Биология аннотация В




НазваниеБиология аннотация В
страница42/95
Дата17.11.2012
Размер7.97 Mb.
ТипДокументы
1   ...   38   39   40   41   42   43   44   45   ...   95

4.3.1.1. Свойства гена. Среда как генетическое понятие



Ген как функционально-генетическая единица наделен рядом свойств.
Во-первых, он отличается специфичностью действия. Это означает, что конкретный ген обусловливает (в свете представлений классической генетики) возможность присутствия в фенотипе клетки (организма) конкретного признака. Известно, однако, немало примеров плейотропии или плейотропного действия (эффекта) гена (см. также 8.2.9). Оно состоит в том, что один структурный ген контролирует образование в организме нескольких или, даже, многих признаков (рис. 4-2). Достаточно вероятно, что плейотропное действие генов связано с участием продуктов их экспрессии (полипептиды) в целом спектре процессов жизнедеятельности (рис. 4-3).

Рис. 4-2. Плейтропный эффект гена. Зависимость формирования нескольких признаков от функций продукта экспрессии гена. Нарушение реакции АВ, катализируемой белком-ферментом, в результате мутации гена ведет к формированию признаков D и Е.

Рис. 4-3. Плейотропный эффект замены одной аминокислоты в -глобине гемоглобина человека, проявляющийся клинически в виде серповидно-клеточной анемии.
Наблюдается тенденция расширить область использования исходно генетического понятия плейотропии в биологии. В основе названной тенденции лежат пришедшие, видимо, из химии представления о том, что практически любой химический (в мире жизни клеточно-биохимический, метаболический) процесс, кроме желательного (для живых форм, биологически целесообразного) результата, нередко дает побочные нежелательные эффекты, за которыми закрепилось название параметаболических. Примером неблагоприятного с биологической точки зрения параметаболического (согласно химической терминологии) эффекта (в биологии прижилось название альтернативный плейотропный эффект) может служить неизбежное образование активных форм кислорода (с их разрушительным действием на биополимеры и клеточные структуры) в связи с биологически бесспорно целесообразными процессами окислительного фосфорилирования в митохондриях. В параметаболических процессах, порождающих в биологических системах антагонистические (разнонаправленные, биологически целесообразные и, одновременно и неизбежно, биологически вредные) альтернативные плейотропные эффекты, видят, в частности, ведущее звено старения высших многоклеточных животных.
Наряду с плейотропией, при которой одна генотипическая причина дает несколько фенотипических эффектов, существует понятие генетической гетерогенности, когда разные генотипические причины приводят к одному фенотипическому эффекту. Так, заболевание наследственная полинейропатия Дежерина–Сотта, фенотипически характеризующееся врожденной демиелинизацией периферических нервов, возникает в случае мутаций в разных генах — PMP22 (хромосома 17), Po (хромосома 1), EGR2 (хромосома 10) и PRX (хромосома 19). Конечно, все названные гены имеют отношение к образованию и структурному оформлению миелина и оболочек периферических нервов.
В практике медико-генетического консультирования важное место принадлежит понятиям «генокопии» и «фенокопии». Феномен генокопирования проявляется в том, что сходный фенотипический результат может быть обусловлен изменениями в разных генах или различными мутациями одного гена (явление генетической гетерогенности, см. здесь же выше). Феномен фенокопирования состоит в том, что состояние признака, сходное с фенотипическими последствиями определенных мутаций, обусловлено не изменениями наследственных структур (генов), а зависит от условий среды (генотипической или 1-го порядка, 2-го и 3-го порядков, см. здесь же ниже), в которых происходит реализация генотипа в фенотип. Понятия “генокопирования“ и “фенокопирования” возникли в классической (домолекулярной) генетике, когда химическая природа вещества наследственности только предполагалась, причем предпочтение нередко отдавалось не нуклеиновым кислотам, а белкам, не могло быть речи о молекулярно-генетических методах в антропогенетике (ДНК-диагнстика – см. 5.2.2.3-в и 5.2.2.3-г),в частности, о ДНК-зондах, о секвенировании нуклеотидных последовательностей ДНК, о генетических маркерах и о многом другом, чем обогатилась в последние десятилетия современная (молекулярная) антропогенетика, а врач-генетик вынужден был идти от “признака” к наследственному задатку (гену). Кстати, в современной генетической литературе, наряду с понятием “обратная генетика” встречается также понятие “позиционное клонирование”, связанное с применением молекулярно-генетических методов с целью установить и локализовать (картировать) гены, ответственные за соответствующий фенотипический эффект (по-существу, речь идет о “генокопировании”) или же вскрыть изменения в нуклеотидных последовательностях ДНК одного и того же гена, дающих разные фенотипические эффекты. Так, согласно разным источникам называют 600, 800 или порядка 1500 точковых мутаций гена муковисцидоза, для которых фенотипические проявления могут существенно различаться.
Во-вторых, ген имеет корпускулярную природу и характеризуется дискретностью структуры и действия, то есть представляет собой в структурном и функционально-генетическом отношении отдельность. В силу дискретности генов возможны, с одной стороны, независимое наследование признаков, а с другой, — генные или точковые мутации, затрагивающие в своем фенотипическом выражении отдельно взятые признаки (но: см. явление плейотропии — здесь же выше). Корпускулярная природа и свойство дискретности генов составляют основу механизма независимого комбинирования признаков родителей в фенотипе потомства, то есть их независимое друг от друга наследование (см. рис. 4-2).
В-третьих, гены как функционально-генетические единицы характеризуются дозированностью действия. Если фенотипический признак имеет количественное выражение, то его количество обычно пропорционально числу доминантных аллелей гена (см. 4.3.1.2). Так, содержание витамина А в исходно триплоидных клетках эндосперма растений пропорционально количеству доминантных аллелей соответствующего гена и убывает в ряду генотипов ААА, ААа, Ааа и ааа. Тем не менее, эволюция создала механизм полигенного наследования количественных признаков с участием нескольких или даже многих неаллельных генов, характеризующихся аддивностью, то есть суммированием действия их доминантных аллелей (см. 4.3.3.1).
Для характеристики степени выраженности признака или вероятности его проявления в фенотипе организма при наличии в генотипе соответствующего гена в генетике используют понятия экспрессивности и пенетрантности. Экспрессивность — это степень выраженности рассматриваемого признака в процентах по отношению к его максимальной выраженности среди всех особей с данным генотипом (геномом). Пенетрантность — это доля особей в процентах, у которых рассматриваемый признак проявился хотя бы в незначительной степени по отношению ко всем особям с данным генотипом (геномом). Конечно, показатели пенетрантности и экспрессивности генов зависят от разрешающей способности, чувствительности и точности применяемых методов регистрации (детекции) признаков. Вместе с тем, на проявление гена в признак оказывают влияние факторы генотипической среды, внутренней среды организма и внешней или окружающей организм среды.
Сказанное обращает внимание на то, что в генетике нельзя использовать обобщенное понятие среды. Во-первых, речь может идти о генотипической среде (относительно гена — среда 1-го порядка), то есть о всей совокупности генов, представленных конкретными их аллелями (см. 4.3.1.2) в генотипе данной особи. Приведенное определение генотипической среды дает возможность остановиться на различиях между такими генетическими понятиями, как «генотип» и «геном». В современной генетике очевидна тенденция относить первое понятие к генетической конституции отдельно взятого организма или индивидуума, тогда как второе — к генетическому «багажу» вида. Во-вторых, это может быть внутренняя среда организма данной особи (относительно гена — среда 2-го порядка; если речь идет о развитии плода, резонно выделять среду и порядков, имея в виду внутреннюю среду развивающегося и материнского организмов, соответственно). В-третьих, это может быть окружающая среда жизни данной особи (относительно гена — среда 3-го порядка).

4.3.1.2. Аллельное состояние генов. Формы взаимодействия аллельных генов

Гены характеризуются свойством аллельного состояния. По-существу, аллели гена — это его альтернативные (по фенотипическому проявлению) формы. В классической генетике аллели так и определяли как альтернативные фенотипические состояния известного признака у жизнеспособных особей, имея в виду, что за признаком стоит наследственный задаток (ген). В настоящее время аллели — это варианты нуклеотидной последовательности участка молекулы ДНК, соответствующего, например, структурному (смысловому, кодирующему, транскрибируемому и транслируемому, экспрессируемому) гену. Количество альтернативных форм (аллелей) от гена к гену варьирует. Минимальное их число равно двум. У широко используемого в фундаментальной и экспериментальной генетике биологического объекта плодовой мухи (дрозофила) ген окраски глаз имеет порядка 1400 аллелей — множественный аллелизм. Ген, определяющий группу крови человека в системе АВО, имеет 3 аллеля (см. 4.1.1 и здесь же ниже), в системе резус (Rh) — 2.
Между аллельными вариантами гена существуют функционально-генетические отношения, определяемые как формы взаимодействия аллельных генов. Типичные или наиболее частые варианты отношений (форм взаимодействия) — доминирование (лат., dominus — господствующий), рецессивность (лат., recessus — отступающий), кодоминирование, неполное доминирование (промежуточное наследование), межаллельная комплементация, аллельное исключение. Известное генетическое понятие сверхдоминирования к формам взаимодействия аллельных генов непосредственного отношения не имеет.
Характер межаллельных отношений проявляется в фенотипах диплоидных (эукариотических) организмов, для которых известны состояния гомозиготности и гетерозиготности (по парам аутосом и паре половых хромосом гомогаметного пола, у человека — женский), гемизиготности (по паре половых хромосом гетерогаметного пола, у человека — мужской). У человека это идентифицируется путем анализа появления в ряду поколений потомков того или иного фенотипического варианта признака (метод родословных генетического анализа людей, см. 5.2.2.1).
Доминантные признаки воспроизводятся в каждом поколении, то еcть у гомозиготных, гетерозиготных и гемизиготных по соответствующему гену (локусу, сайту ДНК) организмов. Рецессивный вариант признака наблюдается в отсутствии доминантного аллеля (рецессивная гомозигота и гемизигота). Такой вариант обнаруживается не в каждом поколении, а в случае гемизиготности — как правило, только у особей гетерогаметного пола. При кодоминировании у гетерозигот оба аллеля в равной мере участвуют в определении варианта признака, тогда как при неполном доминировании наличие рецессивного аллеля у гетерозигот препятствует фенотипическому проявлению доминантного аллеля в полном объеме (дозовый эффект, сравни генотипы АА, Аа и аа). Кодоминирование аллелей у людей наблюдается в наследовании групп крови АВО. Группы крови О(I), A(II), B(III) и AB(IV) определяются геном I, имеющим три аллеля — IA, IB и IO. Аллель IO относительно аллелей IA и IB проявляет свойство рецессивности. Аллели IA и IB кодоминантны, чем и объясняется наличие группы крови IAIB или AB(IV). Неполное доминирование наблюдается у людей-гетерозигот по аллелю серповидноклеточности эритроцитов (мутация Hb226 ГлуВал), 60–65% гемоглобина которых имеет нормальную структуру, а 35–40% функционально дефектную, мутантную — в полипептиде  в 6-м положении аминокислота глутамин заменена на аминокислоту валин. Такие субъекты жизнеспособны и чувствуют себя комфортно за исключением ситуаций повышенной физической активности, в условиях высокогорья, при полетах на больших высотах или в холодное время года, когда в связи с развитием в организме состояния кислородной недостаточности (гипоксии) они ощущают боли в суставах, в области сердца и селезенки.
Свойства доминантности и рецессивности аллелей (признаков) носят относительный характер — «неустойчивая доминантность», что зависит от ряда факторов, природа и механизмы действия которых не всегда понятны. Такой признак, к примеру, как эпикант («третье веко») проявляет свойство рецессивности у представителей европеоидной (кавказской) расы, но ведет себя как доминантный у представителей монголоидной расы. Отсутствие волос на голове (облысение) проявляет свойства рецессивного признака у женщин и доминантного у мужчин. То, что у женщин один из побочных эффектов применения в терапевтических целях мужского полового гормона тестостерона заключается в потере волос, указывает на участие гормонов в фенотипическом проявлении этого гена. Факторы относительности свойства доминантности могут иметь как генетическую, так и негенетическую природу. Установленные факторы генетической природы — характер взаимодействия неаллельных генов и локализация аллеля в хромосоме — эффект положения (особенности генотипической среды, см. 4.3.1.1). С другой стороны, известно, что характер доминирования зависит от пола и возраста организма (особенности среды 2-го порядка, см. 4.3.1.1), а также от внешних условий (особенности среды 3-го порядка, см. 4.3.1.1).
При множественном аллелизме обычно один аллель серии является рецессивным относительно всех остальных, тогда как другие связаны отношениями «доминантность-рецессивность», «неполное доминирование» или «кодоминированиe». В серии аллелей гена окраски глаз дрозофилы абсолютно рецессивным является аллель white (белый), в системе групп крови АВО человека — I0. Аллель серии, наиболее распространенный в природе (обычно соответствует нормальному или естественному состоянию фенотипического признака), называется «аллелем дикого типа».
К сравнительно редким формам взаимодействия аллельных генов относятся межаллельная комплементация (взаимодополнение) и аллельное исключение. О межаллельной комплементации говорят тогда, когда у организма, гетерозиготного по двум мутантным аллелям конкретного гена, в фенотипе обнаруживается признак в нормальном, то есть наиболее часто встречаемом состоянии («дикий тип»). Допустим, что ген D контролирует образование клеткой белка с четвертичной структурой в виде комплекса из нескольких одинаковых полипептидов — мультигомобелковый комплекс. Один мутантный аллель определяет экспрессию измененного полипептида D ́, а второй аллель D´´ — тоже мутантный, но по другому участку гена, определяет экспрессию мутантного полипептида D΄΄, причем с другим изменением аминокислотной последовательности. Допускается, что при формировании четвертичной структуры с участием измененных, но по-разному, полипептидов и D́́΄ происходит компенсация изменений и, в итоге, формируется сложный мультигомобелковый комплекс с нормальной функцией.
Суть аллельного исключения поясняет пример генетической инактивации одной из хромосом Х у особей гомогаметного пола (у человека — женский, 46ХХ), функционально-генетический смысл которой заключается в компенсации дозы генов соответствующей группы сцепления (хромосомы Х) относительно гетерогаметного пола (у человека — мужской, 46ХУ). По хромосоме Х гомогаметный пол представлен особями-«мозаиками» — одна хромосома Х материнского, тогда как другая отцовского происхождения. Так как генетическая инактивация носит относительно хромосом Х материнского и отцовского происхождения случайный характер, при гетерозиготности организма в одних клетках активен аллель, полученный с хромосомой Х матери, тогда как в других активен аллель, полученный с хромосомой Х отца. Это приводит к фенотипическому мозаицизму (рис. 4-4).

Рис. 4-4. Мозаицизм женского организма (кариотип 46,ХХ) по наличию или отсутствию потовых желез в коже, обусловленный экспрессией нормального или мутантного аллеля гена хромосомы Х. Затемнены участки кожи, лишенные потовых желез, в клетках которых экспрессируется мутантный аллель.

4.3.1.3. Изменения нуклеотидных последовательностей ДНК. Генные мутации

Неустраненные и/или неисправленные (см. 2.4.5.3-a) изменения химической структуры генов (сайтов, нуклеотидных последовательностей ДНК), воспроизводимые в последующих циклах репликации и проявляющиеся у потомков в виде измененных вариантов признака, называют генными мутациями.
Такие изменения можно подразделить на три группы. Мутации первой группы заключаются в замене одного нуклеотида на другой. Напомним, что нуклеотиды, из которых состоят макромолекулы (цепи) ДНК, различаются по азотистому основанию, что дает право рассматривать главное событие генных мутаций первой группы как замену одного азотистого основания на другое. На их долю приходится порядка 20% спонтанно (самопроизвольно, без видимой причины) случающихся генных изменений.
Вторая группа мутаций обусловлена сдвигом «рамки считывания», что является следствием не кратного 3-м изменения числа пар нуклеотидов в пределах гена как в сторону уменьшения (делеция — потеря участка гена), так и увеличения (дупликация — удвоение участка гена). Причиной сдвига «рамки считывания» может стать встраивание (инсерция) в ген участка макромолекулы (цепи) ДНК, в частности, вирусной природы (мигрирующие, подвижные генетические элементы — МГЭ или транспозоны) или из другой хромосомы — транслокация (см. 1.4.6, 2.4.3.4-д, 2.4.3.4-е, 3.1.4).
Мутации третьей группы связаны с изменением порядка следования нуклеотидов в пределах гена (инверсия).
Названные варианты генных мутаций в функционально-генетическом отношении отвечают принципу «все или ничего», то есть мутация либо произошла и проявилась в фенотипе (возможно, через поколения), либо нет. Они случаются как в смысловых (экзоны), так и иных (интроны, области промоторов, энхансеров или сайленсеров, сервисные, регуляторные или конценсусные сайты, 5´ и 3´ транскрибируемые, но не транслируемые участки транскриптона) нуклеотидных последовательностях ДНК. При типах мутаций, описанных выше, фенотипические эффекты наблюдаются при изменении в макромолекуле (цепи) ДНК одного нуклеотида или в биспирали ДНК 1 п.н. Это позволяет в качестве элементарной единицы мутационного процесса (мутон) считать отдельно взятый нуклеотид или пару взаимокомплементарных нуклеотидов.
Относительно недавно стали выделять еще одну группу мутаций на основе общности молекулярного механизма, состоящего в прогрессивном росте числа (экспансия), в основном, тринуклеотидных тандемных повторов в регуляторной (не транслируемой) или смысловой (транслируемой) частях генов. В функционально-генетическом плане эти мутации относят к категории «динамических», поскольку фенотипический эффект они дают после того, как количество повторов достигнет и превысит определенный критический минимум. Состояние, при котором в гене есть нуклеотидные тандемные повторы, но число их меньше критического, рассматривают как «премутацию». Наличие последней делает (ген)аллель-носитель нестабильным, что способствует переходу «премутации» в полную мутацию.
Для рассматриваемой категории мутаций характерно явление антиципации, то есть утяжеления клинических проявлений и более раннего начала заболевания в ряду поколений в пределах одной родословной в связи с ростом числа повторов (нарушение принципа «все или ничего»). Наиболее известны тринуклеотидные повторы, хотя описаны и другие формы, например, двенадцатинуклеотидные и даже более. Предположительно к мутациям по типу экспансии тринуклеотидных повторов ведет нарушение функции фермента ДНК-полимеразы в последовательных мейотических и митотических циклах. Элементарной единицей (мутон) мутагенеза такого рода на генном уровне является триплет нуклеотидов или последовательность из 3 п.н. в биспирали ДНК, а не отдельный нуклеотид или 1 п.н. (генные мутации по типу замены нуклеотидов или сдвига «рамки считывания»).
Мутации по типу замены нуклеотидов происходят в силу разных причин. Одна из них заключается в том, что под влиянием определенных химических агентов или без видимой физико-химической причины изменяется азотистое основание нуклеотида, уже включенного в молекулу ДНК. Если такое искажение молекулярной структуры ДНК не устраняется механизмами молекулярной репарации (см. 2.4.5.3-а), то в ближайшем цикле репликации к измененному нуклеотиду присоединится нуклеотид, комплементарный именно ему, а не тому, который занимал соответствующее место в макромолекуле (цепи) ДНК до изменения. В итоге возникает новая пара нуклеотидов, что приводит к искажению биоинформации в рассматриваемом участке биспирали ДНК. Так, вследствие дезаминирования цитозина цитидиловый нуклеотид в паре Ц-Г превращается в уридиловый, комплементарным которому является адениловый нуклеотид. В силу отмеченного при ближайшей репликации образуется пара У-А (рис. 4-5, I), а при следующей — возникает биспираль с парой Т-А вместо пары Ц-Г. Замена пары Ц-Г на пару Т-А происходит также в том случае, если цитозин оказывается метилированным по 5-му углеродному атому. Дезаминируемый 5-метилцитозин превращается в тимин (рис. 4-5, II), который в ближайшем репликационном цикле дает пару с аденином. Известны примеры включения в строящуюся цепь ДНК нуклеотида с химически измененным азотистым основанием или его аналогом. Если ошибка не обнаруживается, то участие ошибочно включенного «неправильного» нуклеотида в последующих репликационных циклах приводит к замене в соответствующих участках двойной спирали ДНК нормальной пары нуклеотидов (пары нуклеотидов дикого типа) на другую (мутантную), что сопряжено с искажением биоинформации. Так, к адениловому нуклеотиду материнской цепи ДНК может присоединиться нуклеотид не с тимином, а с 5-бромурацилом (5-БУ). При репликации нуклеотид с 5-БУ обычно присоединяет не адениловый, а гуаниловый нуклеотид. В следующем репликационном цикле гуаниловый нуклеотид образует пару с цитидиловым. В итоге пара А-Т заменяется парой Г-Ц (рис. 4-6).

Рис. 4-5. Мутации по типу замены основания (дезаминирование азотистых оснований в молекуле ДНК): I — превращение цитозина в урацил вследствие дезаминирования, замена пары Ц-Г на пару Т-А; II — превращение метилцитозина в тимин, замена пары Ц-Г на пару Т-А.

Рис. 4-6. Мутация по типу замены основания (ошибочное включение химического аналога тимина 5-бромурацила при репликации ДНК).
Из приведенных примеров видно, что замены нуклеотидов в ДНК происходят до или в процессе репликации первоначально в одной полинуклеотидной цепи. Если эти изменения не исправляются, то в ходе последующих репликаций они становятся достоянием обеих полинуклеотидных цепей (макромолекул) биспирали ДНК. Из сказанного следует, что важным источником генных мутаций по типу замены нуклеотидов являются нарушения процессов репликации и репарации ДНК.
Следствием замены одного нуклеотида в макромолекуле (цепи) или 1 п.н. в биспирали ДНК (элементарная единица мутагенеза на генном уровне — мутон) является образование нового триплета в нуклеотидной последовательности, кодирующей последовательность аминокислот в полипептиде. В силу вырожденности генетического кода в 25% таких замен возникает триплет-синоним, что не дает изменений аминокислотной последовательности в соответствующем полипептиде. 2–3% замен ведут к образованию триплетов-терминаторов (стоп-кодонов), что фенотипически проявляется в трансляции на мутантных и(м)РНК укороченных полипептидов. Еще один вариант генных мутаций по типу замены нуклеотидов приводит к появлению триплетов, шифрующих другие аминокислоты, которые, однако, характеризуются сходными физико-химическими свойствами, являясь, например, также гидрофобными. Это, хотя и ведет к изменению аминокислотного состава полипептида, тем не менее, не вызывает резкого изменения его характеристик (см. 2.4.5.3-а). Таким образом, генные мутации с полномасштабным фенотипическим эффектом составляют не более 70–75% от всех изменений макромолекулярной структуры ДНК, связанных с нуклеотидными заменами. В качестве примера приведем изменение в гене  глобина аллеля А («дикий тип») гемоглобина человека на аллель серповидноклеточности эритроцитов S (мутантный). Фенотипические проявления мутации, ведущее положение среди которых занимает болезнь серповидно-клеточная анемия, многообразны (см. рис. 4-3). Суть мутации сводится к замене второго нуклеотида (Т) в триплетах, кодирующих стоящую в -полипептиде на 6-м месте глутаминовую кислоту (ЦТТ или ЦТЦ), на нуклеотид (А), превращающих их в триплеты, кодирующие аминокислоту валин (ЦАТ или ЦАЦ).
Генные мутации по типу сдвига «рамки считывания» составляют немалую часть спонтанных (самопроизвольных, случающихся без очевидной причины) мутаций. Их число возрастает при действии некоторых химических соединений, в частности, акридиновых. Выпадение нуклеотидных пар (делеция) на достаточно протяженных участках макромолекул (цепей) ДНК типично для мутаций под действием рентгеновских лучей. У плодовой мухи, например, имеется мутация по типу делеции, вызываемая рентгеновским облучением и фенотипически проявляющаяся в изменении окраски глаз, при которой ген, ответственный за цвет глаз, теряет порядка 100 п.н. Действуя на фаг Т4 химическим веществом профлавином, вызывают мутации, состоящие как в выпадении, так и во вставках нуклеотидных пар. При этом фенотипический эффект наблюдается, если в биспирали ДНК появляется или ею теряется всего 1 п.н. (элементарная единица мутационного процесса на генном уровне — мутон). Значительное количество вставок объясняется встраиванием в ДНК подвижных генетических элементов (транспозонов).
С определенной вероятностью вставки и выпадения п.н. происходят вследствие ошибок рекомбинации, например, при неравном кроссинговере (рис. 4-7). Если вследствие неравного кроссинговера в ген встраивается фрагмент псевдогена, говорят о генной конверсии. Такой вариант отражает суть большинства известных мутаций гена фермента 21-гидроксилазы, приводящих к развитию у человека адреногенитального синдрома (врожденная гиперплазия коры надпочечников).

Рис. 4-7. Мутация со сдвигом «рамки считывания» вследствие неравноценного обмена наследственным материалом при внутригенном кроссинговере. I — разрывы аллельных генов в разных участках и обмен фрагментами между ними; II — выпадение 3-й и 4-й пар нуклеотидов, приводящее к сдвигу «рамки считывания»; III — удвоение 3-й и 4-й пар нуклеотидов, сдвиг «рамки считывания».
К выпадению или вставкам пар нуклеотидов приводят достаточно частые мутации в сайтах сплайсинга — на границе интронов и экзонов. Эти мутации проявляются в нарушении акта вырезания интронов из пре-и(м)РНК транскрипта. В результате созревающая и(м)РНК лишается части или всего экзона. Еще один возможный вариант — сохранение в и(м)РНК интронной нуклеотидной последовательности.
Считывание информации с ДНК — непрерывный процесс, то есть ген транскрибируется одним блоком с началом в точке инициации и завершением в точке терминации (транскрибируемые, но не транслируемые 5´- и 3´-участки транскриптона в данном случае в расчет не принимаются, см. 2.4.5.5). Учитывая сказанное, а также свойство неперекрываемости генетического кода (см. 2.4.5.2), становится понятным, почему выпадения или вставки нуклеотидных пар, сдвигая «рамку считывания», ведут к изменению содержания генетической информации и, таким образом, представляют собой истинные мутации (рис. 4-8). Иногда следствием сдвига «рамки считывания» становится образование стоп-кодона, что приводит к синтезу укороченного полипетида. Если из биспирали ДНК теряются или в ней появляются дополнительно пары нуклеотидов, количество которых кратно трем, то сдвига «рамки считывания» не происходит (свойство триплетности генетического кода, см. 2.4.5.2). На уровне трансляции в таких случаях в образуемых полипептидах, соответственно, теряются или приобретаются дополнительные аминокислотные остатки.

Рис. 4-8. Результат изменения числа нуклеотидных пар в биспирали ДНК. Сдвиг «рамки считывания» вследствие вставки одного нуклеотида в кодогенную цепь нуклеиновой кислоты приводит к изменению аминокислотного состава соответствующего полипептида.
Мутации по типу изменения положения определенного числа пар нуклеотидов в макромолекуле (цепи) ДНК происходят вследствие поворота участка нуклеиновой кислоты на 180о (инверсия). Обычно этому предшествует образование соответствующим участком ДНК петли, в пределах которой репликация происходит в направлении, обратном «правильному». На уровне трансляции это проявляется в частичном изменении порядка следования аминокислотных остатков в полипептиде, что меняет его функциональные свойства.
Мутации по типу экспансии нуклеотидных повторов, также как и другие варианты генных мутаций, случаются как в транскрибируемых и транслируемых (экзоны), так и в транскрибируемых но ненетранслируемых (интроны) частях генов, что накладывает свой отпечаток на фенотипические проявления. Так, экспансия тринуклеотида (триплета) ЦАГ, кодирующего аминокислоту глутамин, в транслируемой части генов до 40–80 повторов, не нарушая процессов транскрипции и трансляции, приводит к появлению в молекуле полипептида «трека» из соответствующего количества глутаминовых аминокислотных остатков. Такой увеличенный в размерах белок функционально дефектен. Мутации описанного типа лежат в основе развития наследственных нейродегенеративных патологий, в частности, хореи Гентингтона («пляска святого Витта» — одним из ведущих клинических фенотипических проявлений является гиперкинез).
Если мутация локализуется в нетранслируемой части гена, то количество, например, ЦГГ-повторов, соответствующее пороговому значению, исчисляется сотнями и тысячами. Клинико-фенотипические проявления мутаций такого типа разнообразны: синдром Мартина–Белла (ломкая хромосома Х) с классической триадой признаков — олигофрения, дисморфия (нарушения процессов морфогенеза в онтогенезе), макроорхидизм.
Свои особенности имеют мутации в ДНК митохондрий (мтДНК или хромосома М), что в немалой степени объясняется отличиями в структуре как отдельных генов, так и всего генома названных органелл. Так, митохондриальные гены лишены интронов, а большинство транскрибируемых и(м)РНК лишены 5´ и 3´ нетранслируемых участков (см. 2.4.5.5). В сравнении с ядерным геномом митохондриальный геном характеризуется большей плотностью расположения генов в связи с меньшим содержанием межгенной ДНК. Специфика отличает репликацию мтДНК, которая происходит в два этапа. Триплет АУА в митохондриальных и(м)РНК, в отличие от образуемых на ядерных генах, кодирует не изолейцин, а метионин, триплет УГА не выполняет функции стоп-кодона, шифруя аминокислоту триптофан, триплеты АГА и АГГ являются стоп-кодонами.
Митохондриальный геном содержит 22 гена для «собственных» тРНК, 2 — для «собственных» рРНК и 13 — для полипептидов, входящих в 5 надмолекулярных комплексов дыхательных цепей органеллы. Предположительно 1100–1150 генов, участвующих в биоинформационном обеспечении структуры и функций митохондрий, находятся в ядерном геноме. Соотносительный вклад генов ядерной и митохондриальной локализации в биоинформационное обеспечение функционирования дыхательных комплексов митохондрий иллюстрирует табл. 4-1. Таких комплексов, представляющих собой мультигетеробелковые образования, пять (I–V). Каждый из них представлен совокупностью белковых субъединиц (полипептидов, простых белков или протеинов). Одна часть субъединиц образуется непосредственно в органеллах под контролем митохондриальных генов (мтДНК), тогда как другая — в цитоплазме клетки под контролем ядерных генов (яДНК). Названные комплексы решают различные специфические задачи в рамках процесса окислительного фосфорилирования (дыхательный обмен, аэробный синтез АТФ, см. 2.4.6.1).

Таблица 4-1. Биоинформационное обеспечение функционирования митохондриальной дыхательной цепи. Взаимодействие ядерного и митохондриального геномов

Дыхательный комплекс

I

II

III

IV

V

Общее число субъединиц

42

4

11

13

14

Субъединицы, кодируемые ядерными генами (яДНК)

35

4

10

10

12

Субъединицы, кодируемые митохондриальными генами (мтДНК)

7

0

1

3

2
Все митохондрии эукариотической клетки наследуются по материнской линии, то есть через цитоплазму яйцеклетки. За редким исключением (зрелые эритроциты млекопитающих и человека) каждая клетка содержит десятки и сотни копий мтДНК.
С учетом сказанного, митохондриальные болезни, в патогенезе которых ведущая роль принадлежит мутационным изменениям, принято делить на 3 группы. Это фенотипические патологические проявления, обусловливаемые, во-первых, мутациями ядерных генов, во-вторых, изменениями непосредственно в мтДНК и, в-третьих, нарушением так называемых межгеномных сигнальных эффектов. В первом случае развиваются митохондриальные болезни с аутосомно-доминантным или аутосомно-рецессивным типом наследования (классическое моногенное менделевское наследование). Характерным проявлением поражений соответствующих сайтов ДНК как ядерной, так и митохондриальной локализации (делеции, точковые генные мутации, делеции в сочетании с дупликациями, транслокациями и т.п.) является пониженный уровень энергоснабжения тканей и органов. Нарушения межгеномных сигнальных эффектов связаны с мутациями ядерных генов-регуляторов. Фенотипически они могут проявляться в изменении (снижении) количества копий митохондриальной ДНК — деплеция (истощение) митохондриального генетического аппарата — и приводить к тканеспецифическим делециям или дупликациям мтДНК. Типичным представляется присутствие в клетке одновременно митохондрий с мутировавшей мтДНК и «генетически здоровых» органелл со случайным от клетки к клетке количественным соотношением, что определяет вариабильность клинической картины. Вклад в фенотипическую изменчивость, особенно в этих случаях, вносит различная чувствительность клеток разных тканей и структур организма к кислородной недостаточности.
Относительно высокая «поражаемость» мтДНК объясняется тем, что в процессе наработки энергии в органелле (то есть в непосредственном окружении ДНК органеллы) закономерно образуются АФК (см. 2.4.8), а также тем, что митохондрии отличаются более низкой, в сравнении с клеточными ядрами, эффективностью механизмов репарации макромолекул (цепей) ДНК в случае их повреждения.
Представления о мутационном процессе (мутагенез), которые были сформулированы, в основном, классической (домолекулярной) генетикой, уточняются, дополняются и переосмысливаются в свете научных данных современной (прежде всего, молекулярной) генетики, геномики, протеомики и метаболомики, цитомики и клеточной биологии (см. 1.1). Действительно, изменения нуклеотидных последовательностей ДНК происходят не только в биоинформационных участках (экзоны) смысловых (структурных) транскрибируемых и транслируемых генов, но в области интронов, промоторов и энхансеров, в сайтах, кодирующих транскрипционные и ростовые факторы, цитокины и рецепторы к ним, в участках, представленных в геномах избыточной ДНК и нуклеотидными повторами разного формата, имеющими различную макромолекулярную организацию (см. 2.4.3.4-в, 2.4.3.4-д, 2.4.5.5). В связи с появлением нового семейства «динамических» мутаций приходится вносить уточнения в представления об элементарной единице мутагенеза (мутон) на генном уровне структурно-функциональной организации генетического аппарата эукариот (см. здесь же выше).
В соответствии с представлениями классической генетики частота генных (точковых) спонтанных (самопроизвольных, случающихся без видимой причины — см. 4.3.1.4) мутаций у всех живых форм составляет в среднем 10–5–10–7 изменений на один локус нуклеиновой кислоты (в другой редакции на одну гамету) за поколение. Приводимые значения носят ориентировочный характер. Известно, например, что в геномах живых форм, включая человека, имеются локусы (сайты, нуклеотидные последовательности ДНК), различающиеся по интенсивности спонтанного мутагенеза на 1–3 порядка. В связи с этим предлагается считать, что у людей частота спонтанно возникающих генных мутаций выражается цифрой 10–11 для наиболее устойчивых участков генома, тогда как для высокомутабильных сайтовгорячие» точки мутагенеза) - 10–4
изменений на локус (гамету) за поколение.

4.3.1.4. Функционально-генетическая классификация генных мутаций

Генные мутации классифицируют по ряду оснований.
Большинство изменений макромолекулярной структуры генов фенотипически неблагоприятно (классификация по влиянию на жизнеспособность и/или плодовитость особей) — вредные генные мутации. Среди них выделяют летальные и полулетальные мутации. Первые несовместимы с жизнью в принципе, вторые ограничивают жизнеспособность организма настолько, что он, как правило, не способен достичь возраста половой (репродуктивной, биологической) зрелости, принять участие в размножении и, таким образом, передать свои гены (аллели) организмам следующего поколения.
Закономерен вопрос, почему вновь возникающие мутации обычно вредны. Здесь не следует забывать, что структурно-функциональная организация геномов клеток и организмов носит системный характер. С одной стороны, мутационные изменения закономерны, то есть они происходят у всех живых форм без исключения регулярно с частотой в среднем 10–5–10–7 мутаций на один локус (гамету) за поколение. С другой, — мутационные изменения случайны в том смысле, что практически невозможно предсказать, когда, какой ген и с какими биоинформационными (фенотипическими) последствиями мутирует. Важно, однако, то, что мутируют гены, встроенные в систему функционально взаимодействующих и взаимовлияющих генов (нуклеотидных последовательностей, сайтов ДНК). В таких условиях каждая мутация, чтобы не нести в себе неблагоприятные фенотипические последствия, должна с момента своего возникновения удовлетворять «правилам», по которым существует система генома (см. 4.3.1.1, генотипическая или среда 1-го порядка).
Редко случаются изменения генов с благоприятными фенотипическими последствиями — полезные генные мутации. Известны нейтральные генные мутации, не сказывающиеся на жизнеспособности и репродуктивном потенциале.
Большинство вновь возникающих мутаций (классификация по проявлению в гетерозиготном состоянии) дает рецессивный аллель, который, будучи по своим фенотипическим последствиям обычно вредным, у диплоидных эукариот на некоторое время укрыт от действия естественного отбора в гетерозиготах. Предположительно именно это сыграло ведущую роль в формировании резерва наследственной изменчивости. Реже аллели, образующиеся вследствие мутации, проявляют свойства доминантности или кодоминирования (см. 4.3.1.2).
Генетики начала-середины ХХ в. выделяли спонтанные (самопроизвольные, случающиеся без видимой причины) и индуцированные (вызываемые факторами известной природы — химические соединения, ионизирующее излучение, биологические агенты, в частности, вирусы) мутации — классификация по происхождению. На настоящий момент актуальность приведенной классификации, с одной стороны, несколько снизилась в связи с тем, что многое стало известно о природе факторов спонтанного мутагенеза — активные формы кислорода, ионизирующее излучение космического происхождения, внутриклеточные тепловые колебания. С другой стороны, в связи с появлением значительного количества производимых промышленностью мутагенов, в число которых входят удобрения, инсектициды и пестициды, лекарства, средства борьбы с бытовыми насекомыми, косметические средства и другие химические вещества, а также все более широко используемые в быту приборы и устройства, эксплуатация которых связана с электромагнитными и другого рода излучениями, осознается необходимость мониторинга присутствия и концентрации в среде жизни людей факторов, индуцирующих мутагенез.
Различают также мутации прямые (классификация по направлению), которые переводят аллель «дикого типа» в мутантный аллель, и обратные (реверсии), возвращающие мутантный аллель в алелль «дикого типа», биохимические, морфологические, физиологические, поведенческие и др. (классификация по фенотипическому проявлению), цитоплазматические (митохондриальные, в клетках растений — также пластидные) и ядерные (классификация по локализации в клетке изменяемого генетического материала).
Принципиально деление мутаций на генеративные, случающиеся в половых клетках, и соматические, затрагивающие генетический аппарат соматических клеток (классификация по месту возникновения и характеру наследования). Мутации различного ранга (генные, хромосомные, геномные), возникающие в соматических клетках, наследуются исключительно потомками этих клеток, что делает организм генотипическим мозаиком, то есть особью со смешанными клеточными популяциями, которые содержат как генетически нормальные, так и мутировавшие клетки.
Хотя классическая генетика, учитывавшая интересы биологов-эволюционистов, а также в связи с задачами медико-генетического консультирования, в большей мере ориентировалась на генеративные мутации, в настоящее время именно соматические мутации представляют приоритетный интерес, например, для онкологии (см. 3.1.4).
Специалисты в области палеогеномики ввели понятие “посмертных мутаций”. Дело в том, что в ДНК предковых форм, например, человека по прошествии времени с момента смерти гуанин (Г) может превратиться в аденин (А), а цитозин (Ц) в урацил (У), что искажает результаты секвенирования ДНК предковых форм, делая затруднительным прямое сравнение, в частности, геномов современных форм и их эволюционных предков. Относительно “посмертных мутаций” полезно знать, что превращение гуанина в аденин возможно, но аденина в гуанин – нет.

4.3.1.5. Биологическое значение генного уровня организации генетического аппарата

Свойство дискретности генетического материала подразумевает делимость этого материала на отдельности (корпускулярный характер) — гены, которые служат элементарными функционально-генетическими единицами, то есть обеспечивают возможность наследования и изменений признаков организма порознь, их независимое комбинирование в фенотипах особей.
Благодаря наличию генного уровня стал возможен научно-экспериментальный анализ закономерностей наследования и изменения отдельных признаков и их ассоциаций, была вскрыта химическая природа и описаны макромолекулярные и надмолекулярные свойства непосредственного носителя генетических функций — ДНК, установлен ряд законов (правил) наследственности и изменчивости, сформулированы представления о гено(аллело)фондах популяций организмов, понято значение их изменений для процесса исторического развития (эволюция), в частности, видообразования.
1   ...   38   39   40   41   42   43   44   45   ...   95

Похожие:

Биология аннотация В iconКалендарно-тематическое планирование уроков: биология Класс: 7 Учитель: Дмитриенко Константин Евгеньевич
Программно-методические материалы: «Программы для общеобразовательных школ, гимназий, лицеев: Биология (Природоведение 5 класс. Биология...
Биология аннотация В iconАннотация рабочей программы по дисциплине «Ботаника с основами фитоценологии (Анатомия и морфология растений)» по направлению подготовки 020400 «Биология»
Дисциплина «Ботаника с основами фитоценологии (Анатомия и морфология растений)» является частью базового цикла дисциплин подготовки...
Биология аннотация В iconЛитература Билич Г. Л. Биология. Полный курс. 2002. Биология
Биология. Руководство к практическим занятиям. Под ред. В. В. Маркиной, геотар-медиа, 2010
Биология аннотация В iconБиология фчз А618157 Биология с основами
Биология с основами экологии : учебник / ред. А. С. Лукаткин. М. Академия, 2008. 397 с
Биология аннотация В iconБюллетень новых поступлений 2010 г
Методические рекомендации по использованию инновационного учебно-методического комплекта «Навигатор». «Биология. Живой организм....
Биология аннотация В iconЛитература: «Биология. Общая биология. Базовый уровень. 10-11 класс»
«Биология. Общая биология. Базовый уровень. 10-11 класс» В. И. Сивоглазов И. Б. Агафонова, Е. Т. Захарова. Москва «Дрофа»2007
Биология аннотация В iconАннотация курса «Topics in Public Administration»
Аннотация курса «Стратегический менеджмент: управление развитием территориальных образований»
Биология аннотация В iconАннотация рабочей программы дисциплины биология тканевых систем цель дисциплины
Цель дисциплины: формирование представлений о теоретических основах биологии тканевых систем, применение полученных знаний и навыков...
Биология аннотация В iconАннотация магистерской программы
Аннотация: программа ориентирована на удовлетворение потребностей российских и зарубежных научно-педагогических учреждений, занимающихся...
Биология аннотация В iconМетодические указания к самостоятельной работе студентов По дисциплине: Молекулярная биология для специальностей 020201. 65 «Биология»
Методические указания предназначены для студентов биологического факультета очной формы обучения для изучения дисциплины «Молекулярная...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница