Передача генетичної інформації. Мутації

Існування біологічних видів, а отже, і феномена життя цілком залежить від точності передачі генетичної інформації як по вертикалі − від організмів-батьків нащадкам, так і по горизонталі − від однієї соматичної клітини до іншої в процесі онтогенетичного розвитку багатоклітинних організмів. У попередньому розділі було розглянуто основні механізми функціонування головної генетичної системи, що забезпечує відтворення генетичної інформації шляхом подвоєння молекул ДНК, − системи реплікації, точність функціонування якої вражає уяву. Для правильної передачі генетичної інформації дуже важливі й молекулярні механізми, що забезпечують розбіжність хромосом, що подвоїлися, між дочірніми клітинами в про- і еукаріот, в останньому випадку за мітози й мейози. Однак, жодна з існуючих генетичних систем не працює безпомилково. Тому не менш важливу роль у життєдіяльності організму відіграє його система репарації (виправлення) помилок, що випадково виникають за реплікації ДНК і після її завершення.

Проблема точності передачі генетичної інформації в ряді поколінь клітин і організмів має й іншій бік. Надмірне консервування генетичної інформації, що є в окремих генетичних локусах, може бути шкідливою для організму й виду в цілому. Зокрема, одним із механізмів, що лежать в основі виникнення різноманітності антитіл, є запрограмовані зміни генів імуноглобулінів, які закріплюються в геномі лімфоцитів у результаті їхнього відбору в онтогенезі. Іншим добре відомим прикладом такого роду є генетична мінливість вірусу грипу. Нарешті, абсолютний консерватизм у передачі генетичної інформації з вертикалі зробив би неможливим філогенетичний розвиток організмів, їхні еволюційні перетворення, що забезпечили, в остаточному підсумку, ту різноманітність біологічних видів, що сьогодні спостерігаються в природі. Еволюційно сформовані відносини між точністю функціонування вищезгаданих генетичних систем і частотою помилок, що виникають за відтворення генетичної інформації окремих генетичних локусів, чітко збалансовані між собою, і вже встановлено, що в ряді випадків є регульованими. Зміни генома, що запрограмовані або випадково успадковуються, названі мутаціями, можуть супроводжуватися колосальними кількісними і якісними змінами в експресії генів.

Мутації − це успадковані зміни структури генома. Оскільки основу будь-якого генома складають нуклеїнові кислоти − ДНК або РНК, то під дією мутацій відбувається, насамперед, зміна структури геномних нуклеїнових кислот. Процес виникнення мутацій, заснований на різних механізмах, називають мутагенезом. Залежно від факторів, що викликають мутації, останні прийнято поділяти на спонтанні йіндуковані. Вважається, що спонтанні мутації виникають мимовільно протягом усього життя організму в нормальних для нього умовах навколишнього середовища. При цьому широке розповсюдження дістала думка про те, що спонтанні мутації в еукаріотичних клітинах виникають із частотою 10^-9...10^-12 на нуклеотид за клітинну генерацію. Тепер, однак, стає ясно, що такі цифри не відображають реальності. Вони не враховують того факту, що частоти спонтанних мутацій можуть істотно (на кілька порядків) змінюватися від локуса до локуса й, швидше за все, вказують на нижню межу частоти мутацій в окремих найбільш стабільних ділянках генома.

Індукованими мутаціями називають спадкові зміни генома, що виникають у результаті тих чи інших мутагенних впливів у штучних(експериментальних) умовах або за несприятливих впливів навколишнього середовища. Серед найважливіших мутагенних факторів насамперед слід назвати хімічні мутагени − органічні й неорганічні речовини, що викликають мутації, а також іонізуюче випромінювання. За детального розгляду спонтанних та індукованих мутацій стає зрозумілим, що між цими двома типами немає істотних різниць. Дійсно, більшість спонтанних мутацій виникає в результаті мутагенного впливу, що їх індукує, але не реєструється експериментатором. Більш достовірною можна вважати класифікацію мутацій, у якій ураховуються молекулярні процеси, що лежать в основі їхнього виникнення.

У класифікації, заснованій на розмірах сегментів генома, що піддаються перетворенням, мутації поділяють на геномні, хромосомні йгенні (рис. 7). За геномних мутацій в організмі-мутанті відбувається раптова зміна числа хромосом, кратна цілому геному. Якщо через 2п позначити число хромосом у вихідному диплоїдному геномі, то в результаті геномної мутації, названої поліплоїдізацісю, відбувається утворення поліплоїдних організмів, геном яких представлений 4n, 6nі т.д. хромосомами. Залежно від походження хромосом у поліплоїдах розрізняють алополіплоїдію, у результаті якої відбувається об'єднання за гібридизації цілих неспоріднених геномів, і аутополіплоїдію, для якої характерно адекватне збільшення числа хромосом власного генома, що кратне 2n. За геномних мутацій відбуваються також зміна числа окремих хромосом у геномі (анеуплоїдія), наприклад, трисомія (2n + 1), моносомія (2n - 1). Зменшення числа хромосом у каріотипі вдвічі має назву − гаплоїдія. В цьому разі соматичні клітини гаплоїдного організму містять одинарний (гаплоїдний) набір хромосом (n).

Великі перебудови структури окремих хромосом дістали назву хромосомних аберацій. Розрізняють міжхромосомні аберації. До міжхромосомних перебудов належать транслокації − обмін ділянками між різними хромосомами. До внутрішньохромосомних перебудов відносяться: делеції − випадання ділянки хромосоми в середній її частині (у разі випадання кінцевої ділянки виникає кінцева делеція -дефішенсі); дуплікації − подвоєння певної ділянки хромосоми, інколи багаторазове поєднання − мультиплікація (або ампліфікація) ділянки; інверсія − виникнення в результаті розриву хромосоми одночасно в двох місцях із поворотом створеної ділянки на 180°; фрагментація −відбувається внаслідок розриву хромосом у декількох місцях одночасно із утворенням окремих фрагментів хромосом з наступною втратою тих, що не містять центроміри.

Рис. 7. Види мутації

Транспозиція − зміна локалізації невеликих ділянок генетичного матеріалу та інсерція (вставка) − внесення додаткових фрагментів хромосоми − можуть відбуватися як за міжхромосомними так і внутрішньохромосомними перебудовами.

На генному рівні зміни первинної структури ДНК генів під дією мутацій менш значні, ніж за хромосомних мутацій, однак генні мутації трапляються частіше. Внаслідок генних мутацій відбуваються заміни, делеції й вставки одного або декількох нуклеотидів, місенс-мутації, сіменс-мутації й нонсенс-мутації різних частин гена. У разі, коли під дією мутації змінюється лише один нуклеотид, говорять про точкові мутації. Оскільки до складу ДНК входять азотисті основи тільки двох типів − пурини й піримідини, всі точкові мутації із заміною основ поділяють на два класи: транзиції (заміна пурину на пурин або піримідину на піримідин) і трансверсії (заміна пурину на піримідин або навпаки). Завдяки виродженості генетичного коду є три генетичних наслідки точкових мутацій: збереження смислу кодона (синонімічна заміна нуклеотиду), зміна смислу кодона, що приводить до заміни амінокислоти у відповідному місці поліпептидного ланцюга (місенс-мутації) або утворення безглуздого кодона з передчасною термінацією (нонсенс-мутація). У генетичному коді є три безглуздих кодони: амбер − UAG, охр− UAA і опал − UGA. Відповідно до цього отримують назву й мутації, що приводять до утворення безглуздих триплетів (наприклад амбер-мутація).

За впливом на експресію генів мутації розподіляють на дві категорії: мутації типу замін пар основ і типу зсуву рамки зчитування (frameshift). Останні являють собою делеції або вставки нуклеотидів, число яких не кратне трьом, що пов'язане із триплетністю генетичного коду. Первинну мутацію іноді називають прямою мутацією, а мутацію, що відновлює вихідну структуру гена, − зворотною мутацією, або реверсією. Повернення до вихідного фенотипу мутантного організму внаслідок відновлення функції мутантного гена нерідко відбувається не за рахунок дійсної реверсії, а внаслідок мутації в іншій частині того ж гена або навіть іншого неалельного гена. У цьому разі зворотну мутацію називають супресорною. Генетичні механізми, завдяки яким відбувається супресія мутантного фенотипу, досить різноманітні.

Дата добавления: 2017-02-01