Мутационный процесс и стабильность генов

Мутационный процесс генов и стабильность генов

 

Введение

Мутация -- это внезапное наследственное изменение, вызванное резким структурным и функциональным изменением генетического материала. Генетический материал организован в иерархию структурно-функциональных единиц -- от цеолитов (молекулярных сит) внутри гена до целых хромосом и геномов. Соответственно существуют разные типы мутаций -- от генных до геномных.

Внезапные наследственные изменения фенотипа могут быть вызваны не только структурными изменениями генов, но и другими генетическими процессами. Мутации могут быть истинными или ложными. Фенотипические изменения сами по себе не дают представления о тех генетических процессах, которые их вызывают. На основании одних лишь прямых наблюдений трудно различать разные типы истинных и ложных мутаций. Существует также, внезапное изменение генетического материала, не вызывающее фенотипического эффекта.

Генные мутации

 

Генная, или точковая, мутация представляет собой изменение последовательности нуклеотидов в пределах одного гена, приводящее к изменению характера действия гена. Как правило, это молекулярное изменение в гене, которое вызывает фенотипический эффект. Допустим, что какой-то ген содержит в некоторой своей точке кодов, или триплет, ЦТТ, кодирующий одну из аминокислот полипептидной цепи -- глутаминовую кислоту. В результате замены всего лишь одного нуклеотида кодом ЦТТ может превратиться в кодон* ГТТ.

Этот новый кодон обусловливает синтез уже не глутаминовой кислоты, а глутамина, так что в полипептидной цепи, синтезируемой под действием измененного гена, на месте глутаминовой кислоты окажется глутамин. Первоначальная и мутантная молекулы белка отличаются одна от другой, и вполне возможно, что это влечет за собой другие, вторичные, фенотипические различия.

Стабильность генов на протяжении последовательных поколений клеток и особей, а следовательно, и консервативность наследственности обусловлены точностью процесса копирования при репликации гена. Однако процесс копирования несовершенен. Время от времени при копировании возникают ошибки. Генные мутации можно рассматривать как такие ошибки копирования.

Новый мутантный аллель точно реплицируется до тех пор, пока не произойдет следующее мутационное изменение. Таким образом, в результате генной мутации появляется пара или серия гомологичных аллелей. И наоборот, наличие аллельной изменчивости по любому гену в конечном счете означает, что этот ген в то или иное время претерпел мутацию.

^{_________________}

^{* Кодон - единица генетического кода, тройка нуклеотидных остатков (триплет) в ДНК или РНК, обычно кодирующих включение одной аминокислоты.}

Любой ген, входящий в состав генотипа, по-видимому, подвержен мутированию. Во всяком случае, в генах, контролирующих весьма разнообразные признаки, наблюдаются мутации. Например, у Drosophila melanogaster известны мутанты со слегка сморщенными крыльями, сильно укороченными крыльями или вообще бескрылые; мутанты с белыми или пурпурными глазами; мутанты с разнообразными изменениями щетинок и т. п. Известен ряд мутантных разновидностей смородинного томата (Lycopersicon pimpinellifolium), различающихся по форме листьев. Биохимические мутации, затрагивающие различные звенья метаболических процессов, хорошо известны у микроорганизмов и имеются, хотя и гораздо менее изучены, у высших организмов.

По степени фенотипического проявления генные мутации варьируют в широком диапазоне -- от мутаций со слабыми эффектами до мутаций, вызывающих значительные изменения фенотипа. Эти два типа называют соответственно малые (микро) и макромутациями. Хорошо заметные, но не обладающие сильным действием мутации типичны для средней части диапазона. Примерами малых мутаций служат мутанты Drosophila melanogaster со статистически незначительными отклонениями от нормальной жизнеспособности или от нормального числа щетинок. Примером макромутации служит мутант tetraptera у D. melanogaster с четырьмя крыльями вместо двух. Он представляет собой резкое отклонение от двукрылости, характерной для сем. Drosophilidae и для отряда Diptera.

У диплоидных животных и растений значительную долю новых мутаций составляют рецессивные мутации, а гены дикого типа доминируют. Важное следствие рецессивности многих мутантных аллелей заключается в том, что они не подвергаются действию отбора немедленно, но могут сохраняться в диплоидной популяции на протяжении многих поколений.

Типы точковых мутаций

 

Точковые мутации можно разделить на несколько типов в зависимости от характера молекулярного изменения в гене. (Wallace, 1981*)

1. Missense-мутация. В одном из триплетов происходит замена одного основания (например, ЦТТ→ГТТ), в результате чего измененный триплет кодирует аминокислоту, отличную от той, которую кодировал прежний триплет.

2. Мутация со сдвигом рамки. Если в последовательность ДНК включается новое основание или пара оснований, то все лежащие за ними триплеты изменяются, что влечет за собой изменение синтезируемого полипептида. Возьмем, например, последовательность АТТ--ТАГ--ЦГА, перед которой включилось основание Т. В результате получится новая последовательность ТАТ--ТТА--ГЦГ--А… К такому же результату приведёт утрата одного из имеющихся оснований.

3. Nonsense-мутация. В результате замены одного основания возникает новый триплет, представляющий собой терминирующий кодон*. В генетическом коде имеется три таких триплета. При такой замене синтез полипептидной цепи прекращается в новой (т.е. другой) точке, и соответственно эта цепь отличается своим свойствам от полипептида, который синтез прежде.

4. Синонимическая missence-мутация. Генетический код обладает значительной избыточностью: два или несколько его триплетов кодируют одну и ту же аминокислоту. Поэтому можно ожидать, что в некоторых случаях при замене оснований один триплет заменяется другим -- синонимическим, кодирующим ту же аминокислоту.

^__________

^{* Терминирующий кодон - кодон, определяющий окончание (терминацию) синтеза полипептидной цепи - UAA, UAG, UGA.}

В этом случае, вследствие избыточности кода получается молекулярное изменение в пределах данного гена, которое не вызывает фенотипического эффекта. Такие синонимические мутации, вероятно, довольно обычны.

Частота возникновения мутаций (скорость мутирования)

Некоторые репрезентативные значения частоты возникновения спонтанных мутаций (мутаций в обычном смысле слова, т.е. вызывающих фенотипические эффекты) приведены в табл. 1. Следует отметить, что частота мутаций в общем невелика и разные гены, у одного и того же вида, часто сильно различаются по мутабильности. Например, у кукурузы ген окраски растения отличается высокой частотой мутаций, тогда как ген восковидно-крахмального эндосперма высоко стабилен.

 

Таблица 1. Частота возникновения спонтанных мутаций в ряде локусов у нескольких организмов (по данным Stadler, 1942; Cavalli-Sforza, Bodmer,1971; Merrell, 1975; Suzuki et al., 1981*)

Организм и ген	Частота мутаций
I. Многоклеточные организмы	Частота на гамету
Homo sapiens
Альбинизм	3 ·10-5
Гемофилия А	1.3·10-5
Гемофилия В	5.5·10-7
Хорея Гентингтона	2 ·10-6
Drosophila melanogaster
Желтая окраска тела	12·10-5
Окраска глаз	4·10-5
Чёрная окраска тела	2·10-5
Zea maus
Окраска растения	4.9·10-4
Ингибитор окраски	11 ·10-5
Сахаристый эндосперм	2 ·10-6
Сморщенные семена	1 ·10-6
Восковидно-крахмалистый эндосперм	0 на 1.5 млн. проверенных гамет
II. бактерии	Частота на одну клетку на одно деление
Esxherichia coli
Сбраживание лактозы	2·10-7
Потребность в гистидине	4·10-8
Устойчивость к фагу Т1	2·10-8
Чувствительность к стрептомицину	10-8--10-9

 

Частота возникновения мутаций у бактерий ниже, чем у многоклеточных организмов, причём различия колеблются от одного до нескольких порядков величин. Следует указать, что приведённые в таблице данные по нескольким бактериальным генам можно считать репрезентативными, поскольку они выбраны из гораздо большего количества данных. Из выше указанного можно сделать вывод о том, что гены бактерий более стабильны, чем гены эукариотических организмов.

Имеются основания считать, что некоторые оценки частоты мутаций у высших организмов завышены. Один из источников ошибок -- трудность в различении истинных внутригенных мутаций и редких рекомбинаций очень тесно сцепленных генных единиц. Эти два явления могут приводить к одинаковому видимому результату, а именно к резкому фенотипическому изменению, передающемуся по наследству. Любой обширный набор мутаций какого-либо диплоидного организма, наблюдаемый на фенотипическом уровне, по всей вероятности, содержит помимо истинных генных мутаций некоторую долю необнаруженных редких рекомбинаций, что искажает оценку частоты мутаций в сторону повышения.

Другой возможный источник завышенной оценки частоты мутаций -- невыявленное селективное преимущество гетерозиготной формы над соответствующими гомозиготами в диплоидных популяциях.

Если даже истинная частота мутаций у высших организмов на порядок ниже, чем показывают современные оценки, то всё же эта частота достаточна, чтобы поддерживать уровень мутационной изменчивости в популяциях. В популяции средней величины, продуцирующей до 100 млн. гамет, на каждый ген в среднем будет возникать, по нескольку новых мутаций в каждом поколении.

Генотипический контроль

 

У Drosophila melanogaster известен ген, который вызывает высокую частоту мутаций других генов данного комплемента. Этот ген-мутатор обозначают символом Hi. У мух, гомозиготных по гену Hi, частота мутаций в 10 раз выше обычной; у гетерозигот по этому гену частота мутаций выше обычной в 2 -- 7 раз. Ген Hi индуцирует как видимые, так и летальные мутации во многих генах. Он вызывает также инверсии -- один из типов хромосомных мутаций (Ives, 1950; Hinton, Ives, Evans, 1952*).

Выше рассматривались генные мутации как случайные ошибки копирования, происходящие во время воспроизведения гена. Однако, как показывают данные о действии генов-мутаторов, существует и другой аспект мутационного процесса. Возникновение новой мутационной изменчивости, которая имеет важное значение для долговременного успеха данного вида в эволюции, может быть не целиком предоставлено воле случая, а инициироваться генамимутаторами. Частота возникновения мутаций у данного вида частично может быть одним из генотипически контролируемых компонентов всей его генетической системы.

Близкородственные виды Drosophila willistoni и D. prosaltans, обитающие в тропических областях Америки, различаются по частоте возникновения мутаций. В табл. 2 представлены частоты летальных мутаций в хромосомах II и III у этих двух видов.

Вид D. willistoni, у которого частота мутаций выше, обычен, широко распространен и занимает разнообразные экологические ниши, тогда как D. prosaltans встречается редко и лишь в строго определённых экологических условиях. Было высказано весьма правдоподобное мнение, что высокая частота возникновения мутаций, поставляющих новые варианты, способствует повышению экологического разнообразия D. willistoni, а тем самым и обилию этого вида (Dobzhansky, Spassky, Spassky, 1952*).

 

Таблица 2. Частота возникновения мутаций у двух близко-родственных видов Drosophila willistoni и D. prosaltans

вид	Частота мутаций
	Хромосома II	Хромосома III
D. willistoni	2.2·10-5	3.0·10-5
D. prosaltans	1.1·10-5	2.1·10-5

 

Адаптивная ценность

 

Большинство новых мутантов характеризуется более низкой жизнеспособностью, чем нормальный, или дикий, тип. Снижение жизнеспособности может быть выражено в разной степени -- от чуть заметного субвитального состояния до полулетальности и летальности. При оценке жизнеспособности мутантов Drosophiia melanogaster, возникших в результате мутаций в Х-хромосоме, 90% оказались менее жизнеспособными, чем нормальные мухи, а 10% были супервитальными, т.е. обладали повышенной жизнеспособностью. Среди 90% мух с пониженной жизнеспособностью наблюдается весь диапазон изменений от слабой субвитальности (45%) через промежуточные стадии понижения жизнеспособности до полулетальности (6%) и летальности (14%) (Тимофеев-Ресовский, 1940*).

Вообще адаптивная ценность новых мутантов обычно бывает понижена. Адаптивная ценность слагается из плодовитости и функциональной полезности морфологических признаков, а также физиологической жизнеспособности. Многие мутанты неплодовиты независимо от того, обладают они нормальной жизнеспособностью или нет. Морфологические макромутации обычно сопровождаются нарушениями функциональной эффективности. Из обширной выборки индуцированных мутантов ячменя (Hordeum vulgare) у 99% адаптивная ценность была понижена (Gustafsson, 1951*).

Этим наблюдениям легко дать объяснение. Все гены, входящие в состав генотипа нормальной, или дикой, формы на протяжении многих поколений подвергались естественному отбору; они прошли сквозь сито отбора, в результате чего сохранились те из них, которые обладали максимальной адаптивной ценностью. Любые изменения в таких генах, скорее всего, окажутся изменениями к худшему.