04. Классификации мутаций (Лекции по генетике)

Лекция 4КЛАССИФИКАЦИЯ МУТАЦИЙ«Генетика», ФЕН и МФ НГУ, бакалавриат, 3 курс ноябрь 2014 г.Костерин О.Э., kosterin@bionet.nsc.ru4.1. Классификация мутаций по их молекулярной природе.4.1.1. Точковые мутацииС точки зрения традиционного построения курсов генетики, мы непростительнодолго задержались на обзоре генетических понятий и тех молекулярных явлений,которые за ними стоят, и до сих пор не перешли к тому, что составляет сутьклассической генетики – генетическому анализу. Однако понятийно-терминологическийобзор необходимо завершить рассмотрением классификации мутаций. Оставим в стороневопросы мутагенеза, то есть как, почему, в каком количестве мутации возникают и каких можно сосчитать - и ограничимся лишь его результатами, то есть самими мутациями.Начнем с классификации, основанной на характере молекулярного изменения,произошедшего в генетическом материале, с учетом его смысла с точки зрениягенетического кода.Прежде всего, выделяют точковые мутации.

Точковые мутации в узком смыслепредставляют собой замены одних нуклеотидов на другие. Среди точковых мутацийвыделяют:- транзиции: нуклеотидные замены с сохранением класса азотистого основания,которые меняют один пурин на другой – тимин на цитозин или наоборот - или одинпиримидин на другой – аденин на гуанин или наоборот.- трансверзии: нуклеотидные замены с изменением класса азотистого основания.Различение транзиций и трансверзий имеет значение постольку, посколькутранзиции в третьих позициях многих кодонов (а у некоторых кодонов – и во вторых)обычно не приводят к аминокислотным заменам. Это обстоятельство связано с тем, чтогенетический код, «принятый» у ныне существующих организмов, не так уж сильно всего лишь набором ряда уникальных исключений – отличается от так называемогоидеального кода, при котором аминокислота определялась первыми двумя и всего лишьтипом (пуриновый или пиримидиновый) третьего нуклеотида в кодоне; и дажеколичество уникальных тРНК варьирует в разных группах вокруг цифры 32, то есть при1спаривании их антикодонов с кодоном оказывается неважным, какой именно пурин илипиримидин находится в третьей позиции.Таким образом мы с вами подошли к существованию синонимичных инесинонимичных нуклеотидных замен – первые не приводят к изменению смысла кодона(кодирует определенную аминокислоту или является стоп-кодоном), вторые приводят.Данная бинарная классификация применяется только к кодирующим участкам ДНК –экзонам; нуклеотидные замены в некодирующих участках называть «синонимичными»не принято.В свою очередь, несинонимичные нуклеотидные замены, меняющие смысл кодонав рамках генетического кода, делятся на миссенс-мутации – нуклеотидные замены,приводящие к замене одной аминокислоты на другую, и нонсенс-мутации –нуклеотидные замены, превращающие кодон, кодирующий аминокислоту, в стоп-кодон.Существование термина «нонсенс-мутации» имеет скорее исторические корни и неособенно оправдано – по крайней мере мутации, превращающие стоп-кодон вкодирующий, а также аналогичные мутации, затрагивающие метиониновый старт-кодон,в отдельные классы не выделяются, что непоследовательно.Миссенс-мутации в свою очередь делятся на консервативные – мутации,приводящие к заменам аминокислот в пределах своего класса, и неконсервативные –мутации, приводящие к изменению класса аминокислоты, кодируемой кодоном.

Легкопонятно, что консервативные замены в среднем меньше сказываются на функцияхбелкового продукта, чем неконсервативные, хотя, естественно, имеются и исключения.Примеров точковых мутаций масса, возьмем пример из генетики человека.Впечатляющий иллюстративный материал для обзора различных типов мутаций являютгены глобинов. Однако на современном этапе развития генетики такой материал можетдать едва ли не любой ген.Ген β-глобина обозначается HBB и расположен в хромосоме 11. Из 146 его кодонов,точковые мутации, общим числом 335 по состоянию на 2010 г были известны (то естьнайдены у живых людей!) для как минимум для 138. На следующем рисунке приведенпример синонимичной замены С>А в гене (Рис.

4.1а) и случай неконсервативноймиссенс-мутации (замена A>T), сменившей гистидин на лейцин (неконсервативнаязамена!), которая была выявлена у одной совершенно здоровой семьи из Граца (Рис.4.1b).2Рисунок 4.1. Синонимичная замена С>А в позиции 33 и несинонимичнаянеконсервативная миссенс-замена A>T, меняющая аланин на треонин в гене HBB βглобина человека (по Knight, J.C. 2009. Human Genetic Diversity: Functional consequencesfor health and desease. Oxford University Press, с изм.)Это удобный случай напомнить, что при обсуждении кодирующих нуклеотидныхпоследовательностей принято приводить нуклеотидные последовательности кодирующейцепи ДНК, то есть цепи, комплементарной матричной цепи – той цепи, по которойстроится мРНК.

Последовательность мРНК совпадает с последовательностьюкодирующей части кодирующей цепи с той разницей, что вместо тимина в ней стоитурацил. Обращаю внимание, что на этой и последующих иллюстрациях, касающихся генаβ-глобина HBB, (позаимствованных из книги J.C. Knight “Human Genetics Diversity”), 5’конец кодирующей цепи предполагается справа, транскрипция и трансляцияпредполагается идущей справа налево. Направление «чтения» связано с тем, что гены вэтой книге привязаны к сквозной нумерации нуклеотидных позиций на хромосоме(мелкие цифры сверху).

Эта ориентация непривычна – мы вынуждены читать ген справаналево, но нужно привыкать, что может встретиться и такое. На всякий случайнапоминаем также, что гены (понимаемые как транскрибируемые последовательности) вхромосоме в целом ориентированы «как попало» - некоторые параллельно, некоторыеантипараллельно, хотя каждый ген в своем локусе ориентирован строго определеннымобразом и все экзоны одного гена ориентированы параллельно друг другу.

Поэтому однаи та же из двух цепей ДНК в кодирующих участках разных генов бывает то матричной, токодирующей (но только какой-нибудь одной во всех экзонах одного и того же гена);соотсветственно, одни гены будут «читаться» справа налево, другие слева направо.3Выше мы уже рассмотрели серповидно-клеточную анемию, которая связана снеконсервативной несинонимичной заменой в том же самом гене, в результате чегополярная аминокислота глутамат заменилась на алифатическую – валин, и белок с такойзаменой вызывает патологические последствия. Кстати, в результате другойнуклеотидной замены тот же остаток глутамата заменяется на остаток лизина – также сгидрофильным заряженным радикалом, но с противоположным знаком заряда.

Врезультате образуется так называемый гемоглобин С. У гетерозигот по такому аллелю онсоставляет 28-44% всего гемоглобина, поэтому в отношении химического составаглобинов эта мутация полудоминантна. Однако на здоровье человека это обстоятельствоне сказывается, в этом отношении мутация рецессивна.

У гомозигот весь гемоглобиноказывается гемоглобином С, и это нарушает нормальную пластичность эритроцитов иприводит к умеренной анемии. Данная мутация в гетерозиготе также дает определеннуюустойчивость к малярии и выглядит более приемлемым решением проблемы малярии,чем та, которая связана с сепповидно-клеточной анемией. Она широко распространена вЗападной Африке, а также у происходящего оттуда негритянского населения СевернойАмерики.При серповидно-клеточной анемии нарушено качество молекулы β-глобина, присохранении ее количества. Если же какой-то из двух глобинов из состава гемоглобина,синтезируется в недостаточном количестве, это приводит к наследственнымзаболеваниям, известным под общим названиям талассемии. В случае недостатка αглобина, молекулы β-глобина формируют нефункциональный тетрамер. В случаенедостатка β-глобина, избыточные молекулы α-глобина связываются с мембранойэритроцита.

Если дисбаланс между глобинами велик, то за счет этого созревание многихэритроцитов нарушается и они разрушаются еще в красном костном мозге, а те, которыевсе-таки входят в кровяное русло, имеют дефект мембраны и довольно быстроразрушаются в селезенке. Большинство мутаций, приводящих к талассемиям,полудоминантны с точки зрения количества соответствующих глобинов в эритроцитах. Сточки зрения патологии их можно назвать рецессивными, так как гетерозиготы какправило не имеют проблем со здоровьем. Существует два паралогичных гена α-глобина,HBA1 и HBA2 (хромосома 16) и лишь один ген β-глобина, поэтому потеря функцииодним из генов α-глобина не столь сильно сказывается на организме, как потеря функциигена β-глобина. В гомозиготе по мутации, приводящей к потере функции одного из двухгенов α-глобина, формируется так называемая «малая талассемия», которую можноустановить лишь по слегка уменьшенному объему эритроцитов; она практически несказывается на жизни пациентов, разве что анемия может развиться при болезни или4беременности.

В гомозиготе мутация, связанная отсутствием или резким сокращениемколичества β-глобина, вызывает так называемую «большую талассемию», для которойхарактерна анемия, повреждение костей, увеличенная селезенка и большое количествонесвязанного железа в организме. Без периодической гемотрансфузии больные недоживают до 20 лет.Вы знаете, откуда произошло название «талассемия»? «Θάλασσα» по-гречески –море (слово неиндоевропейского происхождения; судя по всему, греческий языкформировался настолько далеко от моря, где-то в степях Восточной Европы, что егоносители потеряли свое индоевропейское «маре» и вынуждены были заимствовать словоу «загадочных пеласгов» – догреческого населения нынешнего греческого мира).

Дело втом, что концентрация β-талассемии велика в Средизмноморье, особенно в восточном, аименно в Греции, в Эгейском регионе Турции (также изначально бывшем частьюгреческого мира) и на островах Средиземного моря, где в некоторых районах носителямимутации в гетерозиготе является до 20% населения. Считается, что в мире живет 60-80млн носителей β-талассемии. В настоящее время выявлено около 200 различных (!)мутаций, приводящих к β-талассемии, и подавляющее большинство из них – точковыемутации, то есть замены нуклеотидов, реже выпадения 1-2 нуклеотидов.В чем же причина такой концентрации мутаций по гену β-глобина вСредиземноморье? Распространенность в мире талассемий в целом коррелирует сраспространенностью малярии (Рис.