Генные мутации: понятие, виды и значение¶

Генные мутации — это изменения последовательности нуклеотидов в гене, приводящие к нарушению его структуры и, как правило, к изменению продукта гена (белка или РНК). Термин «мутация» (от лат. mutatio — изменение) ввёл в 1901 году голландский ботаник Хуго де Фриз. Генные мутации относятся к точечным (или геномным) изменениям и отличаются от хромосомных аберраций меньшим масштабом: они затрагивают от одного до нескольких пар нуклеотидов в пределах одного гена.

¶Классификация генных мутаций

Генные мутации классифицируют по нескольким признакам.

По характеру изменения нуклеотидной последовательности различают:

• Замещения (субституции) — замена одного нуклеотида на другой. Внутри триплета замещение одного нуклеотида называется трансверсией (заменой пиримидина на пурин или наоборот) или транзицией (заменой пуринового нуклеотида на другой пуриновый либо пиримидинового на другой пиримидиновый).
• Делеции — выпадение одного или нескольких нуклеотидов.
• Дупликации — удвоение участка гена.
• Вставки (инсерции) — внедрение дополнительных нуклеотидов в последовательность.
• Делеции и вставки, кратные трём, сохраняют рамку считывания, тогда как изменения, не кратные трём, приводят к сдвигу рамки (фреймшифту), нарушая считывание всех последующих кодонов.

По влиянию на фенотип генные мутации делят на:

• Нонсенс-мутации — замещение кодона аминокислоты на стоп-кодон, приводящее к преждевременному завершению синтеза белка.
• Миссенс-мутации — замещение кодона одного аминокислотного остатка на другой. Могут быть консервативными (замена аминокислоты со сходными свойствами) и неконсервативными.
• Молчаливые (синонимичные) мутации — замещения нуклеотидов, не меняющие кодируемую аминокислоту в связи с избыточностью генетического кода.
• Сплайс-мутации — изменения в сайтах сплайсинга, нарушающие процессинг пре-мРНК.

¶Причины возникновения

Источники мутагенеза делятся на внешние (экзогенные) и внутренние (эндогенные).

К экзогенным факторам относятся:

• физические агенты: ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение, высокие температуры;
• химические вещества: алкилирующие агенты (например, нитрозомочевина), интеркаляторы (бромистый этидий, акрихин), аналоги оснований (5-бромурацил, 2-аминопурин);
• биологические агенты: некоторые вирусы, транспозоны.

К эндогенным факторам относят ошибки репликации ДНК (в среднем у человека возникает около 1–2 новых мутаций на геном за поколение в половых клетках), таутомеризацию оснований, действие реактивных форм кислорода, а также нарушения работы системы репарации ДНК. У человека выявлено более 170 генов, продукты которых участвуют в репарации; мутации в этих генах повышают общую частоту мутагенеза.

¶Последствия мутаций

Влияние мутации на функцию гена зависит от её локализации и характера. Мутации в кодирующей области могут приводить к синтезу неактивного белка, изменению его аффинности, нарушению локализации. Мутации в регуляторных элементах (промотор, энхансер) изменяют уровень и тканеспецифичность экспрессии гена. Мутации в интронах и сайтах сплайсинга нарушают образование зрелой мРНК.

По влиянию на фенотип различают:

• вредные (патогенные) мутации, снижающие приспособленность организма;
• нейтральные, не оказывающие заметного эффекта;
• полезные, увеличивающие приспособленность в определённых условиях.

Примером полезной мутации у человека служит аллель Δ32 гена CCR5, обеспечивающая устойчивость к ВИЧ-инфекции у гомозигот. Мутация LCT, сохранившая активность лактазы во взрослом возрасте, распространилась среди популяций, связанных с скотоводством.

¶Мутации и заболевания

Значительная часть генных мутаций у человека ассоциирована с наследственными заболеваниями. По данным базы OMIM, описано более 6000 моногенных (Менделевых) болезней. К числу наиболее изученных относятся:

• серповидноклеточная анемия — миссенс-мутация в гене бета-глобина (HBB), приводящая к замене глутаминовой кислоты на валин;
• муковисцидоз — более 2000 известных мутаций в гене CFTR, чаще всего ΔF508 ( делеция трёх нуклеотидов);
• фенилкетонурия — дефект гена фенилаланингидроксилазы (PAH);
• хорея Гентингтона — экспансия тринуклеотидного повтора CAG в гене HTT.

Генные мутации также лежат в основе спорадических онкологических заболеваний: активирующие мутации в онкогенах (KRAS, BRAF, EGFR) и инактивирующие мутации в генах-супрессорах опухолей (TP53, RB1) являются ключевыми событиями канцерогенеза.

¶Мутационный процесс в эволюции

Мутации являются основным источником наследственной изменчивости и движущей силой эволюции. По оценкам генетиков, средняя скорость накопления нейтральных мутаций у млекопитающих составляет около 2×10⁻⁹ замещений на нуклеотид за год. Анализ мутационного спектра позволяет реконструировать филогенез видов и оценивать время расхождения линий (молекулярные часы).

¶Мутагенез и медицина

Проблема генных мутаций приобрела практическое значение в контексте фармакогенетики: полиморфизмы генов, кодирующих ферменты метаболизма лекарств (CYP2D6, CYP2C19), определяют индивидуальный ответ пациента на препараты. Метод генного редактирования CRISPR-Cas9, разработанный в 2012 году, позволяет вносить направленные изменения в последовательность ДНК и применяется в экспериментальной терапии наследственных заболеваний (например, серповидноклеточной анемии и бета-талассемии).

¶Историческая справка

Первые генные мутации у дрозофилы описал Томас Хант Морган в 1910-х годах (белоглазая мутация). В 1949 году Линус Полинг показал молекулярную природу серповидноклеточной анемии, связав её с изменением свойств гемоглобина. В 1941 году Джордж Бидл и Эдвард Тейтем сформулировали гипотезу «один ген — один фермент», установив взаимосвязь генных мутаций и биохимических дефектов.

Источники:

• Воронцов Н. П. Медицинская генетика. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015.
• Пирогов В. Н., Шестакова М. В. Молекулярная биология. — М.: ГЭОТАР-Медиа.
• Alberts B. et al. Molecular Biology of the Cell. — Garland Science, 2015.
• Landrum M. J. et al. ClinVar: improving knowledge about genomic variants // Nucleic Acids Research. — 2016.
• OMIM — Online Mendelian Inheritance in Man (omim.org).