Генные мутации: замены, вставки, выпадения и их последствия

В 1910 г. чикагский врач Джеймс Херрик рассматривал под микроскопом кровь студента-стоматолога с острова Гренада, страдавшего от приступов боли и анемии. Среди обычных круглых эритроцитов он увидел странные вытянутые клетки, похожие на серп. Через 39 лет Лайнус Полинг показал, что гемоглобин таких больных отличается от нормального по электрическому заряду, и назвал серповидноклеточную анемию «молекулярной болезнью». А ещё через семь лет Вернон Ингрэм установил, что вся разница — в одной аминокислоте из 146 в цепи белка. Позже выяснилось, что причина — замена одного нуклеотида в гене. Так одна буква в генетическом тексте определяет судьбу человека — это генная мутация.

Это седьмая статья серии «Изменчивость: генотип, среда и мутации» (предыдущая — «Мутационная изменчивость: мутационная теория и классификации мутаций»). В ней разобраны виды генных мутаций — замены, вставки и выпадения нуклеотидов, — их последствия для белка (синонимичные, миссенс-, нонсенс-мутации, сдвиг рамки считывания), серповидноклеточная анемия и другие болезни, мутации регуляторных участков и сплайсинга, экспансия повторов, причины генных мутаций и задачи линии 27 ЕГЭ с мутациями.

• 1. Что такое генная мутация
• 2. Виды генных мутаций по изменению ДНК
• 3. Последствия замен для белка
• 4. Сдвиг рамки считывания
• 5. Серповидноклеточная анемия: история одной замены
• 6. Один ген — много болезней: гемоглобины и талассемии
• 7. Другие генные мутации у человека
• 8. Мутации вне кодирующей части гена
• 9. От мутации к признаку: «врождённые ошибки обмена»
• 10. Экспансия повторов и антиципация
• 11. Горячие точки мутаций
• 12. Как возникают генные мутации
• 13. Генетический код защищает от мутаций
• 14. Как пользоваться таблицей генетического кода
• 15. Генные мутации в задачах линии 27
• 16. Генные мутации у микроорганизмов
• 17. Генные мутации у растений: от сладкой кукурузы до устойчивости к гербицидам
• 18. Генные мутации и эволюция: молекулярные часы
• 19. Генные мутации, которые изучал Мендель
• 20. Генные мутации у домашних животных
• 21. Генные мутации в опухолях
• 22. Как находят генные мутации у человека
• 23. Сколько носителей мутации в популяции
• 24. Как наследуются болезни, вызванные генными мутациями
• 25. Генные мутации и лекарства
• 26. Генные мутации на заказ: редактирование генома
• 27. Итог: что важно знать
• 28. Частые ошибки
• 29. Интересные факты
• 30. Частые вопросы
• 31. ЕГЭ
• 32. Для олимпиад
• 33. Задания с разбором
• Литература

1. Что такое генная мутация

Генные мутации — самый частый вид мутаций. Они не видны в световой микроскоп: хромосома с генной мутацией выглядит так же, как нормальная. Обнаружить их можно по изменению признака, по изменению белка (его подвижности, активности) или прямым чтением последовательности ДНК.

Чтобы понять, как генная мутация меняет признак, вспомним цепочку реализации наследственной информации: ДНК → иРНК → белок → признак. Ген в ДНК служит матрицей для синтеза иРНК (транскрипция), иРНК — матрицей для синтеза белка на рибосомах (трансляция), причём каждую аминокислоту кодирует триплет нуклеотидов — кодон. Если в гене изменился нуклеотид, изменится и кодон иРНК, а значит, возможно, и аминокислота в белке. Изменённый белок может работать хуже, не работать вовсе или работать иначе — и признак изменится. Подробно этот путь разобран в статьях «Матричный синтез: реализация наследственной информации» и «Генетический код и его свойства».

2. Виды генных мутаций по изменению ДНК

По тому, что именно происходит с нуклеотидами, генные мутации делят на несколько типов.

Замены нуклеотидов делят ещё на два вида. Транзиции — замена пурина на пурин (А ↔ Г) или пиримидина на пиримидин (Ц ↔ Т); они встречаются чаще, потому что такие основания похожи по строению. Трансверсии — замена пурина на пиримидин или наоборот (А ↔ Т, А ↔ Ц, Г ↔ Т, Г ↔ Ц). Хотя трансверсий возможно вдвое больше, у человека транзиции происходят примерно в два раза чаще трансверсий.

Важно помнить, что ДНК двуцепочечная: если в одной цепи заменился нуклеотид, то после репликации заменится и комплементарный нуклеотид другой цепи. Пара Г–Ц превращается в пару А–Т, пара А–Т — в пару Ц–Г и так далее. В задачах обычно рассматривают изменение в одной (смысловой или транскрибируемой) цепи, но надо понимать, что после копирования изменение затрагивает пару.

3. Последствия замен для белка

Что произойдёт с белком, если в кодирующей части гена заменился один нуклеотид? Это зависит от того, во что превратится кодон. Возможны четыре исхода.

Синонимичные мутации возможны благодаря вырожденности генетического кода: большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами, которые часто различаются только третьим нуклеотидом. Поэтому замена третьего нуклеотида кодона нередко ничего не меняет в белке. Такие мутации считают нейтральными, хотя иногда они влияют на скорость трансляции или сплайсинг.

Миссенс-мутации различаются по тяжести. Если новая аминокислота похожа на старую по свойствам (например, лейцин на изолейцин — обе гидрофобные) и находится не в активном центре белка, функция может почти не измениться. Если же заряженная аминокислота заменяется гидрофобной в важном месте, белок может потерять функцию или приобрести вредные свойства, как гемоглобин при серповидноклеточной анемии.

Нонсенс-мутации обычно тяжелее: белок обрывается на середине. Более того, у эукариот иРНК с преждевременным стоп-кодоном часто разрушается клеткой, и белок не образуется вовсе. Многие случаи миопатии Дюшенна, муковисцидоза, β-талассемии вызваны именно нонсенс-мутациями.

4. Сдвиг рамки считывания

Генетический код читается триплетами подряд, без промежутков, начиная со стартового кодона. Если в гене выпадет или вставится один нуклеотид (или любое число, не кратное трём), все следующие триплеты сдвинутся — это мутация со сдвигом рамки считывания.

Смысл сдвига удобно показать на фразе из трёхбуквенных слов. Пусть ген — это фраза «БЫЛ КОТ СЕР ТИХ МИЛ». Если выпадет первая буква «Б», чтение тройками с того же места даст «ЫЛК ОТС ЕРТ ИХМ ИЛ…» — бессмыслица. Если вставить лишнюю букву, тоже получится бессмыслица. А если выпадут сразу три соседние буквы — целое слово «КОТ», — фраза «БЫЛ СЕР ТИХ МИЛ» останется осмысленной, только без одного слова.

В белке при сдвиге рамки все аминокислоты после места мутации оказываются другими, и вскоре в новой рамке случайно встречается стоп-кодон — белок обрывается. Поэтому вставки и выпадения одного-двух нуклеотидов в кодирующей части почти всегда полностью выключают ген. Выпадение или вставка трёх нуклеотидов (или кратного трём числа) рамку не сдвигает: из белка выпадает (или в него добавляется) одна аминокислота. Так устроена самая частая мутация при муковисцидозе: выпадение трёх нуклеотидов, кодирующих фенилаланин в 508-м положении белка CFTR [1].

Именно мутации со сдвигом рамки помогли доказать, что код триплетный. В 1961 г. Фрэнсис Крик, Сидней Бреннер и их коллеги получали у бактериофага T4 мутации с вставкой или выпадением нуклеотида в одном гене [2]. Одна вставка (+) выключала ген, две (++) — тоже, а три вставки (+++) рядом друг с другом восстанавливали его работу: рамка сдвигалась на целый триплет и возвращалась на место. Так же действовало сочетание вставки и выпадения (+ −). Отсюда следовало, что код читается тройками подряд, без запятых.

5. Серповидноклеточная анемия: история одной замены

Серповидноклеточная анемия — классический пример генной мутации и её последствий на всех уровнях: от нуклеотида до организма и популяции.

Уровень ДНК. В гене β-цепи гемоглобина (HBB) в шестом кодоне вместо триплета ГАГ стоит ГТГ — замена аденина на тимин (трансверсия).

Уровень иРНК и белка. Кодон иРНК ГАГ, кодировавший глутаминовую кислоту, превращается в ГУГ, кодирующий валин. В β-цепи из 146 аминокислот одна заряженная (глутаминовая кислота) заменена незаряженной гидрофобной (валином). Ингрэм в 1956 г. показал это, разделив фрагменты белка нормального и серповидного гемоглобина: они различались единственным пептидом [3]. Это было первое доказательство того, что мутация меняет одну аминокислоту в белке.

Уровень молекулы. На поверхности гемоглобина S (от англ. sickle — серп) появляется гидрофобный «липкий» участок. Когда гемоглобин отдаёт кислород, его молекулы слипаются друг с другом и образуют длинные жёсткие волокна. Полинг с коллегами ещё в 1949 г. показали, что гемоглобин больных движется в электрическом поле иначе, чем нормальный, — у него другой заряд [4].

Уровень клетки. Волокна гемоглобина деформируют эритроцит, и он приобретает форму серпа (на рисунке — клетка 2, рядом с нормальными дисковидными эритроцитами, клетка 1). Серповидные клетки жёсткие, плохо проходят через капилляры и быстро разрушаются. В мазке крови видны также лейкоциты (клетка 3 — нейтрофил с сегментированным ядром) и тромбоциты (4).

Уровень организма. Закупорка мелких сосудов вызывает приступы сильной боли, повреждение органов (селезёнки, почек, мозга), а быстрое разрушение эритроцитов — анемию. У гомозигот HbS/HbS (их обозначают SS) болезнь тяжёлая; без лечения многие больные погибали в детстве.

Уровень популяции. Удивительно, но в некоторых районах Африки до 20–30 % людей — гетерозиготы (AS). Объяснение нашёл английский врач Энтони Аллисон в 1954 г.: гетерозиготы гораздо реже погибают от тропической малярии [5]. Плазмодий хуже развивается в их эритроцитах, а заражённые эритроциты быстрее удаляются. В районах малярии гетерозиготы выживают лучше обеих гомозигот — и больных анемией, и восприимчивых к малярии. Отбор поддерживает оба аллеля: это пример сбалансированного полиморфизма.

С точки зрения доминирования мутация интересна тем, что по разным признакам ведёт себя по-разному. По анемии она рецессивна (гетерозиготы обычно здоровы), по форме эритроцитов в условиях недостатка кислорода — неполностью доминантна (у гетерозигот часть клеток серповидна), по типу гемоглобина — кодоминантна (у гетерозигот есть оба белка, A и S), по устойчивости к малярии — доминантна.

6. Один ген — много болезней: гемоглобины и талассемии

Ген β-глобина — один из самых изученных генов человека. В нём описаны сотни мутаций, и они хорошо показывают, как разные генные мутации одного гена дают разные последствия.

• Гемоглобин S — замена глутаминовой кислоты на валин в 6-м положении: серповидноклеточная анемия.
• Гемоглобин C — замена той же глутаминовой кислоты в том же положении, но на лизин (другая замена в том же кодоне: ГАГ → ААГ). Гемоглобин C образует кристаллы, но не волокна; болезнь у гомозигот протекает гораздо легче. Это хороший пример того, что важно не только место замены, но и то, какая аминокислота появилась.
• Гемоглобин E — замена в 26-м положении; она не только меняет аминокислоту, но и создаёт новый сигнал сплайсинга, из-за чего часть иРНК сплайсируется неправильно и белка образуется меньше. Широко распространён в Юго-Восточной Азии.
• β-талассемии — мутации, снижающие количество β-глобина или полностью его выключающие: нонсенс-мутации, сдвиги рамки, мутации сплайсинга и промотора. Без β-цепей не образуется нормальный гемоглобин, избыток α-цепей повреждает эритроциты. Тяжёлая форма (большая талассемия) требует регулярных переливаний крови.

И гемоглобин S, и гемоглобины C и E, и талассемии распространены в районах, где была или есть малярия, — во всех случаях гетерозиготы в той или иной мере устойчивы к ней. Так один фактор отбора поддерживает в популяциях разные мутации одного гена.

Мутации одного гена могут давать и совсем разные болезни. Мутации гена FGFR3 вызывают и ахондроплазию, и более тяжёлую летальную карликовость, и лёгкую гипохондроплазию — в зависимости от того, какая аминокислота и как сильно меняет активность рецептора.

7. Другие генные мутации у человека

• Муковисцидоз. Мутации гена CFTR, кодирующего белок-канал для ионов хлора в мембранах клеток эпителия. Самая частая мутация — выпадение трёх нуклеотидов (одна аминокислота в белке), из-за которого белок неправильно сворачивается и не доходит до мембраны. Слизь в бронхах, протоках поджелудочной железы становится густой и вязкой. Наследуется рецессивно; описано более двух тысяч вариантов гена.
• Фенилкетонурия. Сотни разных мутаций гена фенилаланингидроксилазы — замены, выпадения, мутации сплайсинга; у большинства больных две разные мутации в двух копиях гена.
• Ахондроплазия — самая частая форма наследственной карликовости. Почти у всех больных одна и та же замена нуклеотида в гене рецептора фактора роста фибробластов FGFR3 (глицин в 380-м положении заменён на аргинин) [6]. Рецептор становится постоянно активным и подавляет рост костей в длину — мутация «приобретения функции», поэтому доминантная. Около 80 % больных рождается у здоровых родителей: мутация возникает заново, чаще в сперматогенезе пожилых отцов.
• Миодистрофия Дюшенна. Мутации гигантского гена дистрофина в X-хромосоме (это один из самых длинных генов человека — около 2,2 миллиона пар нуклеотидов); часто это выпадения целых участков гена со сдвигом рамки. Белок, укрепляющий мембрану мышечных волокон, не образуется, и мышцы постепенно разрушаются.
• Альбинизм. Мутации гена тирозиназы (или других генов синтеза меланина); фермент не работает, пигмент не образуется.
• Гемофилия. Мутации генов факторов свёртывания VIII (гемофилия A) или IX (гемофилия B) в X-хромосоме.

Эти примеры показывают ещё одну закономерность. Мутации, выключающие ген фермента, обычно рецессивны (фенилкетонурия, альбинизм): у гетерозиготы одной работающей копии хватает. Мутации, при которых белок приобретает новую вредную активность или мешает нормальному, — доминантны (ахондроплазия, болезнь Гентингтона).

8. Мутации вне кодирующей части гена

Ген эукариот — это не только участок, кодирующий аминокислоты. В нём есть промотор, с которого начинается транскрипция, регуляторные участки, усиливающие или ослабляющие работу гена, интроны, которые вырезаются из иРНК при сплайсинге, и нетранслируемые концы иРНК. Мутации во всех этих участках тоже бывают генными и тоже могут менять признак.

• Мутации промотора и регуляторных участков меняют количество белка, а не его строение. Например, мутация в регуляторном участке перед геном лактазы сохраняет его работу у взрослых и позволяет переваривать молоко всю жизнь. Мутации в промоторе гена β-глобина снижают синтез белка и вызывают лёгкие формы β-талассемии.
• Мутации сплайсинга. На границах интронов есть короткие последовательности-сигналы, по которым клетка узнаёт, где резать иРНК. Если такой сигнал испорчен, интрон может остаться в иРНК или, наоборот, вырежется кусок экзона. Белок получается неправильным. Многие формы β-талассемии вызваны именно мутациями сплайсинга.
• Мутации в интронах вдали от границ обычно нейтральны, но иногда создают новые сигналы сплайсинга.
• Мутации стартового кодона (АУГ) мешают началу трансляции, и белок не синтезируется.

Отсюда важное следствие: не всякая мутация в ДНК «видна» в последовательности белка. Белок может быть совершенно нормальным, но синтезироваться в недостаточном количестве, не в той ткани или не в то время.

9. От мутации к признаку: «врождённые ошибки обмена»

Первым связь гена с химическими реакциями в клетке увидел английский врач Арчибальд Гаррод. В 1902 г. он изучал алкаптонурию — редкую болезнь, при которой моча больных темнеет на воздухе [7]. Гаррод заметил, что болезнь часто встречается у детей двоюродных братьев и сестёр и наследуется как рецессивный менделевский признак. Он предположил, что у больных не работает какой-то фермент, разрушающий вещество гомогентизиновую кислоту, и она выводится с мочой. Гаррод назвал такие болезни «врождёнными ошибками обмена веществ». Его идеи на 40 лет опередили формулу Бидла и Тейтема «один ген — один фермент».

Сегодня известна целая цепочка превращений аминокислоты фенилаланина, и генные мутации на разных её этапах дают разные болезни:

• фенилаланин → тирозин (фермент фенилаланингидроксилаза): нарушение — фенилкетонурия, накапливается фенилаланин, страдает мозг;
• тирозин → меланин (фермент тирозиназа и др.): нарушение — альбинизм, нет пигмента;
• тирозин → … → гомогентизиновая кислота → далее до углекислого газа и воды: нарушение последнего этапа — алкаптонурия, тёмная моча, поражение суставов в пожилом возрасте.

Эта схема помогает понять, почему один и тот же путь синтеза может нарушаться мутациями разных генов и почему при фенилкетонурии больные часто светлее родственников: тирозина, из которого образуется меланин, у них меньше.

10. Экспансия повторов и антиципация

Особый вид генных мутаций открыли только в 1990-е гг. В некоторых генах есть участки, где короткий триплет повторяется много раз подряд, например ЦАГ ЦАГ ЦАГ… У здоровых людей число повторов невелико и стабильно. Но иногда при копировании ДНК фермент «проскальзывает», и число повторов увеличивается. Если оно превысит порог, ген начинает работать неправильно. Такие мутации называют экспансией (увеличением числа) повторов.

• Болезнь Гентингтона. В гене HTT у здоровых людей 10–35 повторов ЦАГ, кодирующих цепочку из остатков глутамина; при 40 и более повторах развивается тяжёлое поражение нервной системы, обычно в 35–45 лет [8]. Белок с длинной полиглутаминовой цепочкой слипается в нейронах и убивает их. Наследуется доминантно.
• Синдром ломкой X-хромосомы — одна из самых частых наследственных причин умственной отсталости у мальчиков. В гене FMR1 повтор ЦГГ в нетранслируемой части; при числе повторов больше 200 участок сильно метилируется, и ген замолкает. Под микроскопом в этом месте X-хромосомы видна «ломкость» — сужение.
• Миотоническая дистрофия, некоторые атаксии и ещё несколько десятков болезней.

Для таких болезней характерна антиципация: в ряду поколений болезнь проявляется всё раньше и тяжелее. Причина — нестабильность повтора: при передаче от родителя к ребёнку число повторов часто увеличивается. Долгое время врачи не верили в антиципацию, считая её кажущейся, — пока не нашли её молекулярный механизм. Экспансия повторов — пример того, что генная мутация может быть «динамической», постепенно нарастающей от поколения к поколению.

11. Горячие точки мутаций

Мутации возникают в гене не равномерно: есть участки, где они происходят в десятки раз чаще, — «горячие точки». Их впервые обнаружил американский генетик Сеймур Бензер в 1950-е гг., изучая тысячи мутаций в одном гене бактериофага T4: некоторые позиции мутировали сотни раз, а большинство — один-два.

У человека главные горячие точки — динуклеотиды CG. Цитозин в них обычно метилирован, а метилированный цитозин при самопроизвольной потере аминогруппы превращается в тимин. Клетке трудно распознать такую ошибку, ведь тимин — нормальный нуклеотид ДНК. В результате замены Ц → Т в участках CG происходят примерно в 10–50 раз чаще, чем другие замены. Мутация ахондроплазии (замена Г на А в одном кодоне гена FGFR3, на противоположной цепи — Ц на Т) — именно в таком участке, поэтому она так часто возникает заново.

Другие горячие точки — короткие повторы (АААА…, ЦАЦАЦА…), где ДНК-полимераза легко «проскальзывает», давая вставки и выпадения, и места, где ДНК может образовывать необычные структуры. Знание горячих точек помогает объяснить, почему одни и те же мутации многократно и независимо возникают у разных людей. Например, одна и та же замена в гене FGFR3 найдена у больных ахондроплазией во всех частях света, и каждый раз она возникала заново.

12. Как возникают генные мутации

Подробно причины мутаций и мутагены разобраны в статье серии о мутагенах, а механизмы их исправления — в статье серии о закономерностях мутационного процесса. Здесь — коротко о главных источниках.

• Ошибки репликации. ДНК-полимераза ошибается примерно один раз на 10⁵ нуклеотидов; благодаря «корректорской» активности и системам репарации итоговая частота ошибок снижается до 10⁻⁹–10⁻¹⁰ на нуклеотид за деление. При копировании повторяющихся участков полимераза может «проскальзывать», давая вставки и выпадения.
• Самопроизвольные химические изменения оснований. Цитозин может потерять аминогруппу и превратиться в урацил (а метилированный цитозин — в тимин); пуриновые основания могут отщепляться от дезоксирибозы, оставляя «пустые» места. В каждой клетке человека за сутки происходят тысячи таких повреждений, и почти все исправляются.
• Окислительные повреждения активными формами кислорода, образующимися при дыхании. Например, окисленный гуанин (8-оксогуанин) при репликации может спариваться с аденином, что даёт замену Г–Ц на Т–А.
• Ультрафиолет сшивает соседние пиримидиновые основания одной цепи (тиминовые димеры), и при неправильном исправлении возникают замены.
• Химические мутагены изменяют основания (алкилирующие вещества, азотистая кислота), встраиваются между парами оснований (вызывая сдвиги рамки) или похожи на основания и встраиваются вместо них.
• Мобильные генетические элементы встраиваются в гены — так возникли, например, морщинистые семена гороха Менделя.

13. Генетический код защищает от мутаций

Генетический код устроен так, что многие замены нуклеотидов не причиняют вреда. Это следствие нескольких его свойств.

• Вырожденность. 61 смысловой кодон кодирует 20 аминокислот, поэтому большинство аминокислот кодируются несколькими кодонами. Замены третьего нуклеотида кодона часто синонимичны: например, все четыре кодона ГГУ, ГГЦ, ГГА, ГГГ кодируют глицин.
• Похожие кодоны кодируют похожие аминокислоты. Кодоны, у которых второй нуклеотид — У, кодируют в основном гидрофобные аминокислоты (фенилаланин, лейцин, изолейцин, метионин, валин). Поэтому замена первого или третьего нуклеотида часто заменяет гидрофобную аминокислоту другой гидрофобной, и белок сохраняет свойства.
• Небольшое число стоп-кодонов. Только 3 из 64 кодонов — стоп-сигналы, поэтому случайная замена редко обрывает белок.

Подсчитано, что примерно четверть всех возможных замен в кодирующих участках синонимичны, а среди несинонимичных многие заменяют аминокислоту близкой по свойствам. Сравнение с миллионами случайных «кодов» показало, что реальный генетический код — один из самых устойчивых к ошибкам среди всех возможных. Вероятно, это результат ранней эволюции жизни.

14. Как пользоваться таблицей генетического кода

На экзамене к задачам линии 27 прилагается таблица генетического кода. Она устроена так: первый нуклеотид кодона иРНК находят в левом вертикальном ряду, второй — в верхнем горизонтальном, третий — в правом вертикальном. На пересечении стоит аминокислота. Например, кодон ГУГ: первый — Г (нижняя строка-блок), второй — У (первый столбец), третий — Г (правый ряд) — валин.

Несколько правил, которые помогают не ошибиться:

• Таблица составлена для кодонов иРНК, а не ДНК: сначала нужно перейти от ДНК к иРНК.
• В иРНК нет тимина: вместо Т стоит У.
• Кодоны читают в направлении 5′ → 3′.
• Если по таблице получается «стоп» (УАА, УАГ, УГА), синтез белка в этом месте обрывается.
• Если надо определить антикодон тРНК, его строят комплементарно кодону иРНК; в таблицу подставляют кодон, а не антикодон.

Полезно запомнить несколько кодонов «наизусть»: АУГ — метионин и старт; УАА, УАГ, УГА — стоп; кодоны, начинающиеся с ГГ, — глицин; с ГЦ — аланин; с ЦЦ — пролин. Это ускоряет проверку и помогает заметить ошибку.

15. Генные мутации в задачах линии 27

В задачах линии 27 ЕГЭ часто дан фрагмент ДНК и сообщается, что в нём произошла мутация. Нужно определить, как изменится иРНК, белок и свойства белка. Удобен общий порядок действий.

1. Определить, какая цепь ДНК дана: транскрибируемая (матричная) или смысловая. Если дана транскрибируемая цепь (так бывает в большинстве задач), иРНК строят по принципу комплементарности, заменяя Т на У: напротив А — У, напротив Т — А, напротив Г — Ц, напротив Ц — Г.
2. Построить иРНК до мутации и разбить её на триплеты; по таблице генетического кода определить аминокислоты.
3. Внести мутацию в ДНК, построить новую иРНК и определить новую последовательность аминокислот.
4. Сравнить белки и назвать вид мутации: синонимичная (белок не изменился, благодаря вырожденности кода), миссенс (одна аминокислота заменена), нонсенс (образовался стоп-кодон, белок укоротился), сдвиг рамки (изменились все аминокислоты после места мутации).
5. Сделать вывод об изменении свойств белка, если условие этого требует.

Пример 1. Замена. Фрагмент транскрибируемой цепи ДНК: 3′–ТАЦ ЦТТ ГГА–5′. В третьем триплете второй нуклеотид Г заменился на Т. Как изменится фрагмент белка? Используйте кодоны: АУГ — Мет, ГАА — Глу, ЦЦУ — Про, ЦАУ — Гис.

Решение. иРНК до мутации: 5′–АУГ ГАА ЦЦУ–3′; белок: Мет – Глу – Про. После мутации третий триплет ДНК ГТА, кодон иРНК ЦАУ; белок: Мет – Глу – Гис. Это миссенс-мутация: пролин заменён на гистидин, свойства белка могут измениться.

Пример 2. Синонимичная замена. Пусть в том же фрагменте во втором триплете ДНК ЦТТ последний Т заменился на Ц: триплет ЦТЦ, кодон иРНК ГАГ — тоже глутаминовая кислота. Белок не изменился: проявилась вырожденность генетического кода.

Пример 3. Выпадение нуклеотида. Транскрибируемая цепь: 3′–ТАЦ ЦТТ ГГА ТАЦ–5′, выпадает первый нуклеотид второго триплета (Ц). Новая цепь: 3′–ТАЦ ТТГ ГАТ АЦ…–5′, иРНК: 5′–АУГ ААЦ ЦУА УГ…–3′. Все триплеты после места мутации изменились — это сдвиг рамки считывания; изменяется вся последующая последовательность аминокислот.

Важно не забывать про направление цепей. иРНК всегда синтезируется и читается в направлении 5′ → 3′, а транскрибируемая цепь ДНК антипараллельна ей (3′ → 5′). Если в задаче цепь ДНК дана в направлении 5′ → 3′ и это транскрибируемая цепь, иРНК нужно записать в обратном порядке. Эти тонкости подробно разобраны в статье о задачах линии 27.

16. Генные мутации у микроорганизмов

На микроорганизмах генные мутации изучать особенно удобно: популяции огромны, поколения сменяются за минуты, и можно отобрать редчайшего мутанта среди миллиардов клеток.

• Ауксотрофные мутанты не способны синтезировать какое-либо вещество (аминокислоту, витамин) и растут только на среде, где оно есть. Их получили Бидл и Тейтем у нейроспоры, затем — у кишечной палочки и дрожжей. По таким мутантам расшифровали цепочки синтеза веществ в клетке.
• Мутанты устойчивости — к антибиотикам, бактериофагам, ядам. Например, устойчивость к стрептомицину возникает при замене одной аминокислоты в белке рибосомы, с которым связывается антибиотик. Устойчивость к рифампицину — при заменах в ферменте РНК-полимеразе.
• Мутанты по использованию сахаров — неспособные расщеплять лактозу, арабинозу и другие сахара. На таких мутантах изучали оперон.
• Ревертанты — клетки, у которых обратная мутация восстановила утраченную функцию. Подсчёт ревертантов у мутантных сальмонелл, не способных синтезировать гистидин, лежит в основе теста Эймса для проверки веществ на мутагенность.

Отбор мутантов на питательной среде с антибиотиком — простейший способ увидеть генные мутации: на чашку высевают миллиард бактерий, и вырастают единичные колонии устойчивых мутантов. Как доказали, что эти мутации возникли до встречи с антибиотиком, а не под его влиянием, рассказано в статье серии о закономерностях мутационного процесса.

17. Генные мутации у растений: от сладкой кукурузы до устойчивости к гербицидам

Многие признаки культурных растений определяются одной генной мутацией. Сладкая кукуруза несёт рецессивные мутации генов, участвующих в превращении сахаров в крахмал: в зерне остаётся больше сахара. Клейкий («восковидный») рис и кукуруза, у которых весь крахмал зерна — разветвлённый амилопектин из-за выключения гена фермента синтеза амилозы, рапс с низким содержанием вредной эруковой кислоты — всё это результаты генных мутаций, найденных или полученных селекционерами.

Отдельный пример — устойчивость к гербицидам. Многие гербициды блокируют один определённый фермент растения. Замена одной аминокислоты в этом ферменте может сделать его нечувствительным к гербициду, а растение — устойчивым. Такие мутации возникают и у сорняков: при постоянном применении одного гербицида на полях отбираются устойчивые формы — так же, как у бактерий отбирается устойчивость к антибиотикам. Поэтому агрономы чередуют гербициды с разным механизмом действия. Известен случай, когда устойчивость сорняка-амаранта к широко используемому гербициду глифосату возникла иначе — не заменой аминокислоты, а многократным удвоением гена фермента-мишени: растение синтезирует столько фермента, что гербицид не успевает его заблокировать. Это уже пример хромосомной мутации — дупликации, о которой рассказано в следующей статье серии.

18. Генные мутации и эволюция: молекулярные часы

Большинство генных мутаций, закрепившихся в эволюции, — нейтральные замены: синонимичные или в некодирующих участках. В 1968 г. японский генетик Мотоо Кимура показал, что скорость замен в белках у разных видов примерно постоянна и слишком высока, чтобы объясняться только отбором полезных мутаций [9]. Он предложил нейтральную теорию молекулярной эволюции: основная часть различий между ДНК видов — это нейтральные мутации, закрепившиеся случайно. Подробно эта теория разобрана в статье «Нейтральная теория и современная эволюционная биология».

Постоянство скорости нейтральных замен позволяет использовать их как «молекулярные часы». Чем больше различий в последовательности одного и того же гена у двух видов, тем раньше они разошлись от общего предка. Например, по различиям в ДНК человека и шимпанзе (около 1,2 % по одиночным заменам) оценивают время их расхождения примерно в 6–7 миллионов лет. Аналогично датируют расхождение групп животных, растений, бактерий, а также появление новых штаммов вирусов. Сравнение генов разных видов показывает и ещё одну закономерность: важные для жизни участки белков (активные центры ферментов) меняются очень медленно, потому что мутации в них почти всегда вредны и отбор их удаляет.

19. Генные мутации, которые изучал Мендель

Через полтора века после опытов Менделя генетики выяснили, какие мутации стоят за признаками гороха, которые он изучал. Все они оказались генными.

Интересно, что во всех случаях рецессивный признак — результат потери или ослабления функции гена. Это и объясняет доминирование: у гетерозиготы одной работающей копии гена достаточно, чтобы развился «доминантный» признак.

20. Генные мутации у домашних животных

• Двойная мускулатура у коров бельгийской голубой породы — выпадение 11 нуклеотидов в гене миостатина, белка, ограничивающего рост мышц. Сдвиг рамки выключает ген, и мышцы растут сверх обычного. Похожие мутации миостатина найдены у собак-уиппетов («быки»-уиппеты) и у одного мальчика в Германии с необычно развитой мускулатурой.
• Короткие ноги у такс, корги, бассет-хаундов — встраивание дополнительной копии гена фактора роста FGF4, скопированной с иРНК (ретрогена). Избыток белка тормозит рост длинных костей.
• Окраска лабрадоров: шоколадная окраска — рецессивные мутации гена TYRP1, палевая — нонсенс-мутация гена рецептора меланокортина MC1R. Та же мутация MC1R дала рыжий цвет у многих животных, а у людей разные мутации этого гена — рыжие волосы.
• Отсутствие шерсти у мексиканской голой собаки — сдвиг рамки в гене FOXI3; в гомозиготе мутация летальна, поэтому все голые собаки этой породы — гетерозиготы, а при их скрещивании рождаются и голые, и шерстистые, и мёртвые щенки в соотношении 2 : 1 : 1.

Эти примеры показывают, что многие признаки пород, выведенных человеком за столетия, — результат одной-двух генных мутаций, найденных и закреплённых отбором.

21. Генные мутации в опухолях

В опухолевых клетках накапливаются соматические генные мутации, и среди них всегда есть мутации определённых генов. Самый частый «участник» — ген-супрессор TP53, белок которого останавливает деление клетки с повреждённой ДНК и запускает её гибель. Миссенс-мутации этого гена находят примерно в половине всех опухолей человека. Другой частый ген — протоонкоген KRAS: одиночные замены в его 12-м кодоне делают белок постоянно активным, и он непрерывно подаёт сигнал к делению. Такие мутации есть в большинстве опухолей поджелудочной железы.

Табачный дым оставляет в ДНК клеток лёгких характерный «след»: в опухолях курильщиков преобладают замены Г на Т, вызванные веществами дыма, связывающимися с гуанином. Опухоли кожи несут другой след — замены Ц на Т в соседних пиримидинах, типичные для ультрафиолета. По таким «мутационным подписям» можно установить, какой мутаген повлиял на клетки. Подробнее о соматических мутациях и раке — в статье о мутационной изменчивости и классификации мутаций.

22. Как находят генные мутации у человека

Медицинская генетика использует несколько способов найти генную мутацию.

• Биохимические тесты выявляют последствия мутации: нет фермента, накапливается вещество (фенилаланин при фенилкетонурии), изменён белок (гемоглобин S при электрофорезе).
• ПЦР с последующим анализом позволяет быстро проверить известную частую мутацию, например при муковисцидозе или гемохроматозе.
• Секвенирование — прочтение последовательности гена, всех генов (экзома) или всего генома. Сегодня это основной метод поиска причин редких наследственных болезней: прочитав экзом ребёнка и родителей, находят новую мутацию, которой нет у родителей.
• Пренатальная и преимплантационная диагностика — исследование ДНК плода (по клеткам плодных оболочек или фрагментам ДНК плода в крови матери) или ранних зародышей при экстракорпоральном оплодотворении в семьях с риском тяжёлой болезни.

Знание мутации помогает не только поставить диагноз, но и выбрать лечение. При муковисцидозе существуют препараты, исправляющие сворачивание белка CFTR при определённых мутациях; при некоторых опухолях подбирают лекарство, действующее именно на белок с данной мутацией.

23. Сколько носителей мутации в популяции

Рецессивные генные мутации проявляются только у гомозигот, но их носителей в популяции гораздо больше, чем больных. Рассчитать это можно по закону Харди — Вайнберга. Если частота больных q², то частота мутантного аллеля q = √(q²), а частота гетерозиготных носителей 2pq ≈ 2q (при малом q).

Пример. Муковисцидоз в странах Северной Европы встречается примерно у одного ребёнка из 2500. q² = 1/2500, q = 1/50, частота носителей 2pq ≈ 2 × 49/50 × 1/50 ≈ 1/25. Значит, носителем является примерно каждый двадцать пятый человек, хотя больных в сто раз меньше. Для фенилкетонурии (около 1 на 10 000) q = 1/100, носители — около 1 на 50.

Этот расчёт объясняет, почему рецессивные мутации так трудно «убрать» из популяции: подавляющее большинство мутантных аллелей находится у здоровых гетерозигот, на которых отбор почти не действует. Поэтому тяжёлые рецессивные болезни сохраняются веками, а при браках родственников вероятность встречи двух одинаковых мутантных аллелей резко возрастает.

24. Как наследуются болезни, вызванные генными мутациями

Задачи на анализ родословных и определение типа наследования разобраны в статье серии о генетике пола и в практикуме линии 28.

25. Генные мутации и лекарства

Генные мутации влияют не только на развитие болезней, но и на реакцию на лекарства и пищу. Этим занимается фармакогенетика.

• Недостаточность фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (Г6ФД) — самая частая ферментная недостаточность у человека (сотни миллионов носителей, особенно в районах малярии). Носители обычно здоровы, но после приёма некоторых противомалярийных препаратов, сульфаниламидов или съеденных конских бобов у них разрушаются эритроциты. Болезнь от бобов назвали фавизмом.
• Ферменты печени семейства цитохромов расщепляют многие лекарства. У людей с неактивными аллелями гена CYP2D6 обезболивающее кодеин почти не превращается в действующий морфин и не помогает, а у людей с удвоенной копией гена превращение идёт слишком быстро, и обычная доза может быть опасна.
• Нечувствительность к горькому вкусу некоторых веществ (фенилтиокарбамида) объясняется заменами в гене вкусового рецептора; около трети европейцев не ощущает этой горечи.

Поэтому для некоторых лекарств врачи заранее проверяют генотип пациента: генная мутация, не вызывающая никакой болезни, может решить, поможет лекарство или навредит.

26. Генные мутации на заказ: редактирование генома

Естественные мутации ненаправленны. Но с 2012 г. у биологов есть инструмент, позволяющий внести изменение в конкретное место генома, — система CRISPR–Cas9. Белок Cas9, направляемый короткой РНК, разрезает ДНК в выбранной точке, а клетка, исправляя разрыв, часто вставляет или выпускает несколько нуклеотидов — выключая ген; или, если ей дать матрицу, вписывает нужную последовательность. В 2023 г. одобрено первое лечение на основе CRISPR — для серповидноклеточной анемии и β-талассемии: в стволовых клетках крови больного «включают» ген фетального гемоглобина, который заменяет дефектный взрослый. Подробно механизм разобран в статье «CRISPR-Cas9: химические основы работы генетических ножниц».

27. Итог: что важно знать

• Генные (точковые) мутации — изменения последовательности нуклеотидов в пределах одного гена: замены, вставки, выпадения, удвоения и инверсии коротких участков, экспансия повторов.
• Генные мутации не видны в световой микроскоп; их выявляют по изменению признака, белка или чтением ДНК.
• Замены бывают транзициями (пурин ↔ пурин, пиримидин ↔ пиримидин) и трансверсиями.
• Последствия замены для белка: синонимичная (белок не меняется, благодаря вырожденности кода), миссенс (одна аминокислота заменена), нонсенс (стоп-кодон, белок укорочен).
• Вставка или выпадение одного-двух нуклеотидов вызывает сдвиг рамки считывания: меняются все аминокислоты после места мутации. Выпадение трёх нуклеотидов убирает одну аминокислоту.
• Серповидноклеточная анемия: ГАГ → ГТГ в гене β-глобина, глутаминовая кислота → валин, слипание гемоглобина, серповидные эритроциты; гетерозиготы устойчивы к малярии.
• Мутации регуляторных участков и сплайсинга меняют количество или строение белка; экспансия повторов (болезнь Гентингтона, ломкая X-хромосома) приводит к антиципации.
• Причины: ошибки репликации, самопроизвольные изменения оснований, окислительные повреждения, ультрафиолет, химические мутагены, мобильные элементы.
• Вырожденность кода и сходство кодонов похожих аминокислот уменьшают вред мутаций.
• В задачах линии 27: построить иРНК и белок до и после мутации, сравнить и назвать тип мутации.

28. Частые ошибки

• «Генная мутация — изменение строения хромосомы». Это хромосомная мутация; генная — изменение нуклеотидов внутри гена.
• «Любая замена нуклеотида меняет белок». Синонимичные замены белок не меняют — благодаря вырожденности кода.
• «Выпадение нуклеотида меняет одну аминокислоту». Выпадение одного нуклеотида сдвигает рамку и меняет все последующие аминокислоты; одну аминокислоту меняет (обычно) замена.
• «При серповидноклеточной анемии выпадает нуклеотид». Происходит замена (А на Т в гене, глутаминовая кислота на валин в белке).
• «Генные мутации видны в микроскоп». Не видны; видны лишь последствия — например, форма эритроцитов.
• «Мутация в интроне всегда безвредна». Мутации у границ интронов нарушают сплайсинг и могут быть тяжёлыми.
• «иРНК строят по смысловой цепи заменой Т на У с комплементарностью». По смысловой цепи иРНК совпадает с ней (Т → У) без комплементарности; комплементарно иРНК строят по транскрибируемой цепи.
• «Нонсенс-мутация — это мутация без последствий». «Нонсенс» значит «бессмысленный»: кодон превращается в стоп-кодон, и белок обрывается; это обычно тяжёлая мутация. Без последствий — синонимичная («молчащая»).
• «Все наследственные болезни вызваны генными мутациями». Многие вызваны хромосомными и геномными мутациями (синдромы Дауна, «кошачьего крика», Тёрнера).
• «Рецессивный признак — результат “слабого” гена». Чаще всего рецессивный признак — результат мутации, выключившей ген; доминантный аллель — работающий ген, которого хватает в одной копии.

29. Интересные факты

• Пациент, у которого Херрик в 1910 г. впервые описал серповидные эритроциты, — Уолтер Ноэль — выучился и стал стоматологом на родном острове Гренада.
• Серповидноклеточная анемия стала первой болезнью, у которой стала известна точная молекулярная причина, — поэтому её называют «первой молекулярной болезнью».
• Ген дистрофина, мутации которого вызывают миодистрофию Дюшенна, настолько длинный, что его транскрипция занимает около 16 часов.
• У человека описано больше 2000 вариантов гена муковисцидоза, но в Северной Европе около 70 % мутантных аллелей — одна и та же мутация с выпадением фенилаланина 508.
• Синдром ломкой X-хромосомы назван по виду хромосомы в микроскопе: при выращивании клеток в среде с недостатком фолиевой кислоты на X-хромосоме в месте повтора видно сужение, похожее на разлом.
• Кошки сиамской и бирманской окраски несут разные миссенс-мутации одного гена тирозиназы; у гетерозигот «сиамский × бирманский» получается промежуточная «тонкинская» окраска.
• По мутациям в митохондриальной ДНК и Y-хромосоме генетики прослеживают пути древних миграций людей: каждая мутация, однажды возникшая, служит «меткой» всех потомков её первого носителя.
• Лайнус Полинг, назвавший серповидноклеточную анемию молекулярной болезнью, — единственный человек, получивший две личные неразделённые Нобелевские премии: по химии (1954) и премию мира (1962).
• Все четыре признака гороха Менделя, для которых найдены гены (форма семян, высота, окраска семядолей и цветков), оказались результатом генных мутаций, выключающих или ослабляющих работу гена.
• У мексиканской голой собаки мутация, лишающая шерсти, в гомозиготе летальна, поэтому чистопородных «гомозиготных» голых собак не бывает, а в помётах всегда рождаются и шерстистые щенки.
• Алкаптонурия — первая болезнь человека, для которой было показано менделевское наследование: в 1902 г. Гаррод обсуждал её с Бейтсоном, только что «переоткрывшим» законы Менделя.
• Слово «фавизм» происходит от латинского названия конских бобов — Vicia faba. Говорят, что Пифагор запрещал ученикам есть бобы; возможно, причиной были случаи фавизма в Южной Италии, где недостаточность Г6ФД встречается часто, — но это лишь гипотеза.
• Сеймур Бензер, нашедший «горячие точки» мутаций в гене фага T4, получил и картировал около 2000 мутаций в одном гене и показал, что ген делится на сотни участков, способных мутировать независимо, — так впервые была увидена тонкая структура гена. Позже он стал одним из основателей генетики поведения, изучая мутации дрозофил, меняющие суточный ритм и обучение.

30. Частые вопросы

31. ЕГЭ

Тема входит в элемент 3.4 кодификатора [10]: «Мутационная изменчивость. Виды мутаций: генные, хромосомные, геномные…», а задачи на изменение белка при мутации относятся к линии 27 и связаны с элементом о реализации наследственной информации. В части 1 — определение вида мутации по описанию, задания на последствия замен и выпадений, соотнесение болезней с видами мутаций. В части 2 — задачи линии 27, где нужно построить иРНК и белок до и после мутации, вопросы о серповидноклеточной анемии (почему изменилась форма эритроцита, почему гетерозиготы устойчивы к малярии), о том, почему замена нуклеотида может не изменить белок.

Что обязательно знать к экзамену

• Определение генной мутации, её виды по изменению ДНК.
• Последствия замены, вставки и выпадения нуклеотида для белка.
• Объяснение синонимичных замен через вырожденность кода.
• Серповидноклеточную анемию как пример генной мутации.
• Порядок решения задач линии 27 с мутацией.

Разбор заданий части 1

Задание. Какая мутация приведёт к изменению всех аминокислот после места мутации? 1) замена нуклеотида; 2) выпадение одного нуклеотида; 3) выпадение трёх соседних нуклеотидов; 4) замена третьего нуклеотида кодона. Ответ: 2.

Задание. Выберите три верных утверждения о генных мутациях: 1) связаны с изменением последовательности нуклеотидов; 2) видны в световой микроскоп; 3) могут не изменять белок; 4) к ним относится трисомия; 5) могут приводить к образованию стоп-кодона; 6) всегда доминантны. Ответ: 135.

Разбор задачи части 2

Задача. Фрагмент транскрибируемой цепи ДНК: 3′–ТАЦ ГАА ЦТА–5′. Произошла замена: в третьем триплете первый нуклеотид Ц заменился на А. Определите фрагмент иРНК и белка до и после мутации. Как называется такая мутация? Для решения используйте кодоны: АУГ — Мет, ЦУУ — Лей, ГАУ — Асп, УАУ — Тир.

Решение. 1) иРНК до мутации: 5′–АУГ ЦУУ ГАУ–3′; белок: Мет – Лей – Асп. 2) После мутации третий триплет ДНК АТА, кодон иРНК УАУ; белок: Мет – Лей – Тир. 3) Генная мутация (замена нуклеотида), миссенс-мутация: аспарагиновая кислота заменена на тирозин; заряженная аминокислота заменена незаряженной, свойства белка могут измениться.

Задача. В гене произошло выпадение одного нуклеотида в начале кодирующей части. Как это скажется на белке? Чем это отличается от последствий замены нуклеотида? Ответ. 1) Выпадение нуклеотида сдвигает рамку считывания: все триплеты после места мутации меняются. 2) Меняется вся последующая последовательность аминокислот, и вскоре в новой рамке появляется стоп-кодон — белок укорачивается и, как правило, теряет функцию. 3) Замена нуклеотида меняет только один кодон: аминокислота может не измениться (вырожденность кода), замениться другой или кодон станет стоп-кодоном.

Задача. В результате мутации в белке, состоявшем из 300 аминокислот, осталось только 120. Какой тип мутации мог произойти? Приведите два варианта и объясните. Ответ. 1) Нонсенс-мутация: замена нуклеотида превратила 121-й кодон в стоп-кодон, и синтез оборвался. 2) Вставка или выпадение нуклеотида (сдвиг рамки) около 100–120-го кодона: после сдвига вскоре встретился стоп-кодон. 3) Различить варианты можно, сравнив последовательность аминокислот: при нонсенс-мутации все 120 аминокислот нормальные, при сдвиге рамки последние аминокислоты перед обрывом изменены.

Задача. Почему при серповидноклеточной анемии меняется форма эритроцитов, хотя мутация затрагивает всего один нуклеотид? Ответ. 1) Замена нуклеотида в гене β-глобина меняет кодон иРНК (ГАГ → ГУГ) и одну аминокислоту в белке (глутаминовая кислота → валин). 2) На поверхности гемоглобина появляется гидрофобный участок, и молекулы гемоглобина при низком содержании кислорода слипаются в длинные волокна. 3) Волокна деформируют эритроцит, и он принимает серповидную форму.

32. Для олимпиад

Сколько замен синонимичны

В каждом кодоне три позиции, и в каждой нуклеотид может замениться на три других — всего девять возможных одиночных замен на кодон. Для кодона ГГУ (глицин) все три замены третьего нуклеотида (ГГЦ, ГГА, ГГГ) синонимичны, а шесть замен в первой и второй позиции меняют аминокислоту. Доля синонимичных замен для этого кодона — 3/9. Для кодона АУГ (метионин) синонимичных замен нет совсем: метионин кодируется единственным кодоном. Для кодона УГГ (триптофан) замены УГА и УАГ дают стоп-кодоны. Усреднив по всем кодонам с учётом их частоты, получают, что около четверти случайных замен в кодирующих участках синонимичны.

Вероятность стоп-кодона при сдвиге рамки

Если рамка сдвинулась, последующие триплеты можно приближённо считать случайными. Вероятность того, что случайный триплет окажется стоп-кодоном, — 3/64. Значит, в среднем стоп-кодон встретится примерно через 64/3 ≈ 21 триплет после места сдвига. Поэтому белок с мутацией сдвига рамки обычно короче нормального и в «хвосте» имеет около двух десятков случайных аминокислот.

Соотношение транзиций и трансверсий

Если бы все замены были равновероятны, на каждую транзицию приходилось бы две трансверсии (у каждого основания одна возможная транзиция и две трансверсии). У человека же отношение транзиций к трансверсиям около 2 : 1, то есть транзиции встречаются примерно в 4 раза чаще, чем ожидалось бы. Главная причина — частое самопроизвольное дезаминирование метилированного цитозина в участках CG (Ц → Т) и спаривание окисленных или таутомерных форм оснований, которое чаще даёт транзиции.

Реверсия и супрессия

Если у мутанта со сдвигом рамки (+1) восстановилась функция гена, возможны два объяснения: точная обратная мутация (выпадение того же нуклеотида) или выпадение нуклеотида поблизости (−1), восстанавливающее рамку дальше по гену. Во втором случае между двумя мутациями остаётся короткий участок с изменёнными аминокислотами, и белок может работать, если этот участок не важен. Различить два случая можно скрещиванием ревертанта с нормальной формой: при внутригенной супрессии в потомстве изредка появятся рекомбинанты с одной из мутаций — снова мутанты.

Соотношение несинонимичных и синонимичных замен

Сравнивая ген у двух видов, генетики подсчитывают отдельно долю несинонимичных замен на одну несинонимичную позицию (dN) и синонимичных — на одну синонимичную позицию (dS). Синонимичные замены почти нейтральны, поэтому dS отражает скорость мутаций. Если dN/dS < 1, большинство замен аминокислот вредны и удаляются отбором (стабилизирующий, очищающий отбор) — так у большинства генов. Если dN/dS ≈ 1, белок эволюционирует нейтрально. Если dN/dS > 1, замены аминокислот выгодны, и отбор их закрепляет — так бывает у генов иммунитета и белков, участвующих в «гонке вооружений» с паразитами.

Мутации и заряд белка

Миссенс-мутации часто удаётся обнаружить электрофорезом, если они меняют заряд белка. При pH около 8,6 гемоглобин A заряжен отрицательно и движется к аноду. В гемоглобине S одна отрицательно заряженная глутаминовая кислота на каждую β-цепь заменена незаряженным валином — у тетрамера (две β-цепи) на два отрицательных заряда меньше, и он движется медленнее. В гемоглобине C глутаминовая кислота заменена на положительно заряженный лизин — изменение заряда вдвое больше, и HbC движется ещё медленнее. Порядок полос от анода: A, S, C. Замены, не меняющие заряд (например, лейцин на изолейцин), электрофорез не обнаружит.

Сколько аминокислот могут возникнуть из кодона за одну замену

Из кодона ГАГ (глутаминовая кислота) одной заменой можно получить девять кодонов: ААГ (Лиз), ЦАГ (Глн), УАГ (стоп), ГГГ (Гли), ГЦГ (Ала), ГУГ (Вал), ГАА (Глу), ГАЦ (Асп), ГАУ (Асп). Из них одна замена синонимична, одна даёт стоп-кодон, а семь меняют аминокислоту на одну из шести других. Именно поэтому в шестом положении β-глобина найдены и HbS (валин), и HbC (лизин) — разные замены одного кодона.

Задача на мутацию в задаче линии 27 с двумя цепями

Дана смысловая цепь ДНК 5′–АТГ ГЦТ ТГГ–3′. В третьем кодоне произошла замена Г на А во второй позиции. Каков фрагмент белка до и после? Кодоны: АУГ — Мет, ГЦУ — Ала, УГГ — Три, УАГ — стоп. Ответ: иРНК совпадает со смысловой цепью (Т → У): 5′–АУГ ГЦУ УГГ–3′ — Мет – Ала – Три. После замены третий кодон УАГ — стоп: Мет – Ала. Это нонсенс-мутация, белок обрывается.

33. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три примера генных мутаций: 1) замена нуклеотида в гене гемоглобина; 2) трисомия по 21-й хромосоме; 3) выпадение трёх нуклеотидов в гене CFTR; 4) поворот участка хромосомы на 180°; 5) увеличение числа повторов ЦАГ в гене HTT; 6) тетраплоидия.

Задание 2

Установите соответствие между изменением кодона иРНК и типом мутации: А) ГАА → ГАГ; Б) ГАГ → ГУГ; В) УГГ → УАГ; Г) УАА → ЦАА. 1) синонимичная; 2) миссенс; 3) нонсенс; 4) мутация стоп-кодона.

Задание 3

Почему замена третьего нуклеотида кодона часто не изменяет белок?

Задание 4

Фрагмент транскрибируемой цепи ДНК: 3′–ТАЦ ААА ГЦТ–5′. Постройте иРНК. Как изменится иРНК, если во втором триплете второй нуклеотид А заменится на Г?

Задание 5

Какую аминокислоту кодируют кодоны в задании 4 до и после мутации, если УУУ — Фен, УЦУ — Сер? Как называется такая мутация?

Задание 6

Найдите ошибки и исправьте. 1) Генные мутации связаны с изменением последовательности нуклеотидов. 2) Выпадение одного нуклеотида меняет только одну аминокислоту. 3) Нонсенс-мутация приводит к образованию стоп-кодона. 4) Серповидноклеточная анемия вызвана выпадением нуклеотида. 5) Синонимичные мутации не меняют белок.

Задание 7

Объясните, почему у больных серповидноклеточной анемией эритроциты принимают серповидную форму.

Задание 8

Фрагмент транскрибируемой цепи ДНК: 3′–ТАЦ ГГТ ЦЦА–5′. Выпадает второй нуклеотид второго триплета. Постройте иРНК до и после мутации. Какой это тип мутации?

Задание 9

Почему мутация в стартовом кодоне АУГ обычно выключает ген?

Задание 10

Что такое экспансия повторов? Приведите пример болезни.

Задание 11

Установите соответствие между болезнью и типом генной мутации: А) серповидноклеточная анемия; Б) болезнь Гентингтона; В) муковисцидоз (самая частая мутация). 1) замена нуклеотида; 2) выпадение трёх нуклеотидов; 3) экспансия повторов.

Задание 12

Почему мутации, выключающие ген фермента, обычно рецессивны?

Задание 13

Как называют мутацию, при которой в белке укорачивается цепь из-за появления стоп-кодона?

Задание 14

Почему в районах распространения малярии аллель серповидноклеточности встречается часто?

Задание 15

Что такое антиципация и чем она объясняется?

Задание 16

Как с помощью электрофореза можно отличить гемоглобин больного серповидноклеточной анемией от нормального?

Задание 17

Почему выпадение трёх соседних нуклеотидов менее опасно, чем выпадение одного?

Задание 18

Приведите два примера генных мутаций, полезных для человека или бактерий в определённых условиях.

Задание 19 (олимпиадное)

Сколько из девяти возможных одиночных замен в кодоне УУУ (фенилаланин) синонимичны, если фенилаланин кодируется только кодонами УУУ и УУЦ?

Задание 20 (олимпиадное)

Ген из 1200 нуклеотидов кодирующей части. Вставка одного нуклеотида произошла после 300-го нуклеотида. Оцените, сколько аминокислот примерно будет у мутантного белка, если считать, что после сдвига рамки стоп-кодон встречается в среднем через 21 триплет.

Литература

1. Riordan J. R., Rommens J. M., Kerem B. et al. Identification of the cystic fibrosis gene: cloning and characterization of complementary DNA // Science. 1989. Vol. 245. P. 1066–1073. DOI: 10.1126/science.2475911.
2. Crick F. H. C., Barnett L., Brenner S., Watts-Tobin R. J. General nature of the genetic code for proteins // Nature. 1961. Vol. 192. P. 1227–1232. DOI: 10.1038/1921227a0.
3. Ingram V. M. A specific chemical difference between the globins of normal human and sickle-cell anaemia haemoglobin // Nature. 1956. Vol. 178. P. 792–794. DOI: 10.1038/178792a0.
4. Pauling L., Itano H. A., Singer S. J., Wells I. C. Sickle cell anemia, a molecular disease // Science. 1949. Vol. 110. P. 543–548. DOI: 10.1126/science.110.2865.543.
5. Allison A. C. Protection afforded by sickle-cell trait against subtertian malarial infection // British Medical Journal. 1954. Vol. 1. P. 290–294. DOI: 10.1136/bmj.1.4857.290.
6. Shiang R., Thompson L. M., Zhu Y.-Z. et al. Mutations in the transmembrane domain of FGFR3 cause the most common genetic form of dwarfism, achondroplasia // Cell. 1994. Vol. 78. P. 335–342. DOI: 10.1016/0092-8674(94)90302-6.
7. Garrod A. E. The incidence of alkaptonuria: a study in chemical individuality // The Lancet. 1902. Vol. 160. P. 1616–1620. DOI: 10.1016/S0140-6736(01)41972-6.
8. The Huntington’s Disease Collaborative Research Group. A novel gene containing a trinucleotide repeat that is expanded and unstable on Huntington’s disease chromosomes // Cell. 1993. Vol. 72. P. 971–983. DOI: 10.1016/0092-8674(93)90585-E.
9. Kimura M. Evolutionary rate at the molecular level // Nature. 1968. Vol. 217. P. 624–626. DOI: 10.1038/217624a0.
10. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.