какого-либо фермента вред для организма может проистекать, 1) от недостатка конечного продукта, образующегося прн участии данного фермента, н 2) от накопления его субстрата. Нехватка конечного или промежу-. точного продукта сказывается в том случае, когда ферменты какого-то анабос лического пути (гл. 4) не способны синтезировать важные вещества, например, жизненно необходимые аминокислоты. При накоплении субстрата он сам или, образующиеся из него вредные побочные продукты могут вызывать заболе;-. вание.

300 Глава 10

Наследственные изменения 301

Мутантный аллель а.

Щтонтшй аллель о2

\

Фермент а>

S ! - Р

Мутантный аллель а,

Фермент rtj

Фермент ос

S -—*~Р

Фермент а,

S —Ц—»-К

Рис. 10.4. Эффекты мутаций в гене а+. Мутант а, без ферментативной активности, мутант а2 с пониженной н мутант as с повышенной ферментативной активностью. S — субстрат; Р — конечный продукт.

Накопление вредных продуктов из-за генетической блокады того или иного пути метаболизма служит причиной многих наследственных болезней человека, например феннлкетонурии. У здоровых людей фенилаланин превращается в тирозин с помощью фермента фенилаланиигидроксилазы и прн участии других ферментов расщепляется до С02 и НгО. У больных ген, содержащий информацию для синтеза фенилаланиигидроксилазы, изменен. Фенилаланин накапливается, направляется на побочный путь обмена и превращается в феиил-пнровиноградную кислоту и другие вещества. Последние повреждают нервные клетки, и это приводит к тяжелой форме слабоумия. Фенилкетонурия — одна из немногих наследственных болезней, при которых фенотнпические проявления можно существенно уменьшить. Так как фенилаланин в нашем организме не синтезируется, мы должны получать эту аминокислоту с пищей. Накопление ее можно предотвратить, соблюдая диету с минимальным содержанием фенил-алаиина. В результате достигается фенотипическое излечение, прн котором, однако, сам ген не изменяется; мутантный аллель от таких больных передается по наследству (10.2.1.1).

10.1.3.4. Возникновение генных мутаций. Индуцировать генные мутации могут ультрафиолетовые лучи, ионизирующие излучения и химические мутагены.

Из химических мутагенов чаще всего применяют алкилирующне агенты, механизм действия которых хорошо изучен. К ним относятся: этилметансуль-фонат, нитрозогуанидииовые соединения, аналоги оснований, такие как бром-урацил и 2-амннопурин, а также азотистая кислота и гидроксиламин. Мутации со сдвигом рамки индуцируются акридином. Процессы, ведущие к мутациям, чаще всего очень сложны, в разных случаях различны н еще не выяснены во всех деталях даже для наиболее эффективных и чаще всего применяемых мутагенов.

Только в немногих случаях мутании реализуются сразу же после воздействия физического или химического мутагена. Например, замена одного основания другим в ДНК или РНК редко происходит в один этап. Нередко мутагенный фактор сначала вызывает повреждения в ДНК (рис. 10.5). Повышенная частота этих повреждений блокирует репликацию ДНК, а тем самым и деление ядра и клетки. Однако часть повреждений устраняется в результате репаративных процессов (10.1.3.5). При безошибочной репарации вновь восстанавливается нормальное исходное состояние, тогда как вкравшаяся ошибка при

CsG / I Tx А

репарации может, например, привести к замене , .

основания. При наших gsc

современных знаниях Замена. I i.

основания у U \ч ,

МОЖНО предположить СЛе- I l Дииер I » I

дующие пути возникнове- \ ^

ния генных мутаций: т=/? ^ = 9

а) одно основание д=т д=т

Превращается В Другое Вставка Д/ | II

/ г яС основания \Д=Т bN С

(Замена ОСНОВаНИЙ); | | Перекрестная I ч>

А=Т

б) ДНК изменяется так, что начинается про- т=а разрыв одной А=Т

цепи

C = G

II II

G=C Разрыв обеих С = G

1 1 цепей Q

I _ G = C I I

цесс ее репарации, при Вюадеше с котором включается «не основания \ то» основание;

в) несоответствующий нуклеотид включается в результате ошибки репликации.

Все мутагены вызываРис. 10.5. Изменения в ДНК, которые могут вести к мутациям. (По Bohme, Adler.)

ют повреждения нескольких типов. Примером «прямого» возникновения

мутаций может служить действие азотистой кислоты (АК). Сначала цитозин дезаминируется в урацил (ср. рис. 2.6), например,

ССС АК CUC Репликация CUC Репликация СТС

О<К5(ПРОЛТ) —- ggg днк ' gag д!нГ* gag

В результате пара C-G заменяется на Т-А. Кроме этого, азотистая кислота вызывает в ДНК повреждения, которые только после репарации становятся мутациями.

Мутации возникают с частотой 10~5—Ю-10 (на один ген). С такой же частотой некоторые из мутантов могут снова превращаться в дикий тип. Либо возникшее изменение устраняется в результате истинной обратной мутации, либо признак дикого типа восстанавливается вследствие второй, так называемой супрессорной, мутации.

Возникновение мутаций при репликации зависит от частоты ошибок при включении комплементарных нуклеотидов ДНК-полимеразой. Такие мутации встречаются очень редко, так как почти всегда включаются те нуклеотиды, которые нужны, и правильность присоединения последнего нуклеотида каждый раз контролируется 3'—>-5'-экзонуклеазной активностью полнмеразы (6.1).

302 Глава 10

Наследственные изменения 303

10.1.3.5. Репаративные процессы. В интактных клетках существуют различные «ремонтные» системы, устраняющие повреждения, вызванные облучением или химическими мутагенами. Различают фотореактивацию, эксцизионную репарацию и постре-пликативную репарацию.

Лучше всего изучена репарация повреждений, вызванных ультрафиолетовыми лучами (репарация других повреждений частично происходит аналогичным образом). При облучении ультрафиолетом между соседними пиримидиновыми основаниями одной цепи возникают димеры, чаще всего димер Т-Т, т. е. вместо водородных связей между Т и А двух нуклеотидных цепей образуются связи Т-Т внутри одной цепи (рис. 10.6).

Фотореактивация происходит при воздействии видимого света. При этом репаративный фермент разделяет димер на мономеры и опять восстанавливает водородные связи Т-А между комплементарными цепями.

Эксцизионная и пострепликативная репарация не зависит от света, и поэтому ее называют также темновой репарацией.

При эксцизионной репарации (лат. excisio — вырезание; рис. 10.6) вырезается поврежденный участок ДНК. Сначала эндонуклеаза разрезает одну цепь. Следующий фермент — экзо-нуклеаза — удаляет измененную часть, а ДНК-полимераза вновь синтезирует в направлении 5'—>-3' недостающий участок, комплементарный к антипараллельной цепи ДНК. [Обе ступени могут катализироваться одним ферментом, например у Escherichia coli — полимеразой Корнберга (полимеразой 1).] И наконец, свободные концы старой части цепи соединяются с концами вновь синтезированного участка при помощи лигазы. Фотореактивация и описанная здесь эксцизионная репарация коротких участков ДНК протекают без ошибок и, следовательно, не ведут к мутациям.

Если димеры не будут устранены, то соответствующие основания не смогут выполнять роль матрицы и в этих местах во вновь синтезированной цепи ДНК окажутся пропуски. Путем рекомбинации между двумя двойными цепями ДНК — продуктами репликации — возможно образование одной нормальной двойной цепи (пострепликативная репарация) (ср. рис. 10.2.2). Когда после репликации в результате такой рекомбинации получается новая интактная двойная спираль ДНК, процесс репарации тоже не ведет к появлению ошибок. Если повреждения лежат так тесно друг возле друга, что пропуски перекрываются, тогда для заполнения пропусков используется другая «ремонтная» система (SOS-репарация), способная синтезировать новую цепь ДНК и на дефектной матрице. При этом новые основания включаются таким образом, что могут возникнуть мутации (рис. 10.6).

10.1.3.6. Значение генных мутаций. Большинство мутантов уступают дикому типу в приспособленности, менее жизнеспособны и поэтому отсеиваются в процессе отбора. Для селекции и эволюции большое значение имеют сравнительно редкие мутанты с благоприятными или нейтральными изменениями (11.2.3.1). Селекционер имеет возможность отбирать в популяции подходящие для его целей мутантные формы. Чтобы иметь достаточное число мутантов, можно с помощью мутагенов повышать частоту мутаций до 10~2.

Человек, напротив, должен оберегать себя от неблагоприятных изменений, к которым могут приводить мутации. Каждая мутация, затрагивающая ткань, из которой образуются половые клетки, будет передаваться последующим поколениям.

304 Глава 10

Наследственные изменения 305Как можно ограничить появление мутаций у людей? Для этого нужно уменьшить воздействие внешних мутагенных факторов. Например, следует избегать нзлншинх рёнтгенодиагностнческнх процедур, соблюдать меры защиты от облучения, избегать злоупотребления лекарствами, возбуждающими средствами н наркотиками в детском н репродуктивном возрасте. Рождение детей должно приходиться по возможности на тот период жпзии родителей, когда вероятность мутаций меньше. Мутации чаще встречаются у детей очень юных и пожилых родителей, средняя частота мутаций начинает повышаться с 30— 35 лет жизни.

Частоту мутаций чаще всего недооценивают, так как онн почти всегда проявляются не в том поколении, в котором возникли, а только у потомков (10.2.1.1). Нередко мутация затрагивает всего лишь одну соматическую клетку нлн — в случае активно делящихся клеток — больший или меньший сектор ткани. Прн мутировании половых клеток дефект обычно может быть замечен только тогда, когда в зиготе объединяются два одинаковых мутантных аллеля (в основном при родственных браках).

В медицине большое значение имеет появление резистентных мутантов у бактерий; с ними трудно эффективно бороться прн помощи антибиотиков.

меньшей мере с двумя геномами, различающимися по аллелям одного или нескольких генов. Такие организмы называют помесями или гибридами. У прокариот после переноса генов клетки оказываются диплоидными только по одному ге