследственная информация всех живых организмов, за исключением некоторых вирусов, хранится в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты или ДНК.

ДНК содержится в основном в ядрах клеток и представляет собой полинуклеотидную цепь. Мономерами, то есть отдельными структурными элементами этой цепи являются мононуклеотиды -- одновременно сложные эфиры и гликозиды моносахарида в,D-2-дезоксирибофуранозы (дезоксирибозы). В состав мононуклеотидов входят также остаток ортофосфорной кислоты и нуклеиновые основания ( иногда их называют азотистыми основаниями). Существует 5 основных типов нуклеиновых оснований : аденин, тимин, урацил, гуанин, цитозин. ДНК обычно состоит из двух нитей, закрученных одна вокруг другой, формируя спираль. Каждая цепь является линейным полимером состоящим из четырех типов мономеров, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид с точки зрения химика есть сложный эфир спиртовой OH-группы рибозы или дезоксирибозы и ортофосфорной кислоты и N-гликозид нуклеинового основания и того же самого моносахарида. К пуриновым нуклеиновым основаниям относят аденин (А) и гуанин (G), к пиримидиновым - тимин (Т), урацил (У) и цитозин (С).

Остов молекулы ДНК состоит из сахара и фосфата соединенных последовательно. Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулярная масса которых колеблется от 25 тысяч до 1 млн. Именно нуклеиновые кислоты играют основную роль в передаче наследственной информации (генетических признаков) и управляют процессом биосинтеза белка.

ДНК имеет сложнейшую организацию или структуру: первичную, вторичную и т.д., которая завершается формированием настоящих хромосом вместе с особыми белками.

Важной характеристикой нуклеиновых кислот служит нуклеотидный состав, то есть набор и соотношение нуклеотидных компонентов. В понятие первичной структуры ДНК входит не только состав, но и нуклеотидная последовательность -- порядок чередования нуклеотидных звеньев в полинуклеотидной цепи. Именно при изменении порядка чередования остатков мононуклеотидов в полинуклеотидной цепи происходят мутации. Под вторичной структурой ДНК понимают пространственную организацию полинуклеотидной цепи. В 1953 году Дж. Уотсон и Ф. Крик, обобщив работы своих современников, описали вторичную структуру ДНК в виде двойной спирали. Она характерна для большинства молекул ДНК, хотя в настоящее время известны и другие пространственные формы ДНК. Согласно Уотсону и Крику, молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, правозакрученных вокруг общей оси с образованием двойной спирали. Между основаниями разных цепей возникают так называемые комплементарные взаимодействия с помощью водородных связей. Формирование двойной спирали происходит за счет водородных связей расположенных друг против друга оснований. Аденин взаимодействует с тимином образуя "слабую связь" (две водородных связи), а гуанин с цитозином образуя "сильную связь" (три водородных связи).

Нуклеотидная последовательность ДНК может меняться под действием ряда факторов: замены 1 пары нуклеиновых оснований на другую, образование водородных связей с нетипичными нуклеиновыми основаниями и т.д. Другой причиной возникновения мутаций служит действие химических факторов (например азотистой кислоты и ее солей) и разных видов излучений.

Мутацией (от лат. mutatio - изменение, перемена) называют любое изменение в последовательности ДНК. Обычно ДНК точно копируется при процессе репликации и сохраняется неизменной между двумя последовательными репликациями. Но изредка происходят ошибки и последовательность ДНК меняется - эти ошибки называются мутациями. Мутация есть устойчивое наследуемое изменение ДНК, независимо от его функциональной значимости. Это определение подразумевает изменение в первичной нуклеотидной последовательности.

Мутации в соматических клетках, возможно, вызывают рак, процессы старения и другие, менее существенные изменения в организме. Мутации в половых клетках родителей наследуются детьми.

Основные положения мутационной теории Коржинского и Де Фриза можно свести к следующим пунктам :

Мутации появляются внезапно, как дискретные изменения признаков

Новые формы устойчивы

В отличие от наследственных изменений, мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. Они являют собой качественные скачки изменений

Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными

Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследуемых особей

Сходные мутации могут возникать неоднократно

Исследования де Фриза проводились на различных видах Oenothera, которые в ходе эксперимента не выщепляли мутации, а показывали сложную комбинативную изменчивость, поскольку эти формы являлись сложными гетерозиготами по транслокациям. Строгое доказательство возникновения мутаций принадлежит В. Иоганнсену на основе экспериментов на самоопыляющихся линиях фасоли и ячменя, были исследованы масссы семян, мутационное изменение этого признака и обнаружил В. Иоганнсен (1908-1913 гг). Примечательно то, что даже имея мутационных характер, масса семян распределялась относительно некоторых средних значений, тем самым ставя под сомнение третий пункт мутационной теории.

С точки зрения эволюции мутации обеспечивают достаточное генетическое многообразие, чтобы позволить видам приспособиться к условиям окружающей среды путем естественного отбора.

Каждый генетический локус характеризуется определенным уровнем изменчивости, т. е. присутствием различных аллелей, или вариантов последовательностей ДНК, у разных индивидуумов. Применительно к гену, аллели разделяются на две группы - нормальные, или аллели дикого типа, при которых функция гена не нарушена, и мутантные, приводящие к нарушению работы гена. В любых популяциях и для любых генов аллели дикого типа являются преобладающими. Под мутацией понимают все изменения в последовательности ДНК, независимо от их локализации и влияния на жизнеспособность особи.

Мутации могут захватывать участки ДНК разной длины. Это может быть единственный нуклеотид, тогда мы будем говорить о точковой мутации, или же протяженный участок молекулы. Кроме того, учитывая характер изменений, мы можем говорить о заменах нуклеотидов, делециях и вставках (инсерциях) и о инверсиях.

Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом. В зависимости от факторов, вызывающих мутации, их разделяют на спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды. Спонтанные мутации в эукариотических клетках возникают с частотой 10-9-10-12 на нуклеотид за клеточную генерацию.

Индуцированными называют мутации, возникающие в результате мутагенных воздействий в экспериментальных условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды. Среди важнейших мутагенных факторов, прежде всего, необходимо отметить химические мутагены - органические и неорганические вещества, вызывающие мутации, а также ионизирующее излучение.

Между спонтанными и индуцированными мутациями нет существенных различий, Большинство спонтанных мутаций возникает в результате мутагенного воздействия, которое не регистрируется экспериментатором .

Мутации чрезвычайно разнообразны. Это могут быть крупномасштабные изменения структуры хромосом (затрагивающие миллионы нуклеотидов); к ним относят дупликации, делеции и транслокации фрагмента одной хромосомы на другую. Мутации могут затрагивать как весь геном (3 млрд пар нуклеотидов), например при триплоидии, когда появляется третий набор хромосом, так и всего один нуклеотид (делеция, вставка или замена нуклеотида). Мутации в одном или нескольких нуклеотидах называют точечными. Делеции или вставки одного или двух нуклеотидов в кодирующей области вызывают мутации со сдвигом рамки считывания, то есть они изменяют разбиение мРНК на кодоны так, что каждый следующий кодон этого гена считывается неправильно. Эти мутации меняют аминокислотную последовательность в белке и часто вызывают преждевременное окончание его синтеза, если сдвиг рамки считывания приводит к образованию терминирующего кодона.

При замене одного нуклеотида в кодирующей области возможны следующие точечные мутации .

Несмысловая мутация (около 23% случайных замен нуклеотидов в кодирующих последовательностях), при которой замена нуклеотида в ДНК и соответствующее изменение кодона мРНК не приводит к изменению последовательности аминокислот в молекуле белка (например, замена кодона УУУ на кодон УУЦ, который тоже соответствует фенилаланину);

Миссенс-мутация (примерно 73% случайных замен нуклеотидов в кодирующих последовательностях), при которой замена нуклеотидов в ДНК и соответствующее изменение кодона мРНК приводит к замене одной из аминокислот в молекуле белка (например, появление кодона лейцина УУА вместо кодона фенилаланина УУУ);

Нонсен-мутация (примерно 4% случайных замен нуклеотидов в кодирующих последовательностях), при которых замена нуклеотида превращает кодон в один из терминирующих кодонов (например, появление терминирующего кодона УАА вместо кодона тирозина УАУ).

Крупные делеции затрагивают часть гена, весь ген или группу соседних генов. Синдромы, вызванные делецией группы соседних генов , описаны в Скрайвером с соавторами. Эти делеции прерывают или приводят к потере кодирующей части гена, и синтеза соответствующего белка не происходит. Делеция может также привести к слиянию кодирующих последовательностей двух генов и образованию химерного белка. Такие мутации часто происходят при неравновесном кроссинговере между тандемными повторами гомологичных генов, например генов глобина.

Таким образом, наследственная изменчивость обусловлена возникновением разных типов мутаций и их комбинаций в последующих скрещиваниях