Молекулярные механизмы мутаций

Мутации – изменения в нуклеотидной последовательности ДНК, передающиеся по наследству. Мутации могут возникать в результате воздействия физических (различные виды облучения) и химических факторов либо ошибок в процессе репликации и рекомбинации ДНК.

Под действием УФ-излучения между соседними пиримидиновыми основаниями (между соседними тиминами) возникает ковалентная связь, в результате чего образуются тиминовые димеры. Образование димеров является непреодолимым препятствием для процесса репликации и трансляции. Рентгеновские и g-лучи помимо прямого влияния на ДНК вызывают образование в тканях свободных радикалов.

Супероксидный, НО^* и другие радикалы могут взаимодействовать с ДНК и другими макромолекулами, повреждать их и таким образом способствовать возникновению опухоли. Результатом облучения могут быть разрывы одной или двух цепей ДНК, поперечные сшивки.

Все это лежит в основе мутагенного и канцерогенного эффекта облучения.

Химические факторы мутаций:

1) дезаминирующие агенты (азотистая кислота и вещества, которые могут приводить к ее образованию – нитраты, нитриты, нитрозамин). Они вызывают дезаминирование азотистых оснований. Например, цитозин превращается в урацил, который в ходе репликации образует пару с аденином (вместо гуанина), после чего изменение принимает необратимый характер. Дезаминирование аденина и гуанина приводит к образованию гипоксантина и ксантина, которые отсутствуют в структуре ДНК:

 

 

HN

                            ®®®

Цитозин

Урацил

 

                                                      →

 

	Гуанин		Ксантин

 

2) алкилирующие агенты (диметилсульфат, диметилнитрозамин, азотистый иприт, циклофосфамид) вызывают метилирование азотистых оснований:

 

                                                →

 

 

			6-о-Метилгуанин
	Гуанин

3) аналоги азотистых оснований по своей структуре похожи на азотистые основания и способны их заменять в структуре ДНК:

 

 

	5-Бромурацил		2-Аминопурин

4) интеркалирующие агенты (гидрофобные планарные соединения – акридин, диоксины, бензпирен) встраиваются между соседними азотистыми основаниями:

		Акридин

 

 

Все химические агенты вызывают нарушение комплементарности между азотистыми основаниями в молекуле ДНК.

Виды мутаций

Точечные мутации, или мутации замены оснований, приводят к изменению состава аминокислот, а не количества аминокислот в белке.

Транзиции – замена пуриновых оснований на пуриновые, а пиримидиновых на пиримидиновые.

 

А          Г                           Ц                Т

 

 

Трансверсии – замена пуриновых оснований на пиримидиновые и наоборот.

 

А                Т                            Т                 А

 

Г                 Ц                            Ц                Г

 

В результате точечных мутаций имеет место миссенс-эффект, когда одна аминокислота вследствие замены нуклеотида замещается другой аминокислотой. Такая аминокислотная замена может быть приемлемой, частично приемлемой и неприемлемой в отношении функции данного белка. Если замена приходится на третий нуклеотид кодона, то вследствие вырожденности генетического кода аминокислотная последовательность остается неизменной либо замененная аминокислота находится в участке белка, не имеющем функционального значения и мутация никак не проявляется. Такая мутация называется молчащая или приемлемая, так как функция белка не изменяется. Например, в молекуле гемоглобина Хикари кодон ААА или ААГ изменен однонуклеотидной трансверсией на ААУ или ААЦ, что вызывает замену лизина в 61-м положении β-цепи на аспарагин. Подобная замена не сказывается на нормальной функции гемоглобина.

Частично приемлемые миссенс-мутации можно рассмотреть на примере серповидноклеточной анемии. Миссенс-мутация в 6-м кодоне β-цепи гемоглобина приводит к замене глутаминовой кислоты на валин (вместо кодонов ГАА или ГАГ образуются кодоны ГУА или ГУГ). Измененный гемоглобин связывает и высвобождает кислород, но после отдачи кислорода в тканях гемоглобин превращается в плохо растворимую форму и выкристаллизовывается в эритроцитах, вызывая их деформацию – образование серповидных форм.

Неприемлемые миссенс-мутации приводят к образованию полностью нефункционального белка. Например, замена первого нуклеотида кодона ЦАУ на УАУ или ЦАЦ на УАЦ в гене гемоглобина приводит к тому, что ион Fe²⁺, входящий в состав гемма, окисляется до Fe³⁺ и гемоглобин переходит в мет-форму. Метгемоглобин не способен переносить кислород.

Некоторые точечные мутации могут приводить к нонсенс-эффекту, в результате которого возникает стоп-кодон, что приводит к преждевременной терминации или к удлинению трансляции. Замена триплета в терминирующем кодоне УАА на ЦАА приводит к продолжению трансляции и синтезируется α-цепь гемоглобина, который в своем составе имеет дополнительную 31-ю аминокислоту.

Мутации сдвига рамки считывания. Вызываются делециями (исчезновение нуклеотидов) или вставками нуклеотидов (инсерция) в последовательность гена. Интеркаляторы встраиваются между соседними парами оснований, в результате в ДНК появляется лишнее основание. В ходе репликации такой измененной цепи ДНК в дочернюю цепь встраивается дополнительный нуклеотид. В результате однонуклеотидной делеции или вставки считываемая информация полностью искажается, и это приводит к синтезу измененного белка.

Если дилетированы три или кратное трем число нуклеотидов, то в молекуле белка будет отсутствовать определенное количество аминокислот, а вся остальная аминокислотная последовательность будет соответствовать исходной молекуле белка.

Наследственные изменения (мутации) в определенных генах могут увеличивать риск развития определенных заболеваний в десятки и сотни раз. Начальные стадии многих заболеваний протекают почти бессимптомно, поэтому для осуществления своевременной диагностики и профилактики необходимо провести генетические анализы, что важно для оценки уровня риска. Генетический анализ крови заключается в расшифровке генетической информации, которая хранится в ДНК и определяет множество биологических процессов организма. Анализ проводится один раз в жизни и остается актуальным всю жизнь.