Том 1 (1129743), страница 94
Текст из файла (страница 94)
Затем определяли последовательности ДНК большой области генома длямногих различных червей-потомков и сравнивали их с соответствующей последовательностью червя-прародителя. Этот анализ показал, что в среднем две новыемутации (главным образом короткие вставки и делеции) возникают в гаплоидномгеноме очередного поколения. Если принять во внимание число делений клеток,необходимых для производства сперматозоидов и яйцеклеток, то частота мутацийокажется приближенно равной 1 на 109 нуклеотидов за одно деление клетки —частота, поразительно схожая с таковой для размножающейся бесполым путемE. coli, описанной выше.Прямое измерение частоты мутаций в зародышевой линии клеток млекопитающих сложнее, но косвенные оценки получить возможно. Один из способов состоит всравнении аминокислотных последовательностей одного и того же белка у нескольких видов.
Долю аминокислот, которые отличаются между любыми двумя видами,можно затем сравнить и оценить по числу лет, прошедших с момента расхождения440Часть 2. Основные генетические механизмыэтой пары видов от их общего предка, что устанавливается по палеонтологическимданным.
Прибегнув к этому методу, можно вычислить число лет, которое проходитв среднем, прежде чем наследуемое изменение в аминокислотной последовательностибелка становится закрепленным в организме. Поскольку каждое такое изменениеобычно отражает изменение одного нуклеотида в последовательности ДНК гена,кодирующего этот белок, постольку мы можем употребить эту величину для оценки среднего числа лет, необходимого для возникновения единичной устойчивоймутации в соответствующем гене.Такие вычисления будут почти всегда существенно занижать действительнуючастоту мутаций, потому что многие мутации будут наносить урон функции белка иисчезать из популяции в силу естественного отбора, то есть в результате преимущественной гибели несущих такие мутации организмов.
Но последовательность одногосемейства белковых фрагментов, кажется, не имеет особого значения, благодаря чемугены, которые их кодируют, могут накапливать мутации без отбраковки естественным отбором. Это фибринопептиды — фрагменты длиной двадцать аминокислот,которые удаляются из молекулы, когда белок фибриноген активируется и образуетфибрин во время свертывания крови. Так как функция фибринопептидов явно независит от последовательности аминокислот, они могут безболезненно переноситьзамены почти любых из имеющихся в их составе аминокислот.
Поэтому сравненияпоследовательностей фибринопептидов могут быть использованы для оценки частоты мутаций в последовательности зародышевых клеток. Как было установлено порезультатам этих исследований, типичный белок из 400 аминокислот претерпеваетзамену аминокислоты примерно один раз каждые 200 000 лет.Другой способ оценки частоты мутаций у человека состоит в использованиисеквенирования ДНК для сравнения соответствующих последовательностей нуклеотидов непосредственно у близкородственных видов в областях генома, которые,кажется, не несут жизненно важной информации. Как и следовало ожидать, такиесравнения дают оценки частоты мутаций, которые согласуются с полученными врезультате опытов с фибринопептидами.Бактерии E.
coli, черви и человек сильно отличаются друг от друга как способами воспроизводства, так и временем жизни поколений. И все же, когда присущие им частоты мутаций нормализуют по единичному циклу репликации ДНК,они оказываются подобными: при каждом событии репликации ДНК изменяетсяпримерно 1 нуклеотид на 109 нуклеотидов.5.1.2. Для сохранения жизни в существующей форме частота мутаций должна быть низкойТак как многие мутации пагубны, ни один вид не может позволить их быстроенакопление в клетках своих зародышей.
Хотя наблюдаемая частота мутаций низка,она, как думают, все же ограничена числом жизненно важных белков, которыелюбой организм может кодировать, до, быть может, 50 000. Развивая этот довод,можно утверждать, что если бы частота мутаций была в десять раз выше, то этимограничила бы организм до примерно 5 000 генов первой необходимости. В такомслучае эволюция была бы тоже ограничена — организмами значительно менеесложными, чем плодовая мушка.Клетки воспроизводящегося половым путем организма подразделяются надва типа: зародышевые клетки и соматические клетки. Зародышевые клеткиГлава 5.
Репликация, репарация и рекомбинация ДНК 441передают генетическую информацию от родителя потомству; соматические клеткиформируют тело организма (рис. 5.1). Мы убедились, что зародышевые клеткидолжны быть защищены от высокочастотных мутаций, чтобы поддерживать существование вида. Однако соматические клетки многоклеточных организмов тожедолжны быть защищены от генетических изменений, чтобы предохранить каждуюособь от порчи.
Изменения нуклеотидов в соматических клетках могут дать началовидоизмененным клеткам, некоторые из которых, минуя естественный отбор, быстро разрастаются (пролиферируют) за счет остальной части организма. В крайнемслучае результатом будет неконтролируемая пролиферация клеток, известная какрак — болезнь, которая ежегодно вызывает более 20 % смертельных случаев вЕвропе и Северной Америке.
Эти летальные исходы обусловлены в значительнойстепени накоплением изменений в последовательностях ДНК соматических клеток (обсуждается в главе 23). Резкое возрастание частоты мутаций может вызватькатастрофическое увеличение заболеваемости раком за счет увеличения частоты, скоторой возникают видоизмененные соматические клетки. Таким образом, как длясохранения вида с большим числом генов (устойчивость зародышевых клеток), таки для предотвращения рака, обусловленного мутациями в соматических клетках(устойчивость соматических клеток), многоклеточные организмы, как и мы с вами,зависят от удивительно высокой точности, с которой их последовательности ДНКреплицируются и сохраняются.ЗаключениеВо всех клетках последовательности ДНК сохраняются и реплицируютсяс высокой точностью.
Частота мутаций, равная приблизительно одному измененному нуклеотиду на 109 нуклеотидов при каждой репликации ДНК, примерноодинакова у таких разных организмов, как бактерии и человек. Благодаря стольпоразительной точности последовательность генома человека (приблизительноРис. 5.1. Клетки зародышевой линии и соматические клетки выполняют в корне различные функции.В воспроизводящихся половым путем организмах клетки зародышевой линии (красные) передаютгенетическую информацию следующему поколению. Соматические клетки (синие), которые формируют тело организма, необходимы для выживания клеток зародышевой линии, но сами не оставляютникакого потомства.442Часть 2.
Основные генетические механизмы3·109 пар нуклеотидов) изменяется предположительно лишь на 3 нуклеотида прикаждом делении клетки. Это позволяет большинству людей передавать точныегенетические инструкции от одного поколения другому, равно как и избегатьизменений в соматических клетках, которые могли бы привести к раку.5.2. Механизмы репликации ДНКВсе организмы перед каждым делением клетки должны дублировать свою ДНКс исключительной точностью. В этом параграфе мы исследуем, как замысловатая«репликационная машина» достигает такой точности, причем при дублированииДНК со скоростью до 1 000 нуклеотидов в секунду.5.2.1. В основе процессов репликации и репарации ДНК лежитпринцип комплементарности основанийКак уже было упомянуто в главе 1, матричный синтез ДНК — это механизм,используемый клеткой, чтобы копировать нуклеотидную последовательность однойцепи ДНК в комплементарную последовательность ДНК (рис.
5.2). Этот процесссвязан с узнаванием каждого нуклеотида матричной нити ДНК (шаблоне) свободным (неполимеризованным) комплементарным нуклеотидом, и это требует отделениядвух цепей спирали ДНК друг от друга. В результате такого разобщения донорныеи акцепторные группы водородных связей, расположенные на образующих ДНКоснованиях, становятся доступными для спаривания с соответствующими свободными нуклеотидами, из числа поступивших «в зону проведения работ», — дляосуществления катализируемой ферментом полимеризации в новую цепь ДНК.Первый полимеризующий нуклеотиды фермент, а именно ДНК-полимераза,был открыт в 1957 г. Тогда же было установлено, что свободные нуклеотиды, служащие субстратами для этого фермента, представлены дезоксирибонуклеозидтрифосфатами, а для их полимеризации в ДНК необходима одноцепочечная матрицаДНК.
На рис. 5.3 и 5.4 представлен ступенчатый механизм такой реакции.Рис. 5.2. Двойная спираль ДНК служит матрицей для своего собственного дублирования. Посколькунуклеотид А спаривается лишь с T, а G — только с C, каждая из цепей ДНК может служить матрицей,определяющей последовательность нуклеотидов в комплементарной ей нити путем спаривания оснований.
Благодаря такому механизму двухцепочечная молекула ДНК может копироваться с большойточностью.Глава 5. Репликация, репарация и рекомбинация ДНК 443Рис. 5.3. Химия синтеза ДНК. Присоединение дезоксирибонуклеотида к 3'-концу полинуклеотиднойцепи (затравочная цепь) — основополагающая реакция, посредством которой и синтезируется ДНК.Как показано на рисунке, спаривание оснований между подошедшим к «месту действия» дезоксирибонуклеозидтрифосфатом и существующей цепью ДНК (матричная цепь) определяет формированиеновой цепи ДНК с комплементарной нуклеотидной последовательностью.5.2.2. Репликационная вилка ДНК асимметричнаВ ходе репликации ДНК в клетке каждая из двух исходных цепей ДНК служит матрицей для формирования полноразмерной новой цепи. Поскольку каждаяиз двух «дочерей» делящейся клетки наследует новую двойную спираль ДНК,содержащую одну исходную и одну новую цепи (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
