Спонтанный мутагенез: частота, факторы, значение в эволюции

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 11Следующая ⇒

Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают без видимых причин. Эти мутации иногда рассматривают как ошибки трех Р: процессов репликации, репарации и рекомбинации ДНК. Это означает, что процесс возникновения новых мутаций находится под генетическим контролем организма. Например, известны мутации, которые повышают или понижают частоту других мутаций; следовательно, существуют гены-мутаторы и гены-антимутаторы.

В то же время, частота спонтанных мутаций зависит и от состояния клетки (организма). Например, в условиях стресса частота мутаций может повышаться.

Спонтанный мутагенез, т.е. процесс возникновения мутаций в организме в отсутст-вие намеренного воздействия мутагенами, представляет собой конечный результат суммарного воздействия различных факторов, приводящих к повреждениям генети-ческих структур в процессе жизнедеятельности организма.

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СПОНТАННЫЙ МУТАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС

Эти факторы можно разделить на:

• экзогенные (естественная радиация, экстремальные температуры и др.);

• эндогенные (спонтанно возникающие в организме химические соединения-мета-болиты, вызывающие мутагенный эффект; ошибки репликации, репарации, ре-комбинации; действие генов-мутаторов и антимутаторов; транспозиция мобиль-ных генетических элементов и др.).

Организм человека за год поглощает в среднем 0, 095 рад энергии ионизирующих излучений, поступающих от естественной радиации (у-изл учение Земли, космиче-ские лучи, радиоактивные элементы земной коры и атмосферы такие, как радон, уг-лерод С14, калий К40 и др.). Эта доза зависит от высоты над уровнем моря и геогра-фической широты. Кроме того, радиация выше в районах, где есть выходы на поверхность первичных пород. У человека доля мутаций, индуцированных естественной радиацией составляет до 25%, а у дрозофилы — лишь 0, 1 % всех спонтанных мутаций.

Относительно УФ-излучения выше уже было указано, что оно практически не иг-рает никакой роли в возникновении мутаций в половых клетках эукариот, не обла-дая достаточной проникающей способностью. В то же время, у одноклеточных организмов и вирусов поддействием ультрафиолета образуется значительная часть спонтанных мутаций.

Замечено, что в высокогорных, а также арктических условиях растительность представлена преимущественно полиплоидными формами, так как резкие перепады температур в период вегетации растений ведут к увеличению частоты спонтанных геномных мутаций. Увеличение температуры окружающей среды на каждые 10 °С увеличивает частоту мутаций в 5 раз.

Основным источником спонтанных мутаций служат эндогенные факторы, при-водящие к повреждению генов и хромосом в процессе нормального клеточного ме-таболизма. Результат их действия — ошибки генетических процессов репликации, репарации и рекомбинации.

Ошибки репликации:

• таугомерные переходы азотистых оснований приводят при репликации к спон-танным транзициям и трансверсиям;

• ошибки в работе ДНК-полимераз обусловливают некомплементарное встраива-ние 1 на 100000 вновь синтезирующихся нуклеотидов. Корректорская 3'-5'-экзо- нуклеазная активность ДНК-полимераз снижает эту частоту до 1 на 10 000 000 000;

• химические модификации оснований (например, при встраивании 5-метилцито- зина происходит замена GC - АТ, т.к. 5-метилцитозин при последующей репли-кации может образовывать водородные связи с аденином).

Ошибки репарации:

• например, мутации в гене uvrD, отвечающем за репарацию одноцепочечных раз-рывов при УФ-облучении E.coli, в сотни раз повышает частоту спонтанных тран- зиций АТ - GC.

Ошибки рекомбинации'.

• в результате неравного внутригенного кроссинговера в мейозе происходят встав-ки либо выпадения оснований.

К эндогенным факторам спонтанного мутагенеза относится и мутагенная актив-ность специальных элементов генома: генов-мутаторов и эндогенных метаболитов. Так генетическая стабильность большинства генов определяется не только особен-ностями их строения, но и уровнем общей мутабильности клетки, контролируемой генами-мутаторами и антимутаторами, которые по-видимому, задействованы в про-цессах репликации, репарации и рекомбинации ДН К. К классу эндогенных метабо-литов относятся спонтанно возникающие химические соединения, вызывающие му-тагенный эффект. Например, при заживлении физических травм у растений, образу-ются каллусные клетки, которые в норме отсутствуют, при этом индуцируется синтез дополнительных ферментов и метаболитов, необходимых для заживления раны. Если в каллусной ткани возникают почки, то часть побегов из этих почек оказываются полиплоидными, т.е. метаболиты каллусной ткани способны вызывать геномные мутации. Мутагенным эффектом обладают и свободные радикалы, возникающие при перекисном окислении липидов клеточных мембран.

Среди структурных факторов, определяющих эндогенные механизмы мутагенеза, можно выделить такие:

• наличие прямых и обратных повторов вблизи места перестройки;

• высокая концентрация CpG-динуклеотидов;

• наличие внегенных последовательностей ДНК, гомологичных фрагментам стру-ктурного гена;

• мобильные элементы генома.

Два первых фактора реализуются в процессе репликации ДНК хромосом, третий — в процессе рекомбинации.

Вследствие скользящего нарушения спаривания (slipping mispairing) родительской и дочерней цепей ДНК при репликации нередко образуются петли. Их формирова-ние обусловлено наличием в первичной структуре ДН К прямых и инвертированных повторов, идентичных повторяющихся последовательностей, структур шпилечного типа, квазипалиндромных последовательностей и симметричных элементов генома (например, CTGAAGTC). Эти петли либо исчезают в результате репарационного процесса (и тогда возникают делеции), либо сохраняются и приводят к дупликациям и ин - серциям; при этом сформировавшиеся изменения закрепляются в последующих циклах репликации.

Именно в последнем случае возможно появление мутаций экспансии.

Возникновение мутаций зависит от особенностей первичной структуры Д Н К в месте перестройки, и ряд исследователей полагают, что повышенной эндогенной мутагенностью обладают вообще все последовательности ДНК, находящиеся в со-стоянии изгиба (bent DNA). Именно такая конформационная структура ДНК свой-ственна: промоторным частям генов, местам начала репликации (origins of replication), местам контакта хромосом с ядерным матриксом, т.е. тем участкам ДНК, на которые воздействуют топоизомеразы, участвующие в процессах репликации, транскрипции, рекомбинации, в том числе, и негомологичной (незаконной). Результатом последней могут быть не только внутригенные мутации, но и крупные структурные перестройки хромосом (транслокации, инверсии и др.).

Наиболее распространенные спонтанные нарушения ДНК входе репликации и репарации — потеря оснований и дезаминирование, к которому особенно чувстви-тельны цитозиновые остатки. В настоящее время показано, что у позвоночных почти половина всех цитозиновых остатков в ДНК метилирована в 5-м положении, в областях повторов 5'-CpG-3'. При дезаминировании 5-метилцитозин превращается в тимин. При последующей репликации возникший в результате дезаминирования ошибочный вариант (Т-G) либо корректируется (С-G), либо приводит к мутациям типа транзиций: (Т-G) или (С-A). Гены, имеющие в своей структуре большой процент CpG-оснований, спонтанно мутируют по типу транзиций особенно часто. Таковы, например, ген фенилаланингидроксилазы у больных фе- нилкетонурией, гены факторов VIII и IX свертывания крови и др.

Еще одна существенная причина эндогенного мутагенеза — наличие псевдогенов iccно сцепленных с генами гомологичных последовательностей ДНК. В мейозе результатом такой структурной особенности может быть неравная гомологичная рекомбинация и, как следствие - генная конверсия, сопровождающаяся делециями, дупликациями и другими перестройками. Так, очевидная ключевая роль ошибок рекомбинации в этиологии нарушений структуры была установлена при анализе гигантского по размерам (2, 2 млн. п.н.) гена дистрофина, мутации которого (в 60% случаев являющиеся делециями) ведут к миопатии Дюшенна. Подавляющее большинство этих делеций, захватывающих один или несколько соседних экзонов, сосредоточено в двух «горячих» районах. Наблюдаемая частота внутригенных рекомбинаций почти в 4 раза выше, чем можно предполагать, исходя из размеров гена дистрофина. В одной из этих «горячих» точек (интрон 7) недавно обнаружен кластер транспозоноподобных повторяющихся последовательностей. Единичные пока наблюдения свидетельствуют о реальном перемещении этих элементов по типу конверсии и об их интеграции в структурные гены аденозиндезаминазы, аполи- попротсина С, факторов VIII и IX свертывания крови, кальмодулина.

УЧЁТ СПОНТАННЫХ МУТАЦИЙ У ЧЕЛОВЕКА

Для оценки частоты возникновения мутаций (скорости мутирования) у человека, необходим подсчет числа так называемых спорадических случаев мутации, когда ка- кой-либо признак или наследственная болезнь возникают у данного индивида de novo, те. их нет ни у его родителей, ни у других членов семьи. В 1967 г. Курт Браун предложил определять частоту мутаций на популяционной выборке новорожденных по формуле:

Число спорадических случаев проявления данной аномалии

2 х Число обследованных индивидов

Наличие коэффициента 2 обусловлено тем, что мутация может возникнуть как в отцовской, так и в материнской хромосоме. Кроме того, в качестве необходимого ус-ловия принимается, что все спорадические случаи рождения носителей рассматри-ваемого признака обусловлены мутациями de novo, характеризующимися полной пе- нетрантностью, и не являются фенокопиями.

Для выполнения этих условий необходим анализ многих родословных, причем не содержащих пропусков признака в поколениях. Кроме того, не всегда удается получить данные, свидетельствующие о моногенном характере наследования изучаемого мутантного признака.

Когда оценка основана на данных о новорожденных, ее следует считать заниженной, т.к. учтены лишь те мутации, носители которых выживают к моменту рождения. У человека же, равно как и у других млекопитающих, преобладающее большинство геномных и хромосомных мутаций летальны и обусловливают гибель зиготы. Частоты такого типа мутаций оказываются выше при обсчете данных амниоцентеза, проведенного на 16-17 неделе беременности.

Этот, так называемый, прямой метод используется в работах по геномным мутациям и структурным аберрациям хромосом, его можно применять и в отношении доминантных генных мутаций. Однако, прямой метод совершенно неприменим вслучае рецессивных мутаций, так как они чаше всего возникают в половых клетках индивидов, состоящих в браке с гомозиготными носителями нормального аллеля. Часть их потомков окажутся гомозиготными по нормальному аллелю, а часть гетерозиготными, т.е. будут нести и нормальный, и мутантный аллель. Но надежных методов для выявления гетерозигот по различным патологическим генам, к сожалению, пока нет. Подробно частоты спонтанных мутаций, сопряженные с конкретными наследственными заболеваниями, и методы их оценки рассмотрены в соответствующих разделах части 11. Медицинская генетика.

ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СПОНТАННОГО МУТАЦИОННОГО ПРОЦЕССА

Спонтанный мутационный процесс постоянно протекает у всех живых организмов, как в половых клетках, гак и в соматических. При этом возникают все возможные

типы генных, хромосомных и геномных мутаций. Какой-либо направленности в спектре спонтанных мутаций не обнаруживается. Средний темп спонтанного мута-ционного процесса довольно постоянен и составляет для генных мутаций в половых клетках величину порядка: 1 мутация в одном гене на 104-106 гамет за одно поколе-ние. Этот показатель колеблется в связи с вариацией в уровнях экзо- и эндогенных факторов мутагенеза.

Изучение темпа спонтанного мутирования у человека — задача весьма непростая, так как д ля оценки интенсивности процесса необходимо иметь данные о частоте мутантов. Между тем у человека учету поддаются не все вновь возникшие мутации, а в основном те, что проявляются в постнатальном периоде. К ним удается добавить небольшую часть мутаций, дающих клинические проявления в позднем эмбриональном периоде развития. Но и точность учета мутантов в постнатальном периоде не вполне удовлетворительна по целому ряду причин. Среди них и организационные трудности исследования, связанные с возможно недостаточной точностью диагностики исследуемых случаев и неидеальным состоянием архивов медицинских учреждений, и собственно проблемы методологии.

Тем не менее, имеются данные по частоте генных мутаций, обусловливающих наиболее четко диагностируемые наследственные болезни. Приводя их в своей монографии 1998 г. Н.П. Бочков и А.Н. Чеботарев отмечают значительную сложность интерпретации. Так, неясно, действительно ли столь сильно различаются частоты мутаций, возникших в разных локусах (количество мутантов на 106 гамет при синдроме Хиппеля-Линдау и нейрофиброматозе составляет 0, 18 и 44, 0-100, 0 соответственно). Во-первых, из-за не слишком большого размера выборок в колебаниях частот возможен элемент случайности. Во-вторых, следует учитывать наличие возможности сходных фенотипических проявлений мутаций в разных локусах (приводящих к так называемой генетической гетерогенности наследст-венных заболеваний). Наконец, вследствие возможных резких различий в фенотипи-ческих проявлениях серии множественных аллелей не исключено, что частоты мутаций одного и того же локуса не суммируются, искажая тем самым истинную картину. Тем не менее, современные данные позволяют предполагать, что частота спонтанных генных мутаций у человека колеблется в тех же пределах, что и у лабораторных животных.

Если средняя частота спонтанного возникновения генных мутаций у человека находится в пределах от 10~5 до 10-7 на одну гамету за каждое поколение, то д ля наиболее устойчивых частей генома она составляет величину, равную 10-11, а для высо- комутабильных локусов — 10" ^, т.е. существуют «горячие» точки мутационного процесса.

Как высокомутабильные проявляют себя, прежде всего, те участки генома, из-менчивость которых, будучи обусловлена нестабильностью в числе тандемных по-второв, носит нейтральный характер, а темп мутирования не подвержен жесткому контролю со стороны естественного отбора. Такими особенностями отличаются STR-сайты (от англ. short tandem repeats), представляющие собой короткие тример- ные и тетрамерные тандемные повторы. Частота возникновения спонтанных мута-ций в них варьирует в пределах от 0, 1 до 0, 45% на гамету, а в наиболее вариабельных STR-локусах может достигать 5% на гамету за поколение. У ряда варьирующих по числу тандемных повторов — VNTR-локусов (MSB2) частота мутирования достигает

0, 7% на гамету. Адля некоторых VNTR-локусов (М/7) обнаружено достоверное превышение скорости мутагенеза в зародышевых клетках по сравнению с соматическими.

В смысловых и регуляторных последовательностях ДНК подобные тандемные повторы относительно редки и увеличение их числа, связанное с мутациями экспан-сии, приводит к тяжелым заболеваниям (например, в случае хореи Гентингтона, не-которых типов спинально-мозжечковой атаксии; миотонической дистрофии). Ме-ханизм защиты от подобных мутаций заключается в существовании большого числа аллелей дикого типа, отличающихся друг от друга небольшим числом копий, и значительном различии по длине повторяющегося участка между нормальными и мутантными вариан тами гена.

Темпы мутирования в кодирующих областях генома и микросателлитных после-довательностях ДНК различны вследствие разных физических основ изменчивости и зависят от характера мутационного повреждения, механизмов возникновения му-таций, локализации нарушения, структуры, протяженности и функции самого гена. Для многих структурных генов доминирующими по спектру и частоте являются точ- ковые мутации, тогда как для других — достаточно протяженные структурные пере-стройки, типа делеций, дупликаций и инсерций. Наиболее распространенные наследственные болезни, в основном обусловлены точковыми мутациями и делениями. Частота, тип и локализация этих мутаций зависят от эндогенных механизмов мутагенеза, большинство из которых полностью не изучены.

ЗАКОН ГОМОЛОГИЧЕСКИХ РЯДОВ НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ

С процессами спонтанного мутагенеза связаны проявления наследственной из-менчивости у разных систематических групп организмов. Изучая эту проблему, на примере вариации форм культурных растений и их диких сородичей со всех конти-нентов земного шара, Николай Иванович Вавилов сформулировал закон гомологических рядов наследственной изменчивости. В основе закона лежит представление об однотипном изменении генов у генетически родственных форм, в результате чего появляются сходные мутации. При этом;

1) виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наслед-ственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одно-го вида, можно предвидеть параллельные формы у других видов и родов. Чем гене-тически ближе расположены в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости;

2) целые семейства растений, в общем, характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство.

Таким образом, в свете сформулированного закона, случайные по своей направ-ленности мутации у каждой отдельной особи представляют собой закономерное яв-ление, если рассматривать их с позиций вида, так как спектр этих мутаций у каждо-го вида предопределен исторически сложившимся генотипом. Как всякий закон он позволяет предсказывать еще не наблюдавшиеся факты и явления, в данном случае — су- шествование определенных форм у еще не исследованного вида, на основе данных по изученному, близко родственному в генетическом отношении виду. Сам Н.И. Вавилов, обнаружив мутантную (без лигулы) по строению листа форму мягкой пшеницы, предположил возможность существования таких же форм у других злаков. Действительно, были найдены кукуруза, овес, просо, ячмень, а также мятлик и пырей с аналогичной мутацией.

Закон гомологических рядов наследственной изменчивости был восторженно встречен современниками, которые услышали его в докладе Н.И. Вавилова на 3-м Всероссийском селекционном съезде в 1920 г. В течение следующих 10 лет его поло-жения активно разрабатывали и использовали растениеводы, морфологи и система-тики. Однако к 40-м годам XX века интерес исследователей и практиков к закону стал угасать. Это объясняется тем, что наиболее популярным объектом у генетиков в то время стали микроорганизмы. При их изучении у самых разных бактерий и низ-ших грибов были получены ряды фенотипически подобных мутаций, затрагивавшие одинаковые пищевые потребности (например, в аденине, триптофане и других ами-нокислотах). Эти результаты на время обесценили закон, придали ему вид общеиз-вестной, избитой истины. Такое положение дел сохранялось до тех пор, пока не на-чалось прямое изучение гомологии генов на молекулярном уровне. Анализ аминокислотной последовательности некоторых белков (в частности, гемоглобина и цитохрома) у разных видов организмов показал их существенное сходство, что свидетель-ствовало о гомологии кодирующих данные аминокислотные последовательности ге-нов. Разработанные и получившие широкое распространение в конце XX века мето-ды секвенирования ДНК и клонирования генов дали огромный массив данных, по-зволивших реально судить о степени сходства большого количества генов. Оказалось, что для ряда генов, ответственных за метаболизм, гомология прослеживается не только у эукариот, но в некоторых случаях распространяется и на гены прокариот. Кроме того, сопоставление генетических карт целого ряда млекопитающих выявило удивительное сходство расположения генов в одной хромосоме (синтению) у человека, мыши, кошки и коровы, а также в случае еще более далеких между собой видов: например, человека и курицы.

Факты, подтверждающие высокую степень гомологии генов у близких видов ли-бо гомологию отдельных генов у представителей разных классов, видов и родов, уже сейчас весьма многочисленны, в свете чего гомологичные гены разных видов принято обозначать одинаковыми символами (например, в пределах класса млекопитающих за основу берется номенклатура генов человека).

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒