Мутация есть изменение структурной организации, количества и/или функционирования наследственного материала и синтезируемых им белков. Это понятие впервые предложил Гуго де Фриз
в 1901-1903 гг. в своей работе «Мутационная теория», где описал основные свойства мутаций. Они:
• возникают внезапно;
• передаются из поколения в поколение;
• наследуются по доминантному типу (проявляются у гетерозигот и гомозигот) и рецессивному типу (проявляются у гомозигот);
• не имеют направленности («мутирует» любой локус, вызывая незначительные изменения или затрагивая жизненно важные признаки);
• по фенотипическому проявлению бывают вредными (большинство мутаций), полезными (крайне редко) или безразличными;
• возникают в соматических и половых клетках.
Кроме того, одни и те же мутации могут возникнуть повторно.
Мутационный процесс или мутагенез, есть непрерывно идущий процесс формирования мутаций под действием мутагенов — факторов среды, повреждающих наследственный материал.
Впервые теория непрерывно идущего мутагенеза предложена в 1889 г. русским ученым из Петербургского университета С.И. Коржинским в его книге «Гетерогенезис и эволюция».
Как принято считать в настоящее время, мутации способны проявиться спонтанно, без видимых внешних причин, но под влиянием внутренних условий в клетке и организме — это спонтанные мутации или спонтанный мутагенез.
Мутации, вызванные искусственно путем воздействия внешних факторов физической, химической или биологической природы, — это индуцированные мутации, или индуцированный мутагенез.
Наиболее часто встречающиеся мутации называются мажорными мутациями (например, мутации в генах миодистрофии Дюшенна- Беккера, муковисцидоза, серповидноклеточной анемии, фенилкетонурии и др.). Сейчас созданы коммерческие наборы, позволяющие выявлять в автоматическом режиме наиболее важные из них.
Вновь возникшие мутации называются новыми мутациями или мутациями de novo. Например, к ним относятся мутации, лежащие в основе ряда аутосомно-доминантных болезней, таких, как ахондроплазия (10\% случаев заболевания — семейные формы), нейрофиброматоз Реклингаузена I типа (50-70\% — семейные формы), болезнь Альцгеймера, хорея Гентингтона.
Мутации от нормального состояния гена (признака) к патологическому состоянию называются прямыми.
Мутации от патологического состояния гена (признака) к нормальному состоянию называются обратными или реверсиями.
Впервые способность к реверсии установлена в 1935 г. Н.В. Тимофеевым-Рессовским.
Последующие мутации в гене, подавляющие первичный мутантный фенотип, называются супрессорными. Супрессия может быть внутригенной (восстанавливает функциональную активность белка; аминокислота не соответствует исходной, т.е. истинной обратимости нет) и внегенной (изменяется структура тРНК, в результате чего мутантная тРНК включает в полипептид другую аминокислоту вместо кодируемой дефектным триплетом).
Мутации в соматических клетках называются соматическими мутациями. Они формируют патологические клеточные клоны (совокупность патологических клеток) и в случае одновременного присутствия в организме нормальных и патологических клеток приводят к клеточному мозаицизму (например, при наследственной остеодистрофии Олбрайта экспрессивность заболевания зависит от количества аномальных клеток).
Соматические мутации могут быть как семейными, так и спорадическими (несемейными). Они лежат в основе развития злокачественных новообразований и процессов преждевременного старения.
Ранее считалось аксиомой, что соматические мутации не наследуются. В последние же годы была доказана передача из поколения в поколение наследственной предрасположенности 90\% мультифакториальных форм и 10\% моногенных форм рака, проявляющихся мутациями в соматических клетках.
Мутации в половых клетках называются герминативными мутациями. Считается, что они встречаются реже соматических мутаций, лежат в основе всех наследственных и некоторых врожденных болезней, передаются из поколения в поколение и также могут быть семейными и спорадическими. Наиболее изученная область общего мутагенеза — физический и, в частности, радиационный мутагенез. Любые источники ионизирующей радиации пагубны для здоровья человека, они, как правило, оказывают мощное мутагенное, тератогенное и канцерогенное воздействие. Мутагенный эффект однократной дозы облучения гораздо выше, чем при хроническом облучении; доза облучения в 10 рад удваивает частоту мутаций у человека. Доказано: ионизирующее излучение способно вызвать мутации, приводящие
к наследственным (врожденным) и онкологическим болезням, а ультрафиолетовое — индуцировать ошибки репликации ДНК.
Большую опасность представляет химический мутагенез. В мире существует около 7 млн химических соединений. В народном хозяйстве, на производстве и в быту постоянно применяются примерно 50-60 тыс. химических веществ. Ежегодно внедряются в практику около одной тысячи новых соединений. Из них 10\% в состоянии индуцировать мутации. Таковы гербициды и пестициды (доля мутагенов среди них достигает 50\%), а также ряд лекарственных препаратов (некоторые антибиотики, синтетические гормоны, цитостатики и др.).
Существует еще биологический мутагенез. К биологическим мутагенам относятся: чужеродные белки вакцин и сывороток, вирусы (ветряная оспа, коревая краснуха, полиомиелит, простой герпес, СПИД, энцефалит) и ДНК, экзогенные факторы (неполноценное белковое питание), соединения гистамина и его производные, стероидные гормоны (эндогенные факторы). Усиливают действие внешних мутагенов комутагены (токсины).
В истории генетики немало примеров значения связей между генами и признаками. Один из них — классификация мутаций в зависимости от их фенотипического эффекта.
Классификация мутаций в зависимости от их фенотипического эффекта
Такую классификацию мутаций впервые предложил в 1932 г. Г. Мёллер. Согласно классификации были выделены:
• аморфные мутации. Это состояние, при котором признак, контролируемый патологическим аллелем, не проявляется, так как патологический аллель не активен по сравнению с нормальным аллелем. К таким мутациям относятся ген альбинизма (11q14.1) и около 3000 аутосомно-рецессивных заболеваний;
• антиморфные мутации. В этом случае значение признака, контролируемого патологическим аллелем, противоположно значению признака, контролируемого нормальным аллелем. К таким мутациям относятся гены около 5-6 тыс. аутосомно-доминантных заболеваний;
• гиперморфные мутации. В случае такой мутации признак, контролируемый патологическим аллелем, выражен сильнее признака, контролируемого нормальным аллелем. Пример — гете-
розиготные носители генов болезней нестабильности генома (см. главу 10). Их число составляет около 3\% населения Земли (почти 195 млн человек), а количество самих заболеваний достигает 100 нозологий. Среди этих заболеваний: анемия Фанкони, атаксиятелеангиэктазия, пигментная ксеродерма, синдром Блума, прогероидные синдромы, многие формы рака и др. При этом частота рака у гетерозиготных носителей генов этих заболеваний в 3-5 раз выше, чем в норме, а у самих больных (гомозигот по этим генам) частота рака в десятки раз выше, чем в норме.
• Гипоморфные мутации. Это состояние, при котором проявление признака, контролируемого патологическим аллелем, ослаблено по сравнению с признаком, контролируемым нормальным аллелем. К таким мутациям относятся мутации генов синтеза пигментов (1q31; 6p21.2; 7p15-q13; 8q12.1; 17p13.3; 17q25; 19q13; Xp21.2; Xp21.3; Xp22), а также более 3000 форм аутосомно-рецессивных заболеваний.
• Неоморфные мутации. О такой мутации говорят, когда признак, контролируемый патологическим аллелем, будет иного (нового) качества по сравнению с признаком, контролируемым нормальным аллелем. Пример: синтез новых иммуноглобулинов в ответ на проникновение в организм чужеродных антигенов.
Говоря о непреходящем значении классификации Г. Мёллера, следует отметить, что спустя 60 лет после ее публикации фенотипические эффекты точковых мутаций были разделены на разные классы в зависимости от оказываемого ими воздействия на структуру белкового продукта гена и/или уровень его экспрессии.
В частности, нобелевский лауреат Виктор Маккьюсик (1992) выделил мутации, изменяющие последовательность аминокислот в белке. Оказалось, что именно они отвечают за проявление 50-60\% случаев моногенных болезней, а остальные мутации (40-50\% случаев) приходятся на долю мутаций, затрагивающих экспрессию генов.
Изменение аминокислотного состава белка проявляется в патологическом фенотипе, например, в случаях метгемоглобинемии или серповидноклеточной анемии, обусловленной мутациями бетаглобинового гена. В свою очередь, были выделены мутации, затрагивающие нормальную экспрессию гена. Они приводят к изменению количества генного продукта и проявляются фенотипами, связанными с недостаточностью того или иного белка, например,
в случаях гемолитической анемии, обусловленной мутациями генов, локализованных на аутосомах: 9q34.3 (дефицит аденилаткиназы); 12p13.1 (дефицит триозофосфатизомеразы); 21q22.2 (дефицит фосфофруктокиназы).
Классификация мутаций В. Маккьюсика (1992) — это, безусловно, новое поколение классификаций. Вместе с тем, накануне ее публикации широкое признание получила классификация мутаций в зависимости от уровня организации наследственного материала.
Классификация мутаций в зависимости от уровня организации наследственного материала
Классификация включает следующее.
Точковые мутации (нарушение структуры гена в разных его точках).
Строго говоря, к точковым мутациям относятся изменения нуклеотидов (оснований) одного гена, ведущие к изменению количества и качества синтезируемых ими белковых продуктов. Изменения оснований — это их замены, вставки, перемещения или выпадения, которые можно объяснить мутациями в регуляторных областях генов (промотор, сайт полиаденилирования), а также в кодирующих и некодирующих областях генов (экзоны и интроны, сайты сплайсинга). Замены оснований ведут к появлению трех типов мутантных кодонов: миссенс-мутации, нейтральные мутации и нонсенс-мутации.
Точковые мутации наследуются как простые менделевские признаки. Они часто встречаются: 1 случай на 200-2000 рождений — это первичный гемохроматоз, неполипозный рак толстой кишки, синдром Мартина-Белл и муковисцидоз.
Точковые мутации, встречающиеся крайне редко (1:1 500 000), — это тяжелый комбинированный иммунодефицит (ТКИД) в результате дефицита аденозиндезаминазы. Иногда точковые мутации формируются не при воздействии мутагенов, а как ошибки репликации ДНК. При этом их частота не превышает 1:105-1:1010, так как они исправляются с помощью репарационных систем клетки почти на
99\%.
Структурные мутации или аберрации хромосом (нарушают структуру хромосом и приводят к формированию новых групп сцепления генов). Это делеции (утраты), дупликации (удвоения), транслокации (перемещения), инверсии (поворот на 180°) или инсерции (вставки) наследственного материала. Такие мутации характерны для сомати-
ческих клеток (включая стволовые клетки). Их частота составляет 1 на 1700 клеточных делений.
Известен ряд синдромов, обусловленных структурными мутациями. Наиболее известные примеры: синдром «кошачьего крика» (кариотип: 46,ХХ,5р-), синдром Вольфа-Хиршхорна (46,ХХ, 4р-), транслокационная форма синдрома Дауна (кариотип: 47, ХУ, t (14;21)).
Другой пример — это лейкемии. При них происходит нарушение экспрессии гена в результате так называемого разделения (транслокация между структурной частью гена и его промоторной областью), и, следовательно, нарушается синтез белка.
Геномные (численные) мутации — нарушение числа хромосом или их частей (ведут к появлению новых геномов или их частей путем добавления или утраты целых хромосом или их частей). Происхождение этих мутаций обусловлено нерасхождением хромосом в митозе или мейозе.
В первом случае — это анеуплоиды, тетраплоиды с неразделенной цитоплазмой, полиплоиды, имеющие по 6, 8, 10 пар хромосом и более.
Во втором случае — это неразделение парных хромосом, участвующих в формировании гамет (моносомии, трисомии) или оплодотворение одной яйцеклетки двумя сперматозоидами (диспермия или триплоидный зародыш).
Их типичные примеры уже не раз приводились — это синдром Шерешевского-Тернера (45,ХО), синдром Клайнфельтера (47,ХХУ), регулярная трисомия при синдроме Дауна (47,ХХ, +21).
Геномные мутации являются наиболее частыми из всех классов мутаций, особенно синдром Дауна, частота которого составляет 1 случай на 550-650 человек.
Именно частота синдрома Дауна служит показателем общей частоты хромосомных и геномных мутаций в популяции человека. Существует правило, согласно которому среди 100 больных с разными хромосомными синдромами 95 больных (95\%) будут иметь нарушения числа хромосом (включая 75\% больных с синдромом Дауна) и только 5 больных (5\%) — структурные нарушения хромосом.
В настоящее время в структурной геномике большое распространение получает классификация точковых мутаций в зависимости от размеров фрагментов ДНК, подвергающихся изменениям в ходе мутагенеза.
Причины уникальности мутаций и классификация точковых мутаций
Несмотря на наличие общих закономерностей мутационного процесса, структура и спектр мутационных повреждений каждого гена уникальны.
Причины уникальности мутаций скрыты в особенностях строения ДНК, включая:
• размеры гена;
• обогащенность гена ГЦ-парами; она предрасполагает к образованию точковых мутаций типа транцизии или замены цитозина на тимин в процессе метилирования-деметилирования;
• наличие в гене прямых и обратных (обращенных) повторов;
• наличие в генах последовательностей ДНК, гомологичных внегенным участкам, что может вызвать нарушение рекомбинации в мейозе;
• инсерции транспозонов (в Alu-, LINE- и SINE- последовательностях);
• динамические мутации транскрибируемых и нетранскрибируемых повторов.
Важно отметить, что точковые мутации каждого гена по своей локализации диаллельны: встречаются в двух вариантах в зависимости от отцовского или материнского происхождения (см. главу 2). Они могут затронуть любое звено на всем пути прохождения наследственной информации от молекулы ДНК к молекуле полипептида.
Согласно указанной выше классификации В. Маккьюсика (1992), среди точковых мутаций выделены мутации первого и второго типов.
Первый тип — это мутации транскрипции. Среди них:
• мутации в области промотора; примером служат два гена, характерных для синдромов Мартина-Белл и умственной отсталости, сцепленных с фрагильной Х-хромосомой, — это гены FraXA и FraXE; другой пример — это мутация фактора IX (положение 20 от старта транскрипции) при гемофилии В;
• мутации сплайсинга мРНК, в том числе мутации в 5′-донорскоми 3′-акцепторном сайтах интронов, а также мутации, приводящие к появлению новых сайтов сплайсинга из-за неправильного вырезания интрона или экзона; пример — мутация при муковисцидозе (621GT);
• мутации полиаденилирования;
• мутации кэп-сайта;
• мутации (делеции) энхансеров.
Второй тип мутаций — это мутации трансляции. Среди них выделяют следующие.
• Мутации кодона инициации транскрипции или индикаторного кодона (АУГ), а также мутации вблизи этого кодона.
• Мутации в терминирующих кодонах — ТАА, ТАГ и ТГА (приводит к синтезу длинных белков).
• Мутации сдвига рамки считывания или фреймшифт-мутации (приводят к делеции или инсерции участка молекулы ДНК, размеры которого не кратны трем нуклеотидам, и в результате нарушается нормальный отсчет кодирующих триплетов, возникают преждевременные стоп-кодоны (ПСК) и наблюдается синтез неполноценных белков. Эти мутации встречаются при муковисцидозе (3905 insT) и лежат в основе многих нервномышечных заболеваний. Например, протяженные делеции, охватывающие весь ген или значительную его область, обнаружены при Х-сцепленной рецессивной миодистрофии Дюшенна-Бекера и аутосомно-рецессивных спинальных мышечных атрофиях.
• Миссенс-мутации или замена одного аминокислотного остатка на другой в молекуле белка. Эти мутации приводят к нарушению экспрессии гена и, следовательно, к образованию новой структуры белка, которая может оказаться нестабильной; так, например, миссенс-мутация в кодоне 553 гена FAC ведет к замене лейцина на пролин, что делает продуцируемый геном белок неспособным компенсировать функциональный дефект в клетках больных с анемией Фанкони.
• Молчащая (нейтральная) мутация; такая мутация не сопровождается регистрируемым изменением признака и фенотипа; например, не всякая замена аминокислоты отражается на функциональной активности белка, т.е. она может оказаться нейтральной.
• Нонсенс-мутации или замены нуклеотидов, приводящие к замене информационно значимого кодона на стоп-кодон и, следовательно, к остановке бисинтеза белка или образованию укороченного белка. Эти мутации в большинстве случаев оказывают значительное повреждающее действие, и из-за преждевременного окончания трансляции они не способны к модификации, часто не защищены от действия протеолитических ферментов и быстро
деградируют. Однако на их долю приходится примерно одна треть всех моногенных заболеваний.
Примером служит нонсенс-мутация в третьем (последнем) экзоне гена бета-глобина, которая не вызывает процесс NMD (см. главу 7) в связи с отсутствием экзон-экзонного соединения и ведет к синтезу укороченного бета-глобина (он не может нормально связываться с альфа-глобином), что обусловливает доминантную форму талассемии. При нонсенс-мутации, приводящей к появлению преждевременного стоп-кодона в первом или втором экзонах, возникает рецессивная форма талассемии.
Нонсенс-мутации с появлением преждевременного стоп-кодона и мутация со сдвигом рамки считывания показаны соответственно для генов альфа-1-антитрипсина и аполипопротеина (АроВ1).
Другой пример — это нонсенс-мутация при муковисцидозе, приводящая к блоку синтеза полноразмерного белка — G542X.
• Нулевая мутация, приводящая к отсутствию синтеза функционально значимого генного продукта.
• Регуляторная мутация, затрагивающая регуляторные последовательности гена и нарушающая его экспрессию (см. главу 28).