Спонтанные мутации. Причины возникновения спонтанных мутаций.
Спонтанный мутагенез, т.е. процесс возникновения мутаций в организме в отсутствие намеренного воздействия мутагенами, представляет собой конечный результат суммарного воздействия различных факторов, приводящих к повреждениям генетических структур в процессе жизнедеятельности организма.
Причины возникновения спонтанных мутаций можно разделить на:
• экзогенные (естественная радиация, экстремальные температуры и др.);
• эндогенные (спонтанно возникающие в организме химические соединения-метаболиты, вызывающие мутагенный эффект; ошибки репликации, репарации, рекомбинации; действие генов-мутаторов и антимутаторои; транспозиция мобильных генетических элементов и др.).
Организм человека за год поглощает в среднем 0, 095 рад энергии ионизирующих излучений, поступающих от естественной радиации (у-излучение Земли, космические лучи, радиоактивные элементы земной коры и атмосферы такие, как радон, углерод С , калий К40 и др.). Эта доза зависит от высоты над уровнем моря и географической широты. Кроме того, радиация выше в районах, где есть выходы на поверхность первичных пород. У человека доля мутаций, индуцированных естественной радиацией составляет до 25%, а у дрозофилы —лишь 0, 1% всех спонтанных мутаций.
Относительно УФ-излучения выше уже было указано, что оно практически не играет никакой роли в возникновении мутаций в половых клетках эукариот, не обладая достаточной проникающей способностью. В то же время, у одноклеточных организмов и вирусов под действием ультрафиолета образуется значительная часть спонтанных мутаций.
Замечено, что в высокогорных, а также арктических условиях растительность представлена преимущественно полиплоидными формами, так как резкие перепады температур в период вегетации растений ведут к увеличению частоты спонтанных геномных мутаций. Увеличение температуры окружающей среды на каждые 10 °С увеличивает частоту мутаций в 5 раз.
Основным источником спонтанных мутаций служат эндогенные факторы, приводящие к повреждению генов и хромосом в процессе нормального клеточного метаболизма. Результат их действия — ошибки генетических процессов репликации, репарации и рекомбинации.
Ошибки репликации:
• таутомерные переходы азотистых оснований приводят при репликации к спонтанным транзициям и трансверсиям;
• ошибки в работе ДНК-полимераз обусловливают некомплементарное встраивание 1 на 100000 вновь синтезирующихся нуклеотидов. Корректорская 3'-5'-экзонуклеазная активность ДНК-полимераз снижает эту частоту до 1 на 10000000000;
• химические модификации оснований (например, при встраивании 5-метилцитозина происходит замена GC - AT, т.к. 5-метилцитозин при последующей репликации может образовывать водородные связи с аденином).
Ошибки репарации:
• например, мутации в гене uvrD, отвечающем за репарацию одноцепочечных разрывов при УФ-облучении Е.сой в сотни раз повышает частоту спонтанных транзиций AT — GC.
Ошибки рекомбинации:
• в результате неравного внутригенного кроссинговера в мейозе происходят вставки либо выпадения оснований.
К эндогенным факторам спонтанного мутагенеза относится и мутагенная активность специальных элементов генома: генов-мутаторов и эндогенных метаболитов. Так генетическая стабильность большинства генов определяется не только особенностями их строения, но и уровнем общей мутабильности клетки, контролируемой генами-мутаторами и антимутаторами, которые по-видимому, задействованы в процессах репликации, репарации и рекомбинации ДНК. К классу эндогенных метаболитов относятся спонтанно возникающие химические соединения, вызывающие мутагенный эффект. Например, при заживлении физических травм у растений, образуются каллусные клетки, которые в норме отсутствуют, при этом индуцируется синтез дополнительных ферментов и метаболитов, необходимых для заживления раны. Если в каллуснои ткани возникают почки, то часть побегов из этих почек оказываются полиплоидными, т.е. метаболиты каллуснои ткани способны вызывать геномные мутации. Мутагенным эффектом обладают и свободные радикалы, возникающие при перекисном окислении липидов клеточных мембран.
Среди структурных факторов, определяющих эндогенные механизмы мутагенеза, можно выделить такие;
• наличие прямых и обратных повторов вблизи места перестройки;
• высокая концентрация CpG-динуклеотидов;
• наличие внегенных последовательностей ДНК, гомологичных фрагментам структурного гена;
• мобильные элементы генома.
Два первых фактора реализуются в процессе репликации ДНК хромосом, третий — в процессе рекомбинации.
Вследствие скользящего нарушения спаривания (slipping mispairing) родительской и дочерней цепей ДНК при репликации нередко образуются петли. Их формирование обусловлено наличием в первичной структуре ДНК прямых и инвертированных повторов, идентичных повторяющихся последовательностей, структур шпилечного типа, квазипалиндромных последовательностей и симметричных элементов генома (например, CTGAAGTC). Эти петли либо исчезают в результате репарационного процесса (и тогда возникают делеции), либо сохраняются и приводят к дупликациям и ин-серциям; при этом сформировавшиеся изменения закрепляются в последующих циклах репликации. Именно в последнем случае возможно появление мутации экспансии.
Возникновение мутаций зависит от особенностей первичной структуры ДНК в месте перестройки, и ряд исследователей полагают, что повышенной эндогенной мутагенностью обладают вообще все последовательности ДНК, находящиеся в состоянии изгиба (bens DNA). Именно такая конформационная структура ДНК свойственна: промоторным частям генов, местам начала репликации (origins of replication), месгам контакта хромосом с ядерным матриксом, т.е. тем участкам ДНК, на которые воздействуют топоизомеразы, участвующие в процессах репликации, транскрипции, рекомбинации, в том числе, и негомологичной (незаконной). Результатом последней могут быть не только внутри генные мутации, но и крупные структурные перестройки хромосом (транслокации, инверсии и др.).
Наиболее распространенные спонтанные нарушения ДНК в ходе репликации и репарации - потеря оснований и дезаминирование, к которому особенно чувствительны цитозиновые остатки. В настоящее время показано, что у позвоночных почти половина всех цитозиновых остатков в ДНК метилирована в 5-м положении, в областях повторов 5'-CpG-3'. При дезаминировании 5-метилцитозин превращается в тимин. При последующей репликации возникший в результате деза-минирования ошибочный вариант (T-G) либо корректируется (C-G), либо приводит к мутациям типатранзиций; (T-G) или (С-А). Гены, имеющие в своей структуре большой процент CpG-оснований, спонтанно мутируют по типу транзиций особенно часто. Таковы, например, ген фенилаланингидроксилазы у больных фе-нилкетонурией, гены факторов VIII и IX свертывания крови и др.
Еще одна существенная причина эндогенного мутагенеза — наличие псевдогенов -тесно сцепленньгх с генами гомологичных последовательностей ДНК. В мейозе результатом такой структурной особенности может быть неравная гомологичная рекомбинация и, как следствие - генная конверсия, сопровождающаяся делениями, дупликациями и другими перестройками. Так, очевидная ключевая рольошибок рекомбинации вэтио-логии нарушений структуры была установлена при анализе гигантского по размерам (2, 2 млн, п.н.) гена дистрофина, мутации которого (в 60% случаев являющиеся делециями) ведут к миопатии Дюшенна. Подавляющее большинство этих делеций, захватывающих один или несколько соседних экзонов, сосредоточено в двух «горячих» районах. Наблюдаемая частота внутригенных рекомбинаций почти в 4 раза выше, чем можно предполагать, исходя из размеров генадистрофина. В одной из этих «горячих» точек (интрон 7) недавно обнаружен кластер транспозоноподобных повторяющихся последовательностей. Единичные пока наблюдения свидетельствуют о реальном перемещении этих элементов по типу конверсии и об их интеграции в структурные гены аденозиндезаминазы, аполи-попротеина С, факторов VIII и IX свертывания крови, кальмодулина.
