Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 3 - Д. Мецлер 1980

Биохимическая генетика и синтез нуклеиновых кислот и белков
Генетические методы
Типы мутаций

Трудно переоценить значение генетических методов в формировании наших современных представлений в области молекулярной биологии. Поэтому важно, чтобы биохимики представляли себе эти методы. Биохимическая литература все больше заполняется генетической терминологией. Более важное значение, однако, имеет то обстоятельство, что генетические методы используются для исследования многих сложных биохимических явлений. Более того, заглядывая в будущее, мы явно ощущаем необходимость в понимании проблем, связанных с мутациями и с вариабельностью генов.

Изменения в структуре ДНК встречаются очень редко. Так, например, в среднем ген может удвоиться 10⁶ раз, прежде чем произойдет заметная мутация [128а]. Тем не менее, работая с бактериями или бактериофагами, мы можем обследовать чрезвычайно большое число особей в поисках мутаций. Если, например, посеять один миллион вирусных частиц на чашку с агаром в условиях, позволяющих распознать мутацию определенного гена, то в среднем мы можем надеяться обнаружить один мутант. Наиболее часто встречаются мутации, обусловленные заменами пар оснований (точковые мутации). Они происходят в результате включения неправильного основания при репликации или репарации ДНК. При таких мутациях одно основание в триплете кодона замещается другим. В результате возникает другой кодон, что приводит к замене в соответствующем белке одной аминокислоты на другую¹⁾. Замену одного пиримидина на другой С—>Т или Т—>С) или одного пурина на другой пурин иногда называют транзицией, тогда как замену пурина на пиримидин или, наоборот, пиримидина на пурин называют трансверсией.

¹⁾ Изменение одного основании не обязательно приводит к замене аминокислоты из-за «вырожденности> кода, т. е. из-за того, что одну аминокислоту кодируют несколько кодонов.

Транзиции встречаются значительно чаще, чем трансверсии. Одной из возможных причин таких мутаций может явиться спаривание одного из оснований с минорным таутомером (гл. 2, разд. Г, 7)^!). Так, А может спариться с минорным таутомером С, вызывая замену Т на С. Заметим, что появление неправильного основания в одной цепи может привести к тому, что при последующей репликации в результате правильного спаривания в одной из двойных цепей дочерней ДНК вместо пары АТ появится пара GC или наоборот.

Исходя из наблюдаемой скорости появления точковых мутаций (одна мутация на 10⁶ удвоений гена), мы можем подсчитать, что одна мутация приходится на 10⁹ репликаций единичного нуклеотида. Точковые мутации имеют тенденцию к обратному мутированию, причем обратные мутации часто происходят с такой же скоростью, как и прямые. Это значит, что в одной из 10⁹ «обратных» мутаций будет мутировать тот же самый нуклеотид, в результате чего ген вернется к исходному виду. Это явление легко можно объяснить. Например, если Т будет замещен на С, поскольку С образует минорный таутомер и спаривается с А, то мутация приведет к тому, что в двойной спирали ДНК-потомков появится пара GC. При репликации этой пары существует хотя и малая, но определенная вероятность того, что С в цепи материнской ДНК вновь образует минорную таутомерную структуру и образует пару с А, а не с G, что в свою очередь приведет к обратному мутированию.

Скорость спонтанных мутаций невелика, однако она может быть значительно увеличена воздействием химических мутагенов (разд. 3,1) или излучения. Этот подход дал возможность легко измерять скорости, прямых и обратных мутаций. После того как такие измерения были осуществлены, оказалось, что, хотя мутации, вызываемые определенными химическими соединениями, например акридиновыми красителями, могут быть обращены, частота такого обращения значительно ниже частоты обычных обратных мутаций. Было показано, что эти мутации происходят в результате либо делеций (выпадений) одного или нескольких нуклеотидов из цепи, либо вставок (включений) дополнительных нуклеотидов. Мутации типа делеций и вставок возникают, по-видимому, в результате ошибок в процессе генетической рекомбинации и репарации поврежденной цепи ДНК.

Мутации, в результате которых происходит делеция или вставка одного или нескольких нуклеотидов, называют мутациями со сдвигом рамки. Представим себе РНК, транскрибируемую с ДНК, в которой произошла делеция или вставка. Информационная РНК считывается белоксинтезирующей системой с некоторой начальной точки. При считывании кодонов, каждый из которых содержит по три основания, аминокислоты включаются в белок в порядке расположения соответствующих кодонов. Если же в ДНК, а следовательно, и в мРНК, встречается делеция или вставка, то все последующие кодоны будут считываться неправильно, так как «рамка считывания» окажется сдвинутой вперед или назад на один или два нуклеотида^{1 2)}. В результате будет синтезироватся белок, мало похожий на белок, синтезируемый в немутантном организме; обычно такне белки оказываются полностью лишенными функциональной активности. Однако сдвиг рамки вблизи 3'-конца гена может вызвать «перескок» через терминирующий кодон и привести к синтезу функционально активного белка с удлиненным С-концом. Считают, что именно этим путем могли возникнуть несколько типов гемоглобинов [129а, b].

¹⁾ Существует вероятность того, что пуриновое основание может спариться с другим пуриновым Основанием, если последнее находится в энергетически менее выгодной син-конфигурации (гл. 2, разд. Г,4) [129а].

²⁾ В случае если рамка считывания сдвинута на три нуклеотида, образуется нормальный белок, в котором, однако, либо нехватает одного аминокислотного остатка, либо имеется одни лишний остаток.

Мутации со сдвигом рамки делят на + или — в зависимости от того, происходит ли вставка или делеция небольшого числа оснований. Таким образом, мутации со вставкой можно обозначать +1; +2 и т. д. Встречаются также мутации, при которых включаются или выпадают большие участки ДНК. Так, например, большая вставка может иметь место при включении в ген длинного участка чужеродной ДНК. Потери или добавки больших кусков хромосом также могут быть отнесены к мутациям типа делеции или вставки.