10.1: Мутації - причини та значення

У живій клітині ДНК зазнає частих хімічних змін, особливо при її реплікації (в S-фазі еукаріотичного клітинного циклу). Більшість цих змін швидко ремонтуються. Ті, які не призводять до мутації. Таким чином, мутація - це збій репарації ДНК.

Однобазові заміни

Одна база, скажімо A, замінюється іншою. Одиночні базові заміни також називають точковими мутаціями. (Якщо один пурин [А або Г] або піримідин [С або Т] замінений іншим, заміщення називається переходом. Якщо пурин замінений піримідином або навпаки, заміщення називається трансверсією.)

Missense мутації

При мутації missense новий нуклеотид змінює кодон так, щоб виробляти змінену амінокислоту в білковому продукті.

Хвороба: Серповидно-клітинна анемія

Заміна А на Т у 17-го нуклеотиду гена для бета-ланцюга гемоглобіну змінює кодон GAG (для глутамінової кислоти) на GTG (який кодує валін). Таким чином, 6-а амінокислота в ланцюжку стає валін замість глутамінової кислоти.

Малюнок 10.1.1 Серповидно-клітинна мутація

дурниці мутації

З мутацією нісенітниці новий нуклеотид змінює кодон, який вказував амінокислоту на один з кодонів STOP (TAA, TAG або TGA). Тому переклад месенджерної РНК, транскрибованої з цього мутантного гена, передчасно припиниться. Чим раніше в гені, що це відбувається, тим більше урізаний білковий продукт і тим більша ймовірність того, що він не зможе функціонувати.

муковісцидоз

Ось вибірка мутацій, які були виявлені у пацієнтів з муковісцидозом. Кожна з цих мутацій відбувається у величезному гені, який кодує білок (з 1480 амінокислот), який називається c-ystic fibrosis t трансмембранної провідності або регулятора (CFTR). Білок відповідає за транспортування хлоридних і бікарбонатних іонів через плазматичну мембрану. Ген охоплює понад 188 000 пар основ на хромосомі 7, вбудованої в яку 27 екзонів кодують білок. Цифри в мутаційній колонці представляють кількість уражених нуклеотидів. Дефекти білка викликають різні симптоми захворювання. На відміну від серповидно-клітинної хвороби, то жодна мутація не відповідає за всі випадки муковісцидозу. Люди з муковісцидозом успадковують два мутантних гена, але мутації не повинні бути однаковими.

Малюнок 10.1.2 Мутація муковісцидозу

У одного пацієнта з муковісцидозом (Пацієнт В) заміна Т на С при нуклеотиді 1609 перетворила глютаміновий кодон (CAG) в стоп-кодон (TAG). Протеїн, вироблений цим пацієнтом, мав тільки перші 493 амінокислоти нормального ланцюга 1480 і не міг функціонувати.

Мовчазні мутації

Більшість амінокислот закодовані декількома різними кодонами. Наприклад, якщо третя база в TCT кодоні для серину змінена на будь-яку з трьох інших основ, серин все одно буде закодований. Кажуть, що такі мутації мовчать, оскільки вони не викликають змін у своєму продукті і не можуть бути виявлені без секвенування гена (або його мРНК).

Мутації на місці зрощування

Видалення інтронних послідовностей, оскільки попередньо мРНК обробляється з утворенням мРНК, має виконуватися з великою точністю. Нуклеотидні сигнали на місцях зрощування направляють ферментативну техніку. Якщо мутація змінює один з цих сигналів, то інтрон не видаляється і залишається частиною кінцевої молекули РНК. Переклад його послідовності змінює послідовність білкового продукту.

Вставки та вилучення (Indels)

Додаткові пари основи можуть бути додані (вставки) або видалені (видалення) з ДНК гена. Число може коливатися від одного до тисяч. У сукупності ці мутації називаються інделями.

Малюнок 10.1.3: Зсув кадру

Інделі, що включають одну або дві пари основи (або кратні двом), можуть мати руйнівні наслідки для гена, оскільки переклад гена «зрушений кадром». На цьому малюнку показано, як зміщуючи кадр зчитування на один нуклеотид вправо, та ж послідовність нуклеотидів кодує іншу послідовність амінокислот. МРНК перекладається новими групами з трьох нуклеотидів, і білок, зазначений цими новими кодонами, буде марним. Прокрутіть вгору, щоб побачити два інших приклади (Пацієнти C і D).

Frameshifts часто створюють нові STOP кодони і, таким чином, генерують нісенітниці мутації. Можливо, це так само добре, як білок, ймовірно, буде занадто спотворений в будь-якому випадку, щоб бути корисним для клітини.

Інделі трьох нуклеотидів або кратних трьом можуть бути менш серйозними, оскільки вони зберігають кадр зчитування (див. Наведений вище малюнок).

Однак ряд успадкованих людських порушень викликаний вставкою багатьох копій однієї і тієї ж трійки нуклеотидів. Хвороба Хантінгтона і синдром крихкого X є прикладами таких тринуклеотидних повторюваних захворювань.

Хвороба: Синдром крихкого X

Кілька порушень у людини викликані успадкуванням генів, які зазнали вставки низки з 3 або 4 нуклеотидів, повторюваних знову і знову. Локус на Х-хромосомі людини містить таке розтягнення нуклеотидів, в якому повторюється триплет КГГ (CGGCGCGCGG і ін.). Кількість CGG може бути всього 5 або цілих 50, не викликаючи шкідливого фенотипу (ці повторювані нуклеотиди знаходяться в некодуючої області гена). Навіть 100 повторів зазвичай не завдають шкоди. Однак ці довші повторення мають тенденцію рости довше від одного покоління до наступного (до цілих 4000 повторень).

Малюнок 10.1.4 Синдром крихкого X

Це викликає звуження в Х-хромосомі, що робить її досить крихкою. Самці, які успадковують таку хромосому (тільки від своїх матерів, звичайно), виявляють ряд шкідливих фенотипічних ефектів, включаючи розумову відсталість. Самки, які успадковують тендітний Х (також від своїх матерів; чоловіки з синдромом рідко стають батьками), страждають лише м'яко.

На наведеному вище зображенні показана закономірність успадкування синдрому крихкого X в одній родині. Кількість разів, коли тринуклеотид CGG повторюється, наведено під символами. Ген знаходиться на Х-хромосомі, тому жінки (кола) мають дві його копії; чоловіки (квадрати) мають тільки одну. Люди з геном, що містить 80-90 повторів, нормальні (світло-червоні), але цей ген нестабільний, і кількість повторів може збільшуватися до сотні у їх потомства. Самці, які успадковують такий збільшений ген, страждають синдромом (суцільні червоні квадрати). (Дані C.T. Caskey та ін.).

Захворювання поліглютаміну

При цих порушеннях повторним тринуклеотидом є CAG, який додає низку глутамінів (Gln) до закодованого білка. Вони були залучені до ряду розладів центральної нервової системи, включаючи

• Хвороба Хантінгтона (де білок, званий хантінгтином, несе додаткові глютаміни). Аномальний білок підвищує рівень білка p53 в клітині мозку, викликаючи їх загибель апоптозом.
• деякі випадки хвороби Паркінсона, де додаткові глютаміни знаходяться в білку атаксину-2.

м'язова дистрофія

Деякі форми м'язової дистрофії, які з'являються у дорослих, спричинені три-або тетрануклеотидом, наприклад (CTG) n та (CCTG) n, повторюється, де n може зіткнутися з тисячами. Величезні стенограми РНК, які призводять до заважають альтернативному зрощуванню інших стенограм в ядрі.

Бічний аміотрофічний склероз (БАС)

БАС - нейродегенеративний розлад, що призводить до деменції та м'язової слабкості. (БАС часто називають «хворобою Лу Геріга» після бейсболіста, який помер від неї.)

Найбільш поширеною мутацією при БАС є розширення числа повторів гексануклеотиду GGGGCC в гені на хромосомі 9 від нормальних двох, або, як мінімум, менше трьох десятків, до сотень, а то і декількох тисяч. Переклад як сенсу, так і антисенсових ниток, що містять ці повтори (і у всіх 3 кадрах читання; немає ATG початкового кодону) виробляє полімери з довгими струнами gly-ala, gly-pro, gly-arg (з сенсу нитка), а також pro-ala, інший pro-gly, і pro-arg з антисенсу нитка. Ці білки, особливо ті, що містять аргінін (arg), утворюють агрегати, які пошкоджують клітини мозку.

дублювання

Дублювання - це подвоєння ділянки генома. Під час мейозу перетин між сестринськими хроматидами, які знаходяться поза вирівнюванням, може виробляти один хроматид з дубльованим геном, а інший (не показаний) з двома генами з делеціями. У показаному тут випадку нерівний перетин створив другу копію гена, необхідного для синтезу стероїдного гормону альдостерону.

Малюнок 10.1.5 Дублювання генів

Однак цей новий ген несе невідповідні промотори на своєму 5-футовому кінці (придбаний з гена 11-бета-гідроксилази), які змушують його виражатися сильніше, ніж звичайний ген. Мутантний ген є домінуючим: всі члени однієї сім'ї (через чотири покоління), які успадкували хоча б одну хромосому, що несе це дублювання, страждали від високого кров'яного тиску і були схильні до ранньої смерті від інсульту.

Дублювання генів також було причетне до кількох неврологічних розладів людини.

Дублювання генів неодноразово відбувалося під час еволюції еукаріотів. Аналіз генома виявляє безліч генів зі схожими послідовностями в одному організмі. Імовірно, ці паралогічні гени виникли внаслідок повторного дублювання родового гена.

Таке дублювання генів може бути корисним.

• Згодом дублікати можуть набувати різні функції.
  • Білки, які вони кодують, можуть приймати різні функції; наприклад, якщо вихідний генний продукт виконував дві різні функції (див. «Плейотропія»), кожен дубльований ген тепер може спеціалізуватися на одній функції і робити кращу роботу над нею, ніж батьківський ген.
  • Але навіть якщо вони цього не роблять, зміни регуляторних послідовностей генів (промоторів та підсилювачів) можуть спричинити експресію одного і того ж білка в різний час, на різних рівнях та/або в різних тканині.
  Будь-яка ситуація може стати основою для адаптивної еволюції.
• Але навіть незважаючи на те, що два паралогічних гени все ще схожі за послідовністю і функцією, їх існування забезпечує надмірність («пояс і підтяжки»). Це може бути основною причиною того, чому вибивання генів у дріжджів, «нокаутуючих мишей» тощо так часто має такий м'який вплив на фенотип. Функцію вибитого гена може взяти на себе паралог.
• Після дублювання генів випадкової втрати - або інактивації - одного з цих генів пізніше в
  • одна група нащадків
  • відрізняється від втрати в іншій групі
  може забезпечити бар'єр («постзиготичний ізолюючий механізм») для двох груп схрещування. Такий бар'єр може спричинити видоутворення: еволюцію двох різних видів з одного родового виду.

Транслокації

Транслокації - це перенесення шматочка однієї хромосоми в неоднорідну хромосому. Транслокації часто взаємні; тобто два негомологи міняються сегментами.

Малюнок 10.1.6 Транслокації

Транслокації можуть змінювати фенотип кількома способами:

• розрив може статися всередині гена, що руйнує його функцію
• транслоковані гени можуть потрапляти під вплив різних промоторів і підсилювачів, так що їх експресія змінюється. Прикладом є транслокація t (8; 14) при лімфомі Беркітта (малюнок).
• точка зупинки може виникнути в гені, що створює гібридний ген. Це може бути транскрибовано і перекладено в білок з N-терміналом одного нормального клітинного білка, з'єднаного з С-терміналом іншого. Філадельфійська хромосома, виявлена так часто в лейкемічних клітині пацієнтів з хронічним мієлолейкозом (ХМЛ), є результатом транслокації, яка виробляє сполуковий ген (bcr-abl).

частота мутацій

Мутації - рідкісні події. Це дивно. Люди успадковують 3 х 10 ⁹ пар основ ДНК від кожного з батьків. Тільки враховуючи однобазові заміни, це означає, що кожна клітина має 6 мільярдів (6 х 10 ⁹) різних пар основ, які можуть бути метою заміщення. Однобазові заміни найбільш схильні відбуватися при копіюванні ДНК; для еукаріотів, що означає під час S фази клітинного циклу.

Жоден процес не є 100% точним. Навіть сама висококваліфікована друкарка внесе помилки при копіюванні рукопису. Так само і з реплікацією ДНК. Як сумлінна друкарка, клітина робить корекцію точності своєї копії. Але, незважаючи на це, помилки проскакують наскрізь. Було підраховано, що у людини та інших ссавців невиправлені помилки (= мутації) відбуваються зі швидкістю приблизно 1 на кожні 50 мільйонів (5 х 10 ⁷) нуклеотидів, доданих до ланцюга. (Непогано - я хотів би, щоб я міг так точно друкувати.) Але з 6 х 10 ⁹ пар основ у людській клітині, це означає, що кожна нова клітина містить близько 120 нових мутацій.

Чи варто хвилюватися? Докази не ясні. Лише 1,2% нашої ДНК кодує екзони нашого протеома, і довгий час вважалося, що більша частина решти - «сміттєва» ДНК. Мутації в ньому, швидше за все, були б нешкідливими. І навіть у регіонах кодування існування синонімічних кодонів може призвести до того, що змінений (мутований) ген все ще кодує ту саму амінокислоту в білку. Але зараз здається, що цілих 80% нашої ДНК, здається, беруть участь у регулюванні того, які гени виражені, і наскільки сильно, у кожному з безлічі диференційованих типів клітин нашого організму, оскільки кожен відповідає на сигнали (поживні речовини, гормони тощо), які він отримує. Тож мутації в цих регіонах цілком можуть мати шкідливі, якщо тонкі, наслідки.

Оскільки більше геномів хребетних секвенуються, виявляється, що деякі з цих ділянок ДНК, які не кодують білки, не менше, були чудово збережені під час еволюції хребетних. Деякі з цих регіонів накопичили ще менше мутацій, ніж гени, що кодують білок. Це говорить про те, що ці послідовності вкрай важливі для благополуччя організму. Однак інші області генома, здається, здатні підтримувати точкові мутації без виявленої шкоди.

Останні досягнення дозволили секвенувати кодування частин генома окремих клітин. Попередні результати свідчать про те, що кожна нормальна клітина у дорослої людини накопичила ~ 20 соматичних мутацій, і що її колекція мутацій відрізняється від клітини до клітини. Ракові клітини накопичують набагато більше мутацій (часто в сотні).

Як ми можемо виміряти частоту, з якою відбуваються мутації, що змінюють фенотипи? У людини це непросто.

• Спочатку треба бути впевненим, що мутація новоспечена. (Деякі популяції мають високі частоти певної мутації не тому, що ген особливо сприйнятливий, а тому, що він передавався через покоління від раннього «засновника».
• Рецесивні мутації (більшість з них) не будуть помічені, за винятком рідкісних випадків, коли обидва батьки вносять мутацію в одному місці для своєї дитини.
• Це залишає нас з оцінкою частот мутацій для генів, які успадковуються як
  • аутосомні домінанти
  • Х-зв'язані рецесиви; тобто рецесиви на Х-хромосомі, які будуть виражені у чоловіків, оскільки вони успадковують лише одну Х-хромосому.

Приклади

Частота виражається як частота мутацій, що відбуваються в цьому місці в гаметах.

• Аутосомні домінанти
  • Ретинобластома
    в гені RB: близько 8 на мільйон (8 х 10 ^-6)
  • Недосконалий остеогенез
    в одному чи іншому з двох генів, які кодують колаген I типу: близько 1 на 100 000 (10 ^-5)
  • Успадкована схильність до поліпів (а пізніше раку) в товстій кишці.
    в гені супресора пухлини (APC): ~10 ^-5
• Х-зчеплені рецесиви
  • Гемофілія А
    ~ 3 x 10 ^-5 (ген фактора VIII)
  • М'язова дистрофія Дюшенна (DMD)
    > 8 x 10 ^-5 (ген дистрофіну)
    Чому частота мутацій в гені дистрофіну повинна бути набагато більшою, ніж більшість інших? Ймовірно, справа в розмірі. Ген дистрофіну розтягується на 2,4 х 10 ⁶ пар основ ДНК. Це майже 0,1% всього геному людини! Такий величезний ген пропонує безліч можливостей для пошкодження.

Вимірювання швидкості мутації

Частота, з якою дана мутація спостерігається у популяції (наприклад, мутація, яка викликає муковісцидоз), забезпечує лише грубе наближення швидкості мутації - швидкості, з якою відбуваються свіжі мутації - через історичні фактори на роботі, такі як природний відбір (позитивний або негативний), ефект дрейфу та засновника. Крім того, більшість методів підрахунку мутацій вимагають, щоб мутація надавала видимий вплив на фенотип. Таким чином

• багато (але не всі) мутації в некодуючих ДНК
• мутації, які виробляють
  • синонімічні кодони (кодують ту ж амінокислоту)
  • або, іноді, нові кодони, які кодують хімічно подібну амінокислоту
• мутації, які порушують ген, функції якого надлишкові; тобто можуть компенсуватися іншими генами

не буде видно. Але зараз ці проблеми багато в чому вирішені. Історія розповідається в доповіді D.R. Denver, et al. у випуску «Природа» від 5 серпня 2004 року.

Елеганс C.

Порядок дій

• Їх організм = C. elegans
• його переваги
  • компактний геном
  • гермафродитний — він запліднює власні яйцеклітини і будь-яка нова зародкова мутація незабаром або втрачається, або з'явиться на обох гомологічних хромосомах.
  • швидкий час генерації (4 дні)
• Вони створили 198 різних експериментальних ліній черв'яків.
• Вони вирощували їх в оптимальних умовах, щоб мінімізувати будь-які наслідки природного відбору.
• У кожного нового покоління зберігалося лише одне потомство.
• Кожна лінія підтримувалася протягом декількох сотень поколінь.
• Після закінчення цього часу випадкові розтяжки ДНК
  • похідні з декількох місць на кожній з шести хромосом C. elegans і
  • загалом в середньому ~ 21 тис. пар основ для кожного рядка
  були послідовні з кожного з 198 рядків і послідовності порівняно з тими ж локусами в природних популяціях C. elegans.

Результати

Вивчення послідовностей ДНК від своїх експериментальних тварин (загалом понад 4 мільйони пар основ!) , і порівнюючи їх з елементами управління, виявилося загалом 30 мутацій.

• 17 з них були вставками або вилученнями («indels»)
  • 7 екзонів — всі, крім 2, виробляли зрушення кадрів та передчасний STOP кодон.
  • 10 в інтрони або між генами
• 13 з них були одиночними базовими замінами («точкові» мутації)
  • 3 в екзонів: один «мовчазний», що виробляє синонімічний кодон; два, які змінили закодовану амінокислоту.
  • 10 в інтрони або між генами

Обчислення швидкості мутації

З цих результатів я об'єднав їх дані, щоб обчислити приблизну швидкість, з якою спонтанні мутації відбуваються по всьому геному.

Швидкість мутації = # спостережуваних мутацій [30] ÷ (# експериментальних ліній [198]) x (середнє число поколінь [339]) x (середнє число послідовних пар основ [~21,000])

дає швидкість 2,1 х 10 ^-8 мутацій на базову пару на покоління.

Загальний геном C. elegans містить близько 10 ⁸ пар основ, тому це говорить нам про те, що дві нові зародкові мутації відбуваються десь у кожному з двох гаплоїдних геномів C. elegans у кожному поколінні.

Подібний аналіз для дрозофіли (геном якої приблизно такий же розмір, як у C. elegans) показав подібну швидкість мутації: ~ 10 ^-8 мутацій на базову пару на покоління. Що стосується зеленої рослини Arabidopsis thaliana, то його спонтанна швидкість мутації трохи нижче: ~ 7 х 10 ^-9 мутацій на базову пару на покоління.

У 30 квітня 2010 року випуску Science, Roach, J.C., et al., повідомили, що швидкість для людей знаходиться в тому ж діапазоні: ~ 1.1 x 10 ^-8 мутацій на пару основи в гаплоїдному геномі. З диплоїдним геном 6 х 10 ⁹ пар основ, що працює до 70 нових мутацій у кожної дитини. Ці числа вони отримали від порівняння повної послідовності геному двох дітей та їх батьків.

У 20 липня 2012 року випуску Cell, Wang, J., et al. повідомили про результати секвенування 8 окремих сперматозоїдів від 40-річного чоловіка. Вони виявили швидкість мутації від 2,0 х 10 ^-8 до 3,8 х 10 ^-8.

Чи варто турбуватися про такі спонтанні швидкості мутації? Напевно, не надто багато. З нашою високою часткою некодуючої ДНК багато мутацій відбуватимуться в регіонах, які не впливатимуть на наш фенотип. Докази: із загальної кількості 251 мутацій, виявлених у 8 сперматозоїдах, лише 3 були мутаціями missense, що змінювали генний продукт. Однак навіть у некодуванні ДНК точкові мутації можуть впливати на експресію генів, тому, можливо, цілих 10% точкових мутацій, які дитина успадковує, можуть мати шкідливі, якщо тонкі, ефекти.

Самці сприяють більше мутацій, ніж жінки

Якщо більшість мутацій відбувається під час S фази поділу клітин, то чоловіки повинні бути більш схильні до ризику. Це пов'язано з тим, що лише два десятки (24) або близько того мітотичних відділів відбуваються із заплідненої яйцеклітини, яка починає ембріональний розвиток маленької дівчинки та відкладання її майбутніх яєць (що робиться задовго до того, як вона навіть народиться). Крім того, сперматозоїди 30-річного чоловіка, навпаки, є нащадками щонайменше 400 мітотичних відділів з часу заплідненої яйцеклітини, яка його сформувала.

Так, батьки частіше за матерів передають новоутворені мутації своїм дітям. Сперма 25-річного чоловіка може нести близько 45 нових мутацій. Це число зростає зі швидкістю приблизно 1 на рік, тому сперма 40-річного чоловіка може передавати близько 60 нових мутацій своїм дітям (близько 20 з них у регіонах кодування). Незалежно від віку матері, вона передає лише близько 15 нових мутацій своєму потомству. (Але хромосомні аберації, такі як анеуплоїдія, більш схильні виникати в яйцях, ніж у спермі, і частота їх збільшується з віком матері.) Ці дані пояснюють, чому діти літніх батьків страждають більше генетичних порушень, ніж у молодих батьків.

Соматичні проти зародкових мутацій

На значення мутацій глибоко впливає відмінність між зародковою лінією та сомою. Мутації, що відбуваються в соматичній клітині, в кістковому мозку або печінці, наприклад, можуть

• пошкодити клітину
• зробити клітину раковою
• вбити клітку

Яким би не був ефект, кінцева доля цієї соматичної мутації полягає в тому, щоб зникнути, коли клітина, в якій вона сталася, або її власник, помирає.

Зародкові мутації, навпаки, будуть знайдені в кожній клітині, що походить від зиготи, до якої сприяла ця мутантна гамета. Якщо доросла особина успішно виробляється, кожна з її клітин буде містити мутацію. Серед них буде наступне покоління гамет, тому, якщо власник зможе стати батьком, ця мутація перейде ще одному поколінню.