1
Сам. ГМУ 95 лет ГБОУ ВПО Сам. ГМУ Минздрава России Кафедра медицинской биологии, генетики и экологии тема: «Генные мутации, классификация. Стратегия идентификации генов наследственных болезней человека. » Заведующая кафедрой доктор биологических наук профессор Лидия Николаевна Самыкина лекция № 4 октябрь 2014 года 2
Под мутацией, с точки зрения программы «Геном» , понимается резкое скачкообразное изменение порядка расположения нуклеотидов в молекуле ДНК. Сравнительно часто встречающиеся в популяциях варианты участков генов, не приводящие к заметным нарушениям функций, обычно рассматриваются как нейтральные мутации или генетические полиморфизмы, тогда как понятия «мутация» и «мутационный аллель» обычно употребляются как синонимы. 3
Человечество несет мутации в своих репродуктивных клетках. Они известны как спонтанные мутации и происходят из за ошибок при редупликации ДНК. Ферменты репликации ДНК несовершенны и иногда утрачивают свои функции. 4
• Мы все мутанты, несем достаточное количество ошибок в наших генах. Почему мы до сих пор живы и не умираем от какой либо ужасной болезни? Этому есть две причины. • Во первых, существует много различных типов мутаций, но большинство из них оказывает незначительное воздействие. 5
А относительное небольшое количество мутаций вызывают такие значительные изменения, которые приводят к заметным дефектам. Во вторых, высшие организмы имеют две копии каждого гена. Если одна копия подвержена мутации , то существует резервная копия, которая может быть использована. Это означает, что если бы мы были гаплоидными , имея только одну копию гена, то мы умерли бы уже восемь раз. 6
7
Наибольшим повреждающим действием обладают мутации, блокирующие синтез белка, приводящие к образованию бессмысленного продукта, либо к преждевременному окончанию его синтеза. Такие неполноценные (truncated) белки неспособны к модификациям и быстро деградируют. Частоты мутаций, приводящих даже к наиболее распространенным наследственным заболеваниям, сравнительно невелики и обычно значительно ниже 1 %. 8
Таким образом, мутации несут самые разнообразные последствия. Что бы понять это, вспомним центральную догму молекулярной биологии. 9
ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ ДНК (ген) ДНК про-и. РНК м. РНК белок-фермент полипептид признак варианты признака 10
ДНК является генетическим материалом. При редупликации молекулы ДНК любые изменения, которые произошли из за нарушений последовательностей оснований оригинальной ДНК, будут передаваться молекуле РНК. 11
РНК-посредник транслируется, чтобы произвести белок. Видоизменённая последовательность РНК может при трансляции дать изменённый белок. Поскольку выполнение клетками всех биохимических реакций зависит от белков, окончательным результатом изменения последовательности ДНК может быть нарушение жизненно важного процесса. 12
13
Подавляющее большинство мутаций является результатом замен одного нуклеотида в смысловой части гена (экзоне). Эти замены обычно происходят во время редупликации ДНК при подготовке клетки к делению. 14
Однонуклеотидные замены, способные вызвать замещение одной аминокислоты на другую, вследствие изменения генетического кода мутировавшего триплета, называются миссенс-мутациями. Например, в результате миссенсмутации, при которой происходит замена Г на А, а Ц на Т - в молекуле ДНК, в полипептидной цепи меняется серин на аспарагин. 15
• Замена серина на аспарагин в составе белка, возможно, не изменит радикально его структуру. Если нам повезёт, то белок будет выполнять свои функции, хотя бы частично. Однако, если обмен произойдёт на критическом участке белка, как, например, в его активном центре, мы можем полностью уничтожить активность белка. 16
Миссенс-мутация Нормальная ДНК Г на А Ц на Т ГГТ ГЦЦ АГЦ ГТЦ ТАТ ЦЦА ЦГГ ТЦГ ЦАГ АТА Нормальная м. РНК ГГУ ГЦЦ АГЦ ГУЦ УАУ Полипептид (норм. ) Gly Мутантная ДНК ГГТ ГЦЦ ААЦ ГТЦ ТАГ ЦЦА ЦГГ ТТГ ЦАГ АТЦ Ala Ser Val Tyr Мутантная м. РНК ГГУ ГЦЦ ААЦ ГУЦ УАГ Полипептид (мут. ) Gly Ala Аsn Val Tyr 17
• активный центр специальный участок или зона белка, где происходит химическая реакция; • консервативное замещение это замена аминокислоты белка другой, которая идентична по своим химическим свойствам. 18
• Так критические участки большинства белков занимают небольшую долю всей белковой последовательности, то замена одной аминокислоты на другую с идентичными химическими свойствами носят относительно мягкий характер и будут, как правило, несмертельны. 19
20
Например, при замене среднего основания С кодона GCA, который несёт информацию об аланине, на основание А получится кодон GAA, который даёт глутаминовую кислоту. Глутаминовая кислота является кислой и несёт в себе сильный отрицательный заряд. Она совершенно не похожа на аланин и, поэтому, такую замену можно отнести к радикальной замене. 21
ДИКИЙ ТИП РНК Код: GAG GCC GUA AUC GAA UGU UUG GCA AGG – AAA Белок: Glu Ala Val lie Glu Cys Leu Ala Arg Lys МУТАНТ РНК КОД: GAG GCC GUA AUC GAA UGU UUG GAA AGG AAA Белок: Glu Ala Val Lie Glu Cys Leu Glu – Arg Lys 22
Ala на Glu Первоначальный белок Мутантный белок (образует почти ту же 23 самую третичную структур)
Если мы не окажемся очень везучими, замена аланина на глутаминовую кислоту нанесёт серьёзный ущерб или даже сделает наш белок полностью непригодным. • Кодон UCG коллинеарен серину. При замене центрального основания С на А мы получаем кодон UAG, который является одним из трёх СТОП кодонов (UAA, UAG и UGA = STOP запомните их!). 24
Когда рибосома будет производить наш белок, она подойдёт к кодону мутанту, который раньше кодировал серин. Но теперь это стоп кодон, и рибосома законопослушный гражданин просто останавливается !!! Остальная часть белка не производится. Это не имеет смысла, поэтому такая мутация называется нонсенс мутацией или бессмысленной мутацией. Клетка обнаруживает и расщепляет такие белки. В результате, на практике наблюдается полное отсутствие данного белка, что может вызвать серьёзные последствия. Бессмысленные мутации часто вызывают смерть. 25
• Очевидно, если мы удалим целый ген из последовательности ДНК, это достаточно серьезно. Если нет гена, то не будет РНК посредника. Если нет РНК посредника, то не будет белка. Если нет белка, то не будет клетки, если допустить, что белок является жизненно необходимым. 26
Удалив одно основание, мы изменили рамку считывания. (рамка считывания– один из трёх возможных способов считывания информации с оснований гена, которые сгруппированы по три и составляют кодоны). Теперь РНК будет транслироваться следующим образом: 27
ДИКИЙ ТИП РНК Код: GAG GCC GUA AUC GAA UGU UUG GCA AGG – AAA Белок: Glu Ala Val lie Glu Cys Leu Ala Arg Lys МУТАНТ РНК КОД: GAG GCC GAA UCG AAU GUU UGG CAA GGA AA Белок: Glu Ala Glu Leu Asn Val Trp Gln – Gly 28
При удалении одного основания последовательность аминокислот в белке была полностью искажена. Вставка одного дополнительного основания будет иметь в основном тот же эффект. Мутация, которая меняет рамку считывания, называется мутацией сдвига рамки генетического кода. В результате этого получается бессмысленный белок. 29
Делеция или вставка двух оснований также изменит рамку считывания в данном случае сдвинет её на два промежутка, и в результате получится такой же искажённый белок. Однако, предположим, что произошла мутация целого кодона: 30
ДИКИЙ тип РНК Код: GAG GCC GUA AUC GAA UGU UUG GCA AGG – AAA Белок: Glu Ala Val lie Glu Cys Leu Ala Arg Lys МУТАНТ РНК Код: GAG • • • GUA AUC GAA UGU UUG GCA AGG AAA Белок: Glu • • • Val lie Glu Cys Leu Ala Arg Lys 31
• При мутации целого кодона (три основания представляют собой полный кодон) не происходит нарушения шага во время трансляции и рамка считывания сохранена. 32
Не считая одной аминокислоты, остальная часть белка осталась без изменений. Таким же образом, вставка кодона добавит аминокислоту, не влияя на остальную часть белка. Если потерянная (или вставленная) аминокислота находится на относительно менее важном участке белка, фактически получается функциональный белок. 33
Мутации в результате делеции внутри рамки считывания Активный центр (без изменений) Первоначальный белок(аминокислота, чей кодон удален) Мутировавший белок 34
В результате вставки внутри рамки считывания могут произойти необратимые изменения в организме. Вставка внутри рамки считывания может привести к нарушению формирования конечности, в результате вместо пятипалой формируется четырехпалая или шестипалая. Сдвиг рамки считывания приводит к более тяжелым последствиям. Одна конечность может быть заменена совершенно другой частью тела. 35
ИЗМЕНЕНИЕ ИЛИ СОХРАНЕНИЕ РАМКИ СЧИТЫВАНИЯ (Я, кажется, никак не подберу себе пару подходящих перчаток!) (А мне, пожалуйста, ОДНУ перчатку и пару шерстяных Шапок!) осторожно, здесь ямы внизу!) Вставка внутри рамки считывания Сдвиг рамки считывания 36
37
38
Перестройка ДНК Инверсия это то, что заключает в себе само название, перевёрнутый в обратном направлении сегмент ДНК. Как Вы можете себе представить, чтение отрезка ДНК задом наперёд создаёт ужасную кашу. Инверсии это определённо плохая новость. 39
• 12. 18 40
Инверсия происходит тогда, когда сегмент ДНК удаляется, переворачивается и вставляется вновь, причём в обратном направлении. 41
• Транслокация это когда отрезок ДНК перемещается из своего исходного положения в другое место, либо на той же хромосоме, либо на совершенно другой хромосоме. 42
• 12, 19 43
Если неповреждённый ген просто перемещается с одного места в другое, он может продолжать функционировать и это может принести небольшой вред. С другой стороны, если, например, половина гена переносится и вставляется где либо в другом месте, посредине другого гена, результаты будут хаотическими и принесут значительный вред. 44
• Мутации, которые вызываются агентами(мутагенами), носят название индуцированных мутаций. • Существует 2 основных типа мутагена: токсические химические вещества и радиация. • Даже если нет опасных мутагенов, мутации все равно происходят, но не так часто. 45
• Обычные типы химических веществ реагируют с ДНК и меняют химическую структуру оснований. 46
• Например, химический мутаген этилметансульфанат (ЭМС) добавляет метильную группу к основаниям ДНК и таким образом меняет их смысл. • Под влиянием нитрита происходит замена аминогрупп гидроксильными группами, в результате чего из цитозина получается урацил. 47
Рис. 12. 20 48
• Когда приходит время репликации ДНК, то ДНК полимераза сбита с толку измененными основаниями и включает неправильные основания в новую цепь ДНК, которые она производит. 49
50
Другой тип химических мутагенов имитирует основания, которые находятся в естественной ДНК. Например, химическое соединение бромурацил напоминает по форме тимин. Он трансформируется клеткой в предшественник ДНК бромуридинтрифосфат, а затем ДНК полимераза вставляет его по ошибке туда, где должен был быть тимин. Имитаторы, которые действуют подобным образом, называются аналогами оснований. 51
52
• Тератоген это агент, который вызывает ненормальное развитие плода, приводящее к «образованию чего либо уродливого» , ( «teras» по гречески означает «чудовище» ). Наиболее известным тератогеном, вызывающим врожденные пороки развития (ВПР) является талидомид. Его воздействие приводит к рождению уродливых детей, у которых часто не бывает рук и ног и т. д. 53
54
55
56
ФИЗИЧЕСКИЕ МУТАГЕНЫ • Высокочастотное электромагнитное излучение, ультрафиолетовое излучение (УФ излучение), рентгеновские лучи и гамма излучение непосредственно повреждают ДНК. Ультрафиолетовое излучение заставляет два соседних тиминовых основания вступать в реакцию между собой, производя тиминовые димеры. Они сбивают с толку ДНК полимеразу, которая делает ошибки при синтезе новой цепи ДНК. 57
Рисунок 12. 25 58
• Ультрафиолетовые лучи излучаются солнцем. Большая их часть поглощается озоновым слоем в верхних слоях атмосферы, и они не достигают поверхности земли. 59
(РИС. Т 12. 26) 60
• Озоновый слой разрушается хлорпроизводными циклических углеводородов. Они широко используются в аэрозольных установках и холодильниках. Возросшее УФ излучение, достигающее нас, решительно увеличивается. Но прежде чем УФ излучение погубит животный мир, оно уничтожит все растения, и Вы достойно встретите голодную смерть. 61
• Рентгеновские лучи. На ранних этапах развития молекулярной биологии их часто использовали, чтобы вызвать мутации в лабораторных условиях. Рентгеновские лучи имеют тенденцию производить множественные мутации и часто производят перестройку ДНК, вызывая делеции, инверсии и транслокации. Поэтому, когда Вам делают рентген грудной клетки, Ваши детородные органы защищают свинцовым фартуком, который является эквивалентом пуленепробиваемого жилета для генетика. 62
• В настоящее время ученые обнаружили , что в ДНК многих организмов имеются места , где мутации происходят намного чаще. Все мутации, которые происходят на таком участке, обычно идентичны. Они называются участками гена, наиболее подверженными изменениям ( «горячие места» ). 63
• МУТАЦИИ В ОДНОМ ГЕНЕ E. COLI КОНЦЕНТРИРУЮТСЯ В УЧАСТКЕ ГЕНА, НАИБОЛЕЕ ПОДВЕРЖЕННОМ ИЗМЕНЕНИЯМ bp Протяжённость вдоль гена 64
• Большинство таких участков имеют место из за случайного присутствия метилцитозиновых оснований в ДНК, которые образуются в результате метилирования. Метилирование – присоединение метильной группы к цитозину и образование метилцитозина. Метилирование приводит к уменьшению транскрипционной активности гена. 65
Метилцитозиновые основания создаются после синтеза ДНК и правильно образуют пару с гуанином, совсем как нормальный цитозин. Однако, периодически одно из таких метилцитозиновых оснований спонтанно превращается в метилурацил. Он образует пару с аденином, а не с гуанином, и, таким образом, когда ДНК реплицируется в следующий раз, появляется ошибка. 66
НОМЕНКЛАТУРА МУТАЦИЙ Разработана и постоянно совершенствуется система записи различных типов мутаций, а также генных полиморфизмов. Последний вариант такой номенкла туры, одобренный Международным комитетом, принят в 1996 году. Система рассчитана на запись аминокислотных за мен в белках , нуклеотидных замен и перестановок в ДНК. 67
Каждой аминокисло те соответствует однобуквенный символ , слева записывается нормаль ный вариант аминокислоты, справа — мутантный, а номер в центре соответству ет месту замены в пептидной цепочке. Например, запись D 44 G означает замену аспарагина на глицин в 44 м положении полипептидной цепи, а А 655 Е — аланина на глутамин в положении 655 белкового продукта. Так записываются варианты аминокислотных замен при миссенс мутациях. 68
Буквой X обозна чается место остановки синтеза полипептидной цепи при нонсенс мутациях. На пример, Q 39 X означает замену глицина на стоп сигнал в 39 м кодоне, a W 1282 X — триплета, кодирующего триптофан на стоп кодон в положении 1282. Отсутствие аминокислоты обозначают значком «∆» —дельта. Например, ∆F 508 означает отсут ствие фенилаланина в∆F 508 положении трансмембранного регуляторного белка муковисцидоза. 69
Принципиальная схема записи и нумерации нуклеотидов приведена на рисунке. 70
Отсчет нуклеотидов в молекуле ДНК начинается с первого смыслового кодона, так что нуклеотид под номером +1 соответствует первому нуклеотиду в молекуле к. ДНК (комплементарная ДНК). Справа налево от 3' к 5' концу от первого кодона нуклеотиды записывают со знаком « —» , от 5' к 3' — со знаком «+» . Нуклеотиды экзонов обозначают заглавными буквами, интронов — строчными. 71
72
Нуклеотидная система записи особенно важна для обозначения делеций, инсерций, сплайсинговых мутаций и полиморфизмов, не связанных с заменами аминокислот. При делеции трех и более нуклеотидов указывается только их число. Так, 852 del 22 означает делецию 22 нуклеотидов, начиная с 852 го нуклеотида. 73
74
Репарация ДНК Даже если Ваши гены повреждены, не всё потеряно. Большинство клеток содержат множество систем контроля повреждения, и некоторые из них могут репарировать повреждённую ДНК. Существует несколько систем репарации ДНК, которые предназначены для решения различных проблем, и часто весьма сложных. 75
Например, два основания, одно против другого, не подходят другу и, таким образом, неправильно образуют водородную связь. 76
Это вызывает небольшую выпуклость в двойной спирали ДНК, что сигналит белкам о приведении в состояние готовности системы репарации несоответствия. 77
(Рис. 12. 36). 78
Репарация несоответствия система репарации ДНК, которая «узнаёт» неправильно спаренные основания. Эта система репарации вырезает неправильное основание и заполняет пробел правильным основанием, чтобы создать должным образом связанную пару оснований. 79
Наиболее широко распространенной системой, которая имеет дело с мутантной ДНК, является восстановление (репарация) путем вырезания, когда отрезок поврежденной ДНК вырезается и полученный в результате пробел заполняется новой ДНК. Эта система часто называется ДНК репарацией «за счет иссечения и заполнения брешей» . 80
Например, тиминовый димер, который вызывается УФ излучением, вызывает выпуклость ДНК. Сначала производится разрез с одной стороны выпуклости. Затем ДНК-полимераза I производит короткую нить замещения для повреждённого участка. Когда ДНК- полимераза I движется вдоль цепи, она параллельно вырезает старую нить. В итоге старая нить отрезается и новый сегмент 81
82
Полимераза I умеет шить лучше, чем Ваша мама; когда она закончила «ремонт» Ваших генов, Вы не найдёте видимых стежков на том месте, куда был вставлен новый отрезок! 83
Мутации имеют принципиальное значение для нас по двум главным причинам. Во первых, если мутация происходит в репродуктивных клетках и может наследоваться, то она может иметь значительное воздействие на жизнь. 84
Во вторых, мутации, которые не наследуются, а возникают после рождения в клетках тела, могут вызывать рак. 85
86
БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ! 87
Отдельный тип представлен так называемыми «динамическими» мутациями, которые характеризуются нарастанием числа триплетных повторов в кодирующих или некодирующих частях генов. Этот новый класс мутаций, как установлено, характерен для весьма полиморфной группы наследственных заболеваний, называемых «болезнями экспансии» . Увеличение числа повторов может по разному сказываться на функциях соответствующих генов. 88
Нарастание числа кодонов CAG ведет к синтезу белков с необычно длинными монотонными участками глутаминовой аминокислоты. Такие белки, как оказалось, обладают ток сичным действием, вызывая избирательную гибель нервных клеток определен ного типа. Это приводит к возникновению нейродегенеративных заболеваний, таких как хорея Гентингтона, болезнь Кеннеди, болезнь Джозефа-Мачадо, ряд спиноцеребральных атаксий. 89
При других наследственных заболеваниях (синдроме ломкой X хромосомы, миотонической дистрофии, атаксии Фридрейха, одной из редких форм эпилеп сий)увеличение числа триплетных повторов нарушает транс крипциюи приводит к дефициту соответствующих белков. В основе механизма экспансии, как предполагается, лежит нарушение про цесса репликации микросателлитной ДНК (тандемный повтор с изменяющимся числом повторяющихся единиц, каждый из которых имеет длину от 1 до 6 полинуклеотидов), в частности, скольжение в репликационной вилке. 90
91
Никола й Влади мирович Тимофе ев Ресо вский (7 сентября 1900, Москва — 28 марта 1981, Обнинск) — биолог, генетик. Основные направления исследований: радиационная генетика, популяционная генетика, проблемы микроэволюции. Научно исследовательская деятельность Тимофеева Ресовского внесла фундаментальный вклад в ряд областей современной биологии. Он открыл и обосновал фундаментальные положения современной генетики развития и популяционной генетики. Он также принял участие в создании основ современной радиационной генетики. 92
Изучая механизмы проявления генов, он пришёл к выводу, что единичная мутация может вызывать множественные изменения во внешнем облике организма. В 1930 х годах совместно с будущим лауреатом Нобелевской премии Максом Дельбрюком Тимофеев Ресовски создал первую биофизическую модель структуры гена и предлагал возможные способы его изменения. 93
Скачать презентацию 1 Сам ГМУ 95 лет ГБОУ
4. Генные мутации, классификация. Стратегия идентификация генов наследственных болезней человека.pptx