МУТАЦИИ_

Мутации (от лат. mutatio — перемена) — это изменения генов и хромосом, фенотипически проявляющиеся в изменении свойств и признаков организмов. Мутагенез — процесс образования мутаций во времени и пространстве.

Мутации характерны для всех живых существ, включая человека, у которого они сопровождаются наследственными болезнями. Мутантные организмы могут отличаться от исходных (организмов дикого типа) по самым различным свойствам — морфологическим, физиологическим, биохимическим и др. Например, у микроорганизмов мутации сопровождаются изменением формы колоний, питательных потребностей, отношения к лекарственным веществам и т. д. У насекомых мутанты отличаются от исходных организмов по форме и окраске тела, крыльев, конечностей, глаз, реакции на свет, серологическими свойствами и т. д. У человека мутации приводят к различным отклонениям от нормы и сопровождаются наследственной патологией (см. гл. VIII). Но важно помнить, что мутанты остаются организмом того же вида, что и организм дикого типа, из которого они произошли.

Мутации следует отличать от фенокопий, которые продуцируются факторами среды. Мимикрируя действие генов, они не передаются по наследству. Например, если беременных мышей экспонировать к пониженному атмосферному давлению, то некоторые из особей в пометах таких мышей будут иметь повреждения в мочеполовом тракте, но не передающиеся, однако, по наследству. В случае челове-

ка фенокопиями можно считать, например, ненаследуемые повреждения скелета и слепоту, вызываемые ядами и другими вредными факторами воздействия.

Мутации возникают на всех стадиях индивидуального развития организмов и поражают гены и хромосомы как в половых клетках, причем до оплодотворения и после оплодотворения (после первого деления оплодотворенных яйцеклеток), так и в соматических, причем в любой фазе клеточного цикла. Поэтому по типу клеток, в которых возникают мутации, различают генеративные и соматические мутации (соответственно).

Генеративные мутации происходят в генитальных и половых клетках. Если мутация (генеративная) осуществляется в генитальных клетках, то мутантный ген могут получить сразу несколько гамет, что увеличит потенциальную способность наследования этой мутации несколькими особями (индивидуумами) в потомстве. Если мутация произошла в гамете, то, вероятно, лишь одна особь (индивидуум) в потомстве получит этот ген. На частоту мутаций в половых клетках оказывает влияние возраст организма.

Соматические мутации встречаются в соматических клетках организмов. У животных и человека мутационные изменения будут сохраняться только в этих клетках. Но у растений из-за их способности к вегетативному размножению мутация может выйти за пределы соматических тканей. Например, знаменитый зимний сорт яблок «делишес» берет начало от мутации в соматической клетке, которая в результате деления привела к образованию ветки, имевшей характеристики мутантного типа. Затем следовало вегетативное размножение, позволившее получить растения со свойствами этого сорта.

По типу наследования различают доминантные, полудоминантные, кодоминантные и рецессивные мутации. Доминантные мутации характеризуются непосредственным влиянием на организм, полу- доминантные мутации заключаются в том, что гетерозиготная форма по фенотипу является промежуточной между формами АА и аа, а для кодоминантных мутаций характерно то, что у гетерозигот A1A2 проявляются признаки обоих аллелей. Рецессивные мутации отсутствуют у гетерозигот.

Если доминантная мутация встречается в гаметах, ее эффекты выражаются непосредственно в потомстве. Многие мутации у человека являются доминантными. Они часты у животных и растений.

Например, генеративная доминантная мутация дала начало анконской породе коротконогих овец.

Примером полудоминантной мутации может служить мутационное образование гетерозиготной формы Аа, промежуточной по фенотипу между организмами АА и аа. Это имеет место в случае биохимических признаков, когда вклад в признак обоих аллелей одинаков.

Примером кодоминантной мутации являются аллели 1А и 1В, детерминирующие группу крови IV у человека.

В случае рецессивных мутаций их эффекты скрыты в диплоидах. Они проявляются лишь в гомозиготном состоянии. Примером служат рецессивные мутации, детерминирующие генные болезни человека.

Таким образом, к главным факторам в детерминировании вероятности проявления мутантного аллеля в организме и популяции относится не только стадия репродуктивного цикла, но и доминантность мутантного аллеля.

В зависимости от локализации в клетках различают генные (точечные) и хромосомные мутации (рис. 56).

I МУТАЦИИ I

Рис. 56. Классификация мутаций

Генные мутации заключаются в изменениях индивидуальных генов. Поэтому их еще называют точечными мутациями и классифицируют на односайтовые и многосайтовые. Односайтовая мутация затрагивает один сайт, многосайтовая — несколько сайтов генного локуса. Некоторые сайты являются «горячими точками», так как в них происходят концентрированные мутации, что связано с наличием в нуклеотидных последовательностях модифицированных оснований. Последние подвергаются частому дезаминирова-нию, а это ведет к изменениям в последовательностях оснований (см. ниже).

Генные мутации классифицируют также на прямые и обратные (реверсивные), которые одинаково встречаются у организмов всех систематических групп.

Прямые мутации — это те, что инактивируют гены дикого типа, т. е. мутации, которые изменяют информацию, закодированную в ДНК, прямым образом, в результате чего изменение от организма исходного (дикого) типа идет к организму мутантного типа.

Обратные мутации представляют собой реверсии к исходным (диким) типам от мутантных. Эти реверсии бывают двух типов. Первые обусловлены повторными мутациями аналогичного сайта или локуса и их называют истинными обратимыми мутациями. Вторые реверсии представляют собой мутации в каком-то другом гене, которые изменяют выражение мутантного гена в сторону исходного типа, т. е. повреждение в мутантном гене сохраняется, но он как бы восстанавливает свою функцию. Такое восстановление (полное или частичное) фенотипа, вопреки сохранению первоначального генетического повреждения (мутации), получило название супрессии, а обратные мутации называются супрессорными (внегенными). Как правило, супрессия происходит в результате мутаций генов, кодирующих синтез тРНК и рибосом.

Большинство генов довольно устойчивы к мутациям, однако известны гены, которые мутируют очень часто.

Спонтанные замены азотистых оснований возникают в ДНК в результате «ошибок», совершаемых ДНК-полимеразой и сопровождающихся неправильным спариванием оснований. Одно из объяснений этой «ошибочности» было дано Д. Уотсоном и Ф. Криком еще в 1953 г. и сводится к признанию в ошибочном спаривании роли аутомерных форм (структур, в которых протон перешел на место, противоположное обычной водородной связи) естественных основа-

ний. Следовательно, структурные основы для мутаций в виде замен оснований обеспечивают таутомеры естественных оснований.

Хромосомные мутации связаны с изменениями числа и структуры хромосом.

Изменения в числе хромосом определяются добавлением или уменьшением всего набора хромосом, ведущим к полиплоидии или гаплоидии (соответственно), а также добавлением или удалением одной или больше хромосом из набора, что ведет к гетероплоидии или анеуплоидии (моносомии, трисомии и другим полисомиям), тогда как изменения в структуре хромосом определяются перестройками (аберрациями) их структуры.

Полиплоидия — это хромосомная мутация в виде увеличения числа полных гаплоидных наборов хромосом. У полиплоидов каждая хромосома представлена более чем двумя гомологами. Известны триплоидия (3я), тетраплоидия (4n), пентаплоидия (5и) и т. д. Наиболее часто полиплоидия встречается у растений, поскольку для них характерны гермафродитизм и апомиксис. Почти третья часть всех видов диких цветковых растений это полиплоиды. Типичными являются полиплоиды различных видов пшениц, у которых соматические числа 2n — 14, 28 и 42 при основном гаметном числе n = 7. К полиплоидам относят картофель, табак, белый клевер, люцерну и другие растения. Родственные виды, наборы хромосом которых представляют ряд возрастающего увеличения (кратного) основного числа хромосом, составляют полиплоидные ряды.

Полиплоиды, происходящие от диплоидных организмов аналогичного вида, называют автополиплоидами. Искусственные полиплоиды, полученные из гибридов диплоидных растений, относящихся к далеко отстоящим друг от друга видам, называют аллополиплоидами. В природе встречаются как автополиплоиды, так и аллополиплоиды, однако географическое распределение полиплоидов обычно отличается от распределения их диплоидных «родственников». Например, флора острова Шпицберген содержит очень высокий процент полиплоидных рядов, тогда как в других местах количество их меньше по сравнению с диплоидами. Полиплоидия растений имеет хозяйственную ценность (увеличенный размер плодов, большая сахаристость, лучшая сохранность и др.).

У животных полиплоидия очень редка. Она встречается у земляных червей, размножающихся партеногенетически (обнаружены полиплоидные ряды с основными числами 11, 16, 17, 18 и 19 хромо-

сом), у некоторых членистоногих, рыб и земноводных. В частности, она описана у морских креветок. Женские особи саламандр отдельных видов, которые имеют крупные эритроциты с ядрами, продуцируют триплоидные личинки с 42 хромосомами, тогда как саламандры с малыми ядерными эритроцитами продуцируют диплоидные личинки с 28 хромосомами. Все тихоокеанские лососевые рыбы являются полиплоидами.

Сирийский хомячок (Mesocricetius awantus), у которого 2п = 44, является аллополиплоидом, возникшим в результате естественной гибридизации между европейским хомяком (Cricetus 2п = 22), и хомяком, принадлежащим к одному из азиатских видов (Cricetus griseus, 2п — 24).

Полиплоидия встречается также у человека в пренатальном периоде развития. В частности, известно много сообщений об обнаружении триплоидии и тетраплоидии в клетках абортусов. Имеющиеся данные позволяют считать, что триплоидия встречается у 20\% абортусов, а тетраплоидия — у 6\% абортусов.

Редкость полиплоидии у раздельнополых животных, по-видимому, определяется тем, что она нарушает нормальные соотношения аутосом и половых хромосом в зиготах.

Кроме авто- и аллополиплоидии в соматических клетках ряда многоклеточных организмов установлена эндополиплоидия, харак- теризующаяся увеличением числа хромосом в покоящемся ядре (при отсутствии митиза). От полиплоидии следует отличать псевдополиплоидию отдельных растений и насекомых, возникающую в результате однократного или многократного деления компонентов генома, когда центромеры имеют диффузный характер.

Гаплоидия — это мутация в виде уменьшения всего набора хро- мосом. Найдена в основном также у растений свыше 800 видов (пшеница, кукуруза и др.). У животных она очень редка, у человека неизвестна.

Мутацию в виде нарушений нормального количества хромосом из-за добавления или удаления одной или больше хромосом в какой-то хромосомной паре называют гетероплоидией или анеуплоидией. Среди гетероплоидов известны полисомии, когда какая-либо пара хромосом становится трипликатом или более моносомии, когда хромосомная пара теряет один гомолог, и нулесомии, когда теряется вся хромосомная пара. Эти мутации широко распространены как у животных, так и растений. В частности, трисомии и моносомии обнаружены у человека, собак и других животных, а также

у многих плодовых, зерновых и овощных растений. Часто трисомии, как и моносомии, обнаруживают в клетках абортусов.

Мутации, поражающую структуры хромосом, называют хромосомными перестройками или чаще аберрациями. Среди мутаций, затрагивающих структуры хромосом, различают делеции, дубликации, инверсии и транслокации (рис. 57).

Рис. 57. Хромосомные аберрации: 1 — нормальная хромосома; 2 — делеция; 3 — дубликации; 4 — гетерозиготные транслокации; 5 — гетерозиготные инверсии; 6 — гомозиготные транслокации; 7 — гомозиготные инверсии. Центромеры показаны крупными темными зонами

Делеции представляют собой потери сегмента хромосомы, несущего один или несколько генов. Они являются наиболее частой и опасной для человека формой генетических макроповреждений. Большие

делеции заключаются в потере одного или нескольких генов и даже блоков генов. У гаплоидных организмов крупные делеции летальны. Эффект делеции у диплоидных организмов зависит от числа деле- тированных генов, количественных потребностей в продуктах пораженных генов, позиции генов среди функционально координированных генных групп и др. В диплоидных клетках или в организмах, гомозиготных по данной делеции, последняя летальна.

Дубликации (добавления) представляют собой добавления (удлине- ния) какого-либо сегмента хромосомы, несущего один или несколько генов, в результате того, что один и тот же сегмент хромосомы может быть повторен несколько раз. Это повтор может быть малым, касаясь одиночного гена, или большим, затрагивая большое количество генов. Дубликации часто безвредны для их носителей. Предполагают, что они способствуют формированию полигенов или являются способом введения новых генов в геномы. Некоторые дубликации, одна- ко, вредны и даже летальны (см. гл. VIII).

Инверсии заключаются в поворотах на 180? сегментов, освобож- дающихся в результате парных разрывов в хромосомах. Если инвентированный сегмент не содержит центромеру, эту мутацию называют парацентрической инверсией, если же такой сегмент содержит центромеру, такую мутацию называют перицентрической. Инверсии оказывают влияние на мейоз, что приводит к пониженной фертильности гибридов. Описаны отдельные наследственные аномалии, вызываемые этой мутацией (см. гл. VIII).

Транслокация — это обмен частями (сегментами) гомологичной и негомологичной хромосом, образованными разрывами по длине последних. Транслоцируемые сегменты могут иметь разные размеры — от небольших до значительных.

В зависимости от происхождения различают спонтанные и индуцированные генные и хромосомные мутации.

Спонтанными называют генные и хромосомные мутации, возникающие в нормальных (природных) условиях, на первый взгляд, без видимых причин, тогда как индуцированными называют те мутации, которые возникают в результате экспонирования клеток (организмов) к мутагенным факторам.

Спонтанные мутации возникают самопроизвольно и имеют случайный (ненаправленный) характер во времени и пространстве. Наиболее существенная особенность этих мутаций заключается в том, что они, вероятно, возникают в условиях природного радио-

активного фона Земли (космическое излучение, радиоактивные элементы на поверхности Земли, радионуклиды, инкорпорированные в организмы) в результате нормальных процессов, протекающих в клетках, в частности, в результате ошибок репликации, когда ошибочно включается какой-либо нуклеотид и при этом имеется недостаток в «редактирующем» механизме, что исключает коррекцию ошибок. Ошибки могут быть связаны также с химической нестабильностью нуклеотидов. Например, цитозин может быть дезаминирован в урацил, который затем распознается как тимин в течение репликации ДНК. Их частоты у организмов всех видов исключительно малы. Определение частот спонтанных мутаций организмов разных видов основывается на данных о средних частотах мутаций по многим сайтам и должно отражать все изменения в последовательностях оснований ДНК в исследуемом генетическом районе. При этом средние мутационные частоты должны определяться измерением прямых мутаций в пределах разных генов, которые очень чувствительны к мутациям, независимо от того, являются ли условия для организмов ограничивающими или селективными.

Частоту спонтанных мутаций определяют сравнением клеток или популяций организмов, обработанных и необработанных мута- геном. Если частота мутации в популяции повышается в результате обработки мутагеном в 100 раз, то считают, что лишь один мутант в популяции будет спонтанным.

Определенные к настоящему времени частоты мутаций на репликацию пары оснований и общие частоты точечных мутаций у разных организмов показаны в табл. 15.

Одни гены устойчивы к мутации, другие спонтанно мутируют чаще, третьи — так часто, что их носители являются мозаиками мутированных и немутированных генов. Есть гены, которые влияют на способ- ность к мутациям других генов. Такие гены называют мутаторными.

Индуцированными являются те мутации, которые возникают после обработки клеток (организмов) мутагенными факторами — физическими, химическими и биологическими. Большинство этих факторов либо прямо реагирует с азотистыми основаниями в молекулах ДНК, либо включается в нуклеотидные последовательности.

Среди физических мутагенов различают ионизирующую радиацию и ультрафиолетовое изучение (УФ), входящие в ту часть электромагнитного спектра, который содержит волны более короткие и с большей энергией, чем видимый свет (ниже 0,1 нм).

Таблица 15. Частоты мутаций разных организмов

Организм	Количество пар оснований на геном	Частота мутаций на репликацию пары оснований	Общая частота мутаций
ФагТ4	1,8 ? 106	1,7 ? 10-3	3,0 ? 10-3
Е. coli	4,5 ? 106	2,0 ? 10-10	0,9 ? 10-3
N. crassa	4,5 ? 107	0,7 ? 10-11	2,9 ? 10-4
D. melanogaster	2,0 ? 108	7,0 ? 10-11	0,8

Ионизирующие излучения — это рентгеновское излучение (Х-лучи), протоны и нейтроны, а также α, β и γ-лучи, освобождаемые радиоактивными элементами изотопов (32Р, 14С, 3Н, кобальт-90 и др.). Они обладают высокой энергией и могут проникать в ткани, в которых сталкиваются с атомами и вызывают освобождение электронов, оставляя позитивно заряженные свободные радикалы или ионы. В свою очередь, эти ионы сталкиваются с другими молекулами, вызывая освобождение дальнейших электронов. Поэтому вдоль трека каждого высокоэнергетического луча формируется стержень ионов, проходящий в живые ткани.

Мутагенный эффект ионизирующей радиации вызывается повышенной реактивностью атомов, присутствующих в ДНК. Ионизирующие излучения индуцируют генные мутации (транзиции, трансверсии, делеции, включения), а также хромосомные разрывы, сопровождающиеся транслокациями и другими аберрациями. В случае острого облучения человека погибает большинство сперматогоний, но сперматоциты выживают, в результате чего в первые 6 недель после облучения происходит снижение фертильности, за которым следует бесплодие (2-3 месяца). Должна быть обеспечена защита в течение нескольких недель до и после зачатия.

Большую опасность представляют рентгенодиагностика и рентгенотерапия брюшной полости и области таза. Поэтому зачатие в течение нескольких недель до и после облучения должно быть исключено.

Для человека удваивающаяся доза ионизирующего излучения по генным мутациям составляет 1 грей, по хромосомным аберрациям (транслокациям) — 0,15 грея. Характерной особенностью ионизирующего излучения является также то, что для него отсутствует пороговость в дозе, а также то, что оно обладает коммулятивным эффектом.

Ультрафиолетовое излучение характеризуется меньшей энергией, проникает только через поверхностные слои клеток животных и растений и не вызывает ионизации тканей. Мутагенные эффекты УФ-излучения также вызываются повышенной реактивностью атомов, присутствующих в молекулах ДНК. Оно не опасно для половых клеток человека, так как поглощается кожей. УФ-излучение способствует образованию в клетках кожи тиминовых димеров, мутагенный эффект которых заключается в том, что они вызывают мутации не прямо, а нарушением точности репликации ДНК.

Химическими мутагенами являются органические и неорганические кислоты, щелочи, перекиси, соли металлов, этиленамины, формальдегиды, фенолы, акридиновые красители, алкилирующие соединения, аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований и др. В частности, известны аналоги оснований (5-бромурацил, 2-аминопурин), химические факторы которых изменяют структуру и спаривание оснований (азотистая кислота, нитрозогуанидин, метилметансульфат, этилметансульфанат, интеркалирующие агенты (акридин оранжевый, профлавин, этидиум бромид), агенты, изменяющие структуру ДНК (псорален, пероксиды) (форм. 9), Считают, что для действия химических мутагенов характерна пороговость. Одни химические мутагены действуют как на реплицирующуюся, так и покоющуюся ДНК, тогда как другие только на реплицирующуюся ДНК. Примером мутагенов, вызывающих изменения и в реплицирующейся, и в покоящейся ДНК, являются алкилирующие соединения (метилметансульфонат, этилметансульфонат, нитрозогуанидин) и азотистая кислота. К мутагенам, действующим на реплицирующуюся ДНК, относят аналоги азотистых оснований и акридиновые красители.

Многие химические мутагены нарушают мейоз, что приводит к нерасхождению хромосом, а также вызывают разрывы хромосом и генные мутации. Например, трипофлавин действует на все стадии развития половых клеток, нитрозогуанидин — перед мейозом, а тренинон — после мейоза.

Некоторые из химических немутагенных соединений становятся мутагенами, попав в организм, как, например, циклофосфамид.

Заслуживают внимания химические вещества, используемые в качестве лекарственных соединений. Так, после лечения алкили- рующими соединениями необходимо избегать зачатия в первые три месяца. Известны указания на мутагенность оральных химических

Формула 9

контрацептивов, а также некоторых соединений, входящих в косметические средства и в консерванты продуктов питания.

Биологическими мутагенами называются вирусы, которые вызывают хромосомные аберрации, а также транспозируемые генетиче- ские элементы, которые вызывают генные и хромосомные мутации.

В экспериментальной работе используют разные способы получения сайтонаправленных индуцированных мутаций. В частности, широко распространен мутагенез in vitro клонируемой ДНК. Для этого последнюю обрабатывают нуклеазами или химическими мутагенами. Кроме того, известны методы мутагенеза химически синтезируемой ДНК. Наконец, возможно получение в стволовых клетках хромосомных аберраций генно-инженерным методом.

От мутаций существенно отличается генетический импринтинг, при котором экспрессия гена зависит от родительского происхождения. Импринтинговые гены встречаются в районах хромосом с раз- личиями в аллелях. В отличие от мутаций генетический импринтинг изменяет регуляцию генов.

набора хромосом, ведущего к диплоидным гаметам. Нерасхождение у женщин отмечается в 80\% случаев, а у мужчин — в 20\% случаев, причем как в первом, так и во втором мейотическом делении.

Механизмы гетероплоидии связаны с разрывами хромосом или хроматид и заключаются в изменениях последовательности генных локусов на хромосомах. У человека трисомии объясняются нерасхождением хромосом как в первом, так и во втором мейотическом делении.

Молекулярные механизмы хромосомных мутаций нуждаются в дополнительных исследованиях.

Молекулярные механизмы генных мутаций заключаются в изменениях последовательности азотистых оснований в молекулах ДНК. Эти изменения происходят в результате замен, делеций (выпадений), включений и дупликаций оснований.

Изменения, связанные с заменой оснований, классифицируют на простые и перекрестные замены (табл. 16).

Таблица 16. Типы замен оснований

Исходное основание	Основание, занявшее место исходного	Тип замены
Пурин	Другой пурин	Простая замена (транзиция)
Пиримидин	Другой пиримидин	То же
Пурин	Любой пиримидин	Перекрестная замена (трансверсия)
Пиримидин	Любой пурин	То же

Простые замены, или транзиции, заключаются в замене пурина на пурин и наоборот, а в двухцепочечной молекуле ДНК-пары А-Т на пару Г-Ц и наоборот. Транзиции осуществляются при репликации ДНК без изменения ориентации пурин-пиримидин в двухцепочечной молекуле.

Перекрестные замены, или трансверсии, связаны заменой в ДНК пурина на пиримидин и наоборот. Замещающий пиримидин спа- ривается с пурином, так что в двухцепочечной молекуле ДНК оказывается пара пиримидин-пурин вместо пары пурин-пиримидин. Следовательно, трансверсии приводят к новым ориентациям пар пурин-пиримидин и заключаются в замене в двухцепочечной молекуле ДНК пары А-Т на пару Ц-Г и наоборот; пары А-Т на пару Т-А и наоборот; пары Т-А на пару Г-Ц и наоборот, а также пары Г-Ц на пару Ц-Г и наоборот.

Спонтанные замены азотистых оснований происходят очень редко. Например, в соответствии с существующими расчетами у человека за год случается около 10-20 спонтанных замен оснований, причем одна замена может быть повторена на каждые 10 000 генов лишь 50 раз на протяжении времени в 1 млн лет. Можно полагать, что такая чрезвычайно низкая частота замен оснований в ДНК присуща как животным (млекопитающим), так и человеку.

Основания ДНК подвержены спонтанным структурным изменениям, называемым таутомеризацией, которая способна существовать в двух формах; например, гуанин может находиться в кетоили энольной формах (форм. 10).

Спонтанные замены азотистых оснований возникают в ДНК в результате «ошибок», совершаемых ДНК-полимеразой, и сопро- вождаются неправильным спариванием оснований. Одно из объяснений этой «ошибочности» было дано Д. Уотсоном и Ф. Криком еще в 1953 г. Оно сводится к признанию в «ошибочном спаривании» роли таутомерных форм (структур, в которых протон перешел на место, противоположное водородной связи) естественных оснований. Следовательно, структурные основы для мутаций в виде замен оснований обеспечивают таутомеры естественных оснований.

Транзиции индуцируются азотистой кислотой, которая вызывает окислительное дезаминирование аденина, цитозина и гуанина, содержащих свободные аминогруппы, в гипоксантин, урацил и ксантин соответственно. Поскольку дезаминирование сопровождается переходом аминооснования в кетонооснование, гипоксантин, например, подобно гуанину, будет спариваться с цитозином, т. е. в результате дезаминирования аденина в гипоксантин пара А-Т перейдет в пару Г-Ц. В случае дезаминирования цитозина в урацил пара Г-Ц перейдет в пару А-Т (форм. 11). Транзиции индуцируются также алкилирующими соединениями. Например, этилметансульфонат алкилирует гуанин и освобождает от него ДНК без нарушения ее сахарофосфатного каркаса. Следовательно, гуанин может быть заменен любым основанием, и это ведет не только к транзициям, но и трансверсиям.

Наконец, транзиции вызываются мутагенами, действующими на ДНК только в состоянии репликации. Например, 5-бромура- цилом, который является аналогом тимина и способен включаться в ДНК посредством замещения тимина. Наряду с нормальной способностью 5-бромурацила спариваться с аденином иногда возникает состояние, когда он действует не как тимин, а как цитозин,

что обеспечивает формирование водородных связей его не с аденином, а с гуанином. Эти «ошибки» спаривания происходят либо при включении 5-бромурацила в ДНК («ошибки» включения), либо

при репликации ДНК после его включения («ошибки» репликации). Следовательно, время «ошибок» определяет характер транзиции. «Ошибки» спаривания, индуцируемые 5-бромурацилом, ведут к транзициям от пары Г-Ц к паре А-Т и наоборот (от А-Т к Г-Ц). Подобные транзиции индуцируются также 2-аминопурином.

.СН,

Формула 11

Замены оснований приводят к изменениям смысла кодонов, вследствие чего они приобретают способность кодировать другую аминокислоту (миссенс-мутации). Например, замена в триплете ГУА, содержащаяся в гене β-гемоглобина, урацила на аденин (трансверсия), сопровождается тем, что в цепи β-гемоглобина вместо валина оказывается глутаминовая кислота. Это ведет к превращению гемоглобина в новый вариант мутантного гемоглобина (например, типа Бристоль). В результате замен оснований возникают также нонсенсмутации, когда на измененных кодонах обрывается чтение информации гена (как правило, такими кодонами являются триплеты УАГ, УАА и УГА). Одновременно в результате замен образуются кодоны, сохраняющие исходный смысл.

Замены могут встречаться в интронах или в районах регуляции транскрипции, трансляции и сплайсинга.

Делеции и включения одного или нескольких азотистых оснований в нуклеотидных последовательностях ДНК могут быть ошиб- ками репликации ДНК или индуцироваться акридиновыми красителями. Такие изменения называют мутациями сдвига рамки, ибо они приводят к сдвигу «рамки чтения» кода гена. Включаясь между соседними основаниями, акридин оранжевый заставляет их «раздвигаться» на расстояние 6-8 А. Если акридин оранжевый присутствует в полинуклеотидной цепи-шаблоне, то результатом будет добавление основания в новую цепь в процессе репликации ДНК. Если же акридин оранжевый присутствует во время репликации, он может включиться в новую цепь вместо основания, маскируя противоположное основание в цепи-шаблоне, и затем выйти. Это приводит к тому, что вновь реплицированной цепи будет недоставать основания, т. е. она будет реплицирована с делецией по основанию. Делеции могут затрагивать несколько оснований. Например, делеции 15 нуклеотидов ведут к утрате в белке 5 аминокислот.

Дупликации (добавление) 1-2 оснований могут приводить также к мутациям со сдвигом «рамки чтения». Если дупликации происходят внутри гена, то «рамка считывания» кода нарушается на большом протяжении.

Особую форму молекулярных механизмов генных мутаций представляют повторы триплетных азотистых оснований. Наличие в молекулах ДНК повторов триплетов оснований сопровождается нарушениями нормального цикла репликации ДНКм аномальным синтезом белка (из-за повторов аминокислоты, кодируемой повторяющимся триплетом). Например, мутации гена, контролирующего белок хантингтон, недостаток которого у человека сопровождается болезнью Хантингтона, заключаются в резком увеличении повторов триплета ЦАГ.

Делеции и дупликации азотистых оснований представляют собой молекулярный механизм и мутации митохондриальной ДНК челове- ка. Установлено, что из мтДНК могут быть делетированы сегменты длиной около 5000 пар оснований.

Мутации могут изменять нормальный импринтинг. Импринтинг встречается во многих районах хромосом.