MODERN GENETICS

Francisco J. Ayala John A. Kiger, Jr.

University of California, Davis SECOND EDITION

The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc. Menlo Park, California Reading, Massachusetts London Amsterdam Don Mills, Ontario Sydney

Ф, АЙАЛА, Дж. КАЙГЕР

Современная генетика

В трех томах Том 3

Перевод с английского

МОСКВА «МИР» 1988

д-ра физ.-мат. наук А. Д. Базыкина

20

Мутации генов

Самые крупные из существующих ныне животных - это синие киты. Длина их достигает 30 м, а вес-13 т. Гигантские секвойи Калифорнии еще больше. Вес некоторых из них - 1,5 тыс. тонн, т.е. примерно в сто миллионов триллионов раз (1020) больше веса средней бактерии. Продолжительность жизни бактерии-30 минут. Возраст гигантских секвой и остистых сосен может исчисляться тысячелетиями. Необычайно разнообразны формы живых существ, условия их существования, а также способы добывания энергии.

Разнообразие, безусловно, представляет собой наиболее характерную особенность живого мира. Источником этого разнообразия служит эволюционный процесс. Отдаленными предками человека, жившими в кембрийский геологический период, около 600 млн. лет тому назад, были червеобразные существа, обитавшие в океанах. От них произошли и морские ежи, и форель, и крокодилы, и орлы, и коровы. Все клеточные организмы произошли от прокариотических существ, живших более трех миллиардов лет тому назад.

В основе морфологических и функциональных изменений лежат изменения генетические: биологическая эволюция происходит постольку, поскольку наследственное вещество, ДНК, может изменяться от поколения к поколению. Наследственная передача признаков от родителей потомству-процесс консервативный, но эта консервативность не является абсолютной. Иногда происходят ошибки, в результате чего количество ДНК или последовательность оснований в ДНК дочерних клеток становятся иными. Эти изменения наследственного материала называют мутациями. В настоящей главе мы обсудим генные мутации, затрагивающие один или несколько нуклеотидов внутри отдельных генов.

Хромосомные мутации, которые одновременно затрагивают множество нуклеотидов или структуру хромосомы в целом, мы обсудим в следующей главе.

Молекулярные основы генных мутаций

Как обсуждалось в гл. 13, наследственная информация, заключенная в нуклеотидной последовательности ДНК, сохраняется неизменной благодаря действию сложных метаболических механизмов, обеспечивающих осуществление репликации и репарации. Мутации могут быть результатом ошибки на любом из многочисленных последовательных этапов этих процессов. Мутагенные факторы способны изменять как непосредственно структуру ДНК, так и структуру ферментов, прямо или косвенно участвующих в соответствующих метаболических процессах. Для понимания механизмов мутаций требуется знание нуклеотидной последовательности гена дикого типа и мутантного гена. Без этого невозможно понять связь между изменениями, происходящими в структуре ДНК и действием конкретных факторов или условий среды, вызывающих мутации. Современные методы клонирования генов сделали возможным прямое определение нуклеотидной последовательности ДНК. Однако еще совсем недавно при изучении молекулярной природы мутаций приходилось анализировать аминокислотные замены в белках, синтезируемых мутантными генами, а затем с помощью таблиц генетического кода выявлять изменения в нуклеотидной последовательности.

Мутации можно разделить на два больших класса. К первому классу относятся те из них, которые связаны с заменой оснований. Мутации второго класса обусловлены сдвигом рамки считывания (табл. 20.1). Последние включают в себя вставки или делении одной или нескольких нуклеотидных пар. Замены оснований составляют не более 20% спонтанных мутаций, большинство остальных мутаций происходит в результате делений и вставок различной протяженности.

Исключение составляют так называемые «горячие точки» (см. рис. 6.12). Исследования нуклеотидной последовательности клонируемого гена lac I Е. coli показали, что две горячие точки спонтанных мутаций расположены в сайтах, содержащих метилированное основание 5-метилцитозин, которое возникает под действием фермента модификации ДНК. Известно, что при спонтанном дезаминировании цитозина образуется урацил. Сформировавшиеся при этом ошибочные пары dG/dU узнаются системой репарации клетки. Ошибка исправляется посредством гидролиза гликозидной связи, высвобождающего урацил

Таблица 20.1. Иллюстрация смысла терминов «замена основания» и «сдвиг рамки»

Тип мутационного события

Мутация гена

Мутасия гена Замена

Мутации гена Сдвиг рамки делецией

Мутация агена Сдвиг рамки вставкой

Рис. 20.1. Спонтанное дезаминирование ци-тозина приводит к образованию ураци-ла; дезаминирование 5-метилцитозина приводит к образованию тимина.

'NYN

о

Цитозин

Дезаминирование,

о

Урацил

(гл. 13). К иным последствиям приводит спонтанное дезаминирование 5-метилцитозина. Известно, что в результате этой реакции образуется тимин (рис. 20.1), нормальный компонент ДНК, не выявляемый механизмом репарации. Возникающие при этом ошибочные пары dG/dT ре-парируются менее эффективно, чем dG/dU, в результате с высокой частотой происходит замена dG/dC -? dA/dT, т. е. возникает горячая точка.

Замены пар оснований

Существуют два типа замен нуклеотидов-транзиции и трансверсии. Транзиции заключаются в замене одного пурина на другой пурин или одного пиримидина на другой пиримидин (AT-»GC, GC->AT, ТА-* -* CG и CG -»? ТА). При трансверсии пурин меняется на пиримидин или наоборот (AT -> CG, AT -> ТА и т. д.). Замены оснований могут происходить различными способами. Так, например, мутация в гене ДНК-поли-меразы фага Т4 может привести к возникновению дефектного фермента, что в свою очередь обусловит увеличение частоты как транзиции, так и трансверсий при репликации ДНК. У многих различных организмов, в том числе у Е. coli и у дрозофилы, известны гены-мутаторы, увеличивающие частоту мутаций. У Е. coli мутация mut S повышает частоту обоих типов замен, тогда как мутация mut Т индуцирует лишь трансверсии AT->CG.

Спонтанные трацзиции могут происходить при репликации ДНК вследствие таутомеризации, т. е. изменения положения протона, меняющего химические свойства молекулы. Таутомеризация в нуклеотидных основаниях меняет их способность образовывать водородные связи, так что аденин приобретает свойства гуанина, гуанин-аденина, цитозин -тимина, а тимин-цитозина (рис. 20.2). Мутагенная активность 5-бром-урацила, аналога тимина, в котором метиловая группа замещена атомом брома, обусловлена таутомеризацией, связанной с большим, нежели у метиловой группы, сродством к электрону атома брома по сравнению с метиловой группой (рис. 20.3). Индуцируемые 5-бромура-цилом мутации могут обусловливаться либо ошибками при включении,

либо при считывании, что приводит соответственно к замене GC->AT или AT-»GC (рис. 20.4).

Другим мутагеном из числа химических аналогов нуклеотидных оснований является 2-аминопурин, способный спариваться либо с тимином, либо с цитозином (рис. 20.5). Так же как и 5-бромурацил, 2-амино-пурин вызывает транзиции, являющиеся результатом ошибок двух типов: при включении или при считывании. Мутации, индуцируемые такими мутагенами, могут под действием тех же мутагенов ревертировать к дикому типу. Способность ревертировать под действием аналогов оснований используется для идентификации транзиции (табл. 12.2).

Азотистая кислота представляет собой мутаген, индуцирующий транзиции GC-> AT и AT-+CG; это происходит в результате дезамини-рования цитозина и превращения его в урацил, а также при переходе аденина в гипоксантин (спаривающийся так же, как и гуанин). ВозникноОбычная кетоформа 5-бромурацила (5—BU)

Аденин

\

Редкая енольная форма Гуанин 5-бромурацила (5—8 U *)

\

Рис. 20.3. Таутомерные формы 5-бромурацила, аналога тимина. А. Наиболее распространенный таутомер, образующий водородные связи с аденином. Б. Менее распространенный, но важный таутомер, образующий водородные связи с гуанином.

ATGCAGT TACGTC А

AT GCA GT TACGTC А

Репликация

ДНК

II

ATGCAGT TACGTC А

ATG5-BUAGT ТАС А ТСА

ATG5-BUAGT ТАС А ТСА

У Ре

Репликация ДНК III'

ATG5-BUAGT ТАС G ТСА 5-BU* таутомеризуется в дочерней спирали в BU

ATG ТAGT ТАС АТСА

^ При третьей репликации возникает одна

двойная спираль с

транзицией GC->AT

и одна двойная спираль с 5-BU

ATGCAGT TACGTCA

Родительская двойная

спираль

ATGCAGT TACGTCA

ДНК-по лиме раза встраивает в цепь 5- BU*> образующий пару с А

ATGC A GT TACG5-BU*CA

ATGC G GT TACG5-BU*CA

Репликация

ДНК

A'TGCAGТ

TACGTCA

AYGC'A GT

TACGTCA

II

ATGCAGT ТАСAT СА 5"BU таутомеризуется в дочерней спирали в BU*

ATGC GGT ТАС GC СA Репликация ДНК

III

ATGC G GT TACG5JHTCA

При третьей репликации возникает одна двойная спираль с транзицией AT-+GC и одна двойная спираль с 5-BU*

При второй репликации ^ возникает одна двойная спираль с парой 5_BU*-G

Рис. 20.4. Индукция транзиции 5-бромурацилом. А. Ошибка при включении приводит к транзиции GC-*AT. Б. Ошибка при считывании приводит к транзиции AT-»-GC. (По U. Goodenough, R.P. Levine, Genetics, Holt, Rinehart and Winston, New York, 1974.)

Рис. 20.5. 2-Аминопурин (2-АП), аналог аденина, образует водородные связи с тимином и цитозином.

HN02

> (/ г-н---// \) / о

Урацил Аденин

GC

AT

N—Н

Н

^ Н —>/

HN°2 ^ i // Л> J*"^ 1N—Н • • • \> ATGC

О

\

Аденин

Гипоксантин

Цитозин

Рис. 20.6. Азотистая кислота индуцирует транзиции GC-*AT путем дезами-нирования цитозина в урацил и транзиции AT-+GC при дезаминировании аденина с образованием гипоксантина.

Положение Замены аминокислот, наблюдавшиеся в трех положениях триптофан-синтазы А Е. coli. В скобках после символа 2-АР каждый раз указывается число наблюдавшихся независимых замен. Из 32 реверсий, зарегистрированных в присутствии 2-АП, 29 были транзициями, остальные три-трансверсиями, но

Thr Ser Asn АСРу AGPy ААРу

скорее всего это результаты спонтанных реверсий, а не реверсий, индуцирова