Айала, Кайгер - Современная генетика - т.3 (Айала, Кайгер - Современная генетика - 1988)

МООЕКХ ОЕИЕТ1СБ Ггапсысо 5. Ауа1а 3'опп А. К~дег, Уг. Бшчегя1у оГ Са11Гогпга, йачга ЗЕСОМ> ИУутЮМ ТЬе Веп1апнп!Сшппнпу РнМ1вЫна Сопграпу, 1пс. Меп!о РагЬ, СаИогп1а Кеайпа, МавяасЬняеня Ьопг1оп Апыгегйип Роп М111в, Опгапо Буг1пеу ГРЧ! Современная В трех томах Том 3 Перевод с английского д-ра физзмат. наук А.Д.

Базыкина МОСКВА «МИР» 1988 Ф АЙАЛА, Дж. КАИГЕР Мутации генов Самые крупные из существующих ныне животных — это синие киты. Длина их достигает 30 м, а вес — 13 т. Гигантские секвойи Калифорнии еще больше. Вес некоторых из них-1,5 тыс. тонн, т.е. примерно в сто миллионов триллионов раз (10'с) больше веса средней бактерии. Продолжительносп жизни бактерии — 30 минут. Возраст гигантских секвой и остнстых сосен может исчисляться тысячелетиями. Необычайно разнообразны формы живых существ, условия их существования, а также способы добывания энергии.

Разнообразие, безусловно, представляет собой наиболее характерную особенность живого мира. Источником этого разнообразия служит эволюционный процесс. Отдаленными предками человека, жившими в кембрийский геологический период, около 600 млн. лет тому назад, были червеобразные существа, обитавшие в океанах. От них произошли и морские ежи, и форель, и крокодилы, и орлы, и коровы. Все клеточные организмы произошли от прокариотических существ, живших более трех миллиардов лет тому назад. В основе морфологических и функциональных изменений лежат изменения генетические: биологическая эволюция происходит постольку, поскольку наследственное вещество, ДНК, может изменяться от поколения к поколению.

Наследственная передача признаков от родителей потомству-процесс консервативный, но эта консервативность не является абсолютной. Иногда происходят ошибки, в результате чего количество ДНК или последовательность оснований в ДНК дочерних клеток становятся иными. Эти изменения наследственного материала называют муеачиями. В настоящей главе мы обсудим генные мутации, затрагивающие один или несколько нуклеотидов внутри отдельных генов. Эволюция генетического материала Хромосомные мутации, которые одновременно затрагивают множество нуклеотидов или структуру хромосомы в целом, мы обсудим в следую- щей главе. Молекулярные основы генных мутаций Таблица 20.1.

Иллюстрация смысла терминов «замена основания» н «сдвиг рамки» тио мутациоаного события Мутация гена Мутасия гена Мутациг ена Мутация агена Замена Сдвиг рамки лелецней Сдвиг рамки вставкой Как обсуждалось в гл. 13, наследственная информация, заключенная в нуклеотидной последовательности ДНК, сохраняется неизменной благодаря действию сложных метаболических механизмов, обеспечивающих осуществление репликации и репарации. Мутации могут быть результатом ошибки на любом из многочисленных последовательных этапов этих процессов.

Мутагенные факторы способны изменять как непосредственно структуру ДНК, так и структуру ферментов, прямо или косвенно участвующих в соответствующих метаболических процессах. Для понимания механизмов мутаций требуется знание нуклеотидной последовательности гена дикого типа и мутантного гена. Без этого невозможно понять связь между изменениями, происходящими в структуре ДНК и действием конкретных факторов или условий среды, вызынающих мутации.

Современные методы клонирования генов сделали возможным прямое определение нуклеотидной последовательности ДНК. Однако еще совсем недавно при изучении молекулярной природы мутаций приходилось анализировать аминокислотные замены в белках, сннтезируемых мутантными генами, а затем с помощью таблиц генетического кода выявлять изменения в нуклеотидной последовательности.

Мутации можно разделить на два больших класса. К первому классу относятся те из них, которые связаны с заменой оснований. Мутации второго класса обусловлены сдвигом рамки считывания (табл. 20.1). Последние вклуочают в себя вставки или делеции одной или нескольких нуклеотидных пар. Замены оснований составляют не более 20;Г спонтанных мутаций, большинство остальных мутаций происходит в результате делеций и вставок различной протяженности. Исключение составляют так называемые «горячие точки» (см.

рис. 6.12). Исследования нуклеотидной последовательности клонируемого гена 1ас 1 Е. сой показали, что две горячие точки спонтанных мутаций расположены в сайтах, содержащих метилированное основание 5-метилцитозин, которое возникает под действием фермента модификации ДНК. Известно, что при спонтанном дезаминировании цитозина образуется урацил. Сформировавшиеся прн этом ошибочные пары с)О/<П) узнаются системой репарации клетки. Ошибка исправляется посредством гидролиза гликозидной связи, высвобождающего урацил 20. Мупааиии генов Рнс. 20.!. Спонтанное дезамнннронанне пн- тознна приводит н образонанню урапн- ла; дезнмнннронанне 5-метнлцнтознна при- водит к образованию тимина. Г" О ф'~ 1лна О Пнаоанн Ураннл сн Х Х О сн О 5.имнланатозин (гл. 13). К иным последствиям приводит спонтанное дезаминирование 5-метилцитозина.

Известно, что в результате этой реакции образуется тимин (рис. 20.1), нормальный компонент ДНК, не выявляемый механизмом репарации. Возникающие при этом ошибочные пары дО/г(Т репарируются менее эффективно, чем <(О/аП/, в результате с высокой частотой происходит замена г(О/6С -» г(А/6Т, т.е. возникает горячая точка. Замены пар оснований Существуют два типа замен нуклеотидов-транзиции и трансверсии. зранзиции заключаются в замене одного пурина на другой пурин или одного пиримидина иа другой пиримидин (АТ- ОС, ОС- АТ, ТА-+ — СО и СО- ТА).

При глрансверсии пурин меняется на пиримидин или наоборот (АТ-+СО, АТ- ТА и т.д.). Замены оснований могут происходить различными способами. Так, например, мутация в гене ДНК-полимеразы фага Т4 может привести к возникновению дефектного фермента, что в свою очередь обусловит увеличение частоты как транзиций, так и трансверсий при репликации ДНК. У многих различных организмов, в том числе у Е. сей и у дрозофилы, известны гены-мутаторы, увеличивающие частоту мутаций. У Е. сон мутация глиг 5 повышает частоту обоих типов замен, тогда как мутация лпа Т индуцирует лишь трансверсии АТ -+ СО.

Спонтанные трацзиции могут происходить при репликации ДНК вследствие глаупюмеризаааии, т.е. изменения положения протона, меняющего химические свойства молекулы. Таутомеризация в нуклеотидных основаниях меняет их способность образовывать водородные связи, так что аденин приобретает свойства гуанина, гуанин — аденина, цитозин— тимина, а тимин-цитозина (рис. 20.2). Мутагенная активность 5-бромурацила, аналога тимина, в котором метиловая группа замещена атомом брома, обусловлена таутомеризацией, связанной с ббльшим, нежели у метиловой группы, сродством к электрону атома брома по сравнению с метиловой группой (рис.

20.3). Индуцируемые 5-бромурацилом мутации могут обусловливаться либо ошибками при включении, Эаолюаил генетического материала 10 н Х СН ~т '(~й Редкая имнним форма аденина (А") Н Н .Н Н Н тнм 0 Реакаа енояьиая форма кимам (Г а) Н ! ~Ф 'о Н Гу анин .)Ъ Н Редкая имниная форма Нтозвм (С") Редкая еноаьнаа форма еумима (6') либо при считывании, что приводит соответственно к замене СаС- АТ или АТ-+СаС (рис, 20.4).

Другим мутагеном из числа химичесхих аналогов нуклеотндных оснований является 2-аминопурин, способный спариваться либо с тимином, либо с цитозином (рис. 20.5). Так же как и 5-бромурацил, 2-амииопурин вызывает транзиции, являющиеся результатом ошибок двух типов; при включении или прн считывании. Мутации, индуцируемые такими мутагенами, могут под действием тех же мутагенов ревертировать к дикому типу. Способность ревертировать под действием аналогов оснований используется для идентификации транзиций (табл.

12.2). Азотистая кислота представляет собой мутаген, индуцирующий транзиции СаС- АТ и АТ-+ССа; это происходит в результате дезаминирования цитозина и превращения его в урацил, а также при переходе аденина в гипоксантин (спаривающийся так же, как и гуанин) Возникно- Рис. 20,2. Таутомерные бюрмы оснований ДНК, В центре изображены наиболее распространенные формы, когда аденнн образует водородную связь с тимином, а гуаннн — с цнтозином.

Сравнительно более рел- кие таутомеры, образующие водородные свя- зи по-другоыу, указаны стрелками. С* обра- зует водородную связь с А, Ое — с Т, Т"-с О, А*-с С. Б Π— Н О Р) Обьомм кетоформа Апенин Редкм енольная форма Гранин 5-аромурамиа (5-8 ()) 5 бромуравнлз (б — ВО") Рис. 20.3. Таутомерные формы 5-бромурацила, аналога тимина.

А. Наиболее распространенный таутомер, образующий водородные связи с аденином. Б. Менее распространенный, но важный таутомер, образующий водородные связи с гуанином. 4 ТАСОТСА АТбСАбТ Родителмкм двойная ТАСОТС А им рана Ь Реплнкация А Т О С А О Т ТАСОТСА ТАСОТСА Оь. Репликвция АТ05 В()АОТ ДНК И ТАС А ТСА г Атб5 ВПАОТ Репликация Рс ТАС А ТСА встрзиваетвиепь АТ05 В()АОТ АТО ТАСТ 5-ВО", образую- Т А С 0 Т С А мий парус б с вд Рней Ржави ТАССТСА н в ...Дна двокнзя спираль с При второй репликацни ть вспщткзет одна даогтнвн ттии нс~н Й ОС Ат спираль с парой 5-ВО-А раль с 5-В0 А ТОСАОТ Б ТАСОТСА АТОСАОТ Роднмльскав двойни» л' т'АсотсА спираль Репликзция АТОС А ОТ с ЛНК ~РУ ТАС05"В(гСА зу ТАСОС СА ~,~СР' ТАС05" ВО" СА )Н б ОсзЪ~ Разделение Р" "' " ~' АТОС О О Т Н ТАС05-ВбеСА ,РС. Птж третьей реплика- А Т О С А 0 Т ции возникает авиа .Г ТАСОТСА АТОСАОТ тралзивнсй АТ ОС встраивает в дель 5-ВО' оар з) ТАСАТСА и одна двойнм снипжй пару с А АТОСА ОТ вдомрней слив в ВО" ТАС От СА При в~орса репмткажм А возникает одна двойная спирзль с парой 5-В()'-О Рис.

20.4. Индукция транзиций 5-бромурацилом. А. Ошибка при включении приводит к транзиции ОС-ьАТ. Б. Ошибка при считывании принодит к транзицни АТ-ьос. (По (). ОооЫелондй, К.Р. Беьйпе, бене((сз, Но!г, й(пе)тац анс( тзг(пз(оп, )ь)ем 'т'ог)с, 1974.) Эволюция генетического материала / Н о сн, -Р Н 2 амяяопурвн Тимин 2.аьвмояурвя Цятозия Рис. 20.5. 2-Аминопурин (2-АЩ аналог аденина, образует водородные связи с тимином и цитозиноы — Н о ° .