ДНК, также известна как дезоксирибонуклеиновая кислота, — один из трех основных макромолекул наряду с РНК и белками. Ее задача — хранение, передача из поколения в поколение и реализация генетической информации.
Впервые ДНК описана в 1953 году двумя учеными — Уотсоном и Криком. Спустя время появилась и Центральная догма молекулярной биологии, которая дала полное описание всех свойств молекулы. Так, хранящаяся в ней информация может:
возобновляться в новой копии ДНК;
переноситься в РНК;
перемещаться в белок из РНК;
возвращаться в ДНК при обратной транскрипции.
ДНК — длинная полимерная молекула, в составе которой присутствуют повторяющиеся блоки, или нуклеотиды. Каждый такой блок содержит сахар (дезоксирибозу), азотистое основание и фосфатную группу. За счёт дезоксирибозы и фосфатной группы между ними формируются фосфодиэфирные связи.
За исключением некоторых вирусов, молекула ДНК, как правило, состоит из двух нуклеотидных цепей. Один нуклеотид включает в себя 4 азотистых основания:
аденин (A),
гуанин (G),
тимин (T),
цитозин (C).
Азотистые основания двух цепей соединяются между собой при помощи водородных связей. В основе такого попарного образования соединений лежит принцип комплементарности: аденин (A) взаимодействует только с тимином (T), а гуанин (G) — исключительно с цитозином (C).
Функции генов
Ген представляет собой структурную и функциональную единицу наследственности. В нем заключена информация о признаках и свойствах организма. Другими словами, ген — это участок ДНК, который задает последовательность мономеров в функциональной РНК или полипептиде.
Практически все эукариотические гены, включая и человеческий, хранятся в линейных хромосомах. В одной может быть большое количество генов. Каждая такая хромосома состоит из одной длинной молекулы ДНК и размещена вместе с белками хроматина в ядре клетки. Тот ее участок, где расположен ген, — локус. Аллелями же называют варианты генов, находящиеся в одном локусе и благодаря которым отличаются друг от друга.
Без генов жизнь невозможна. В их функции входит не только хранение и передача наследственной информации, но и управление биосинтезом белков в клетке. За счет этого обеспечивается ее жизнедеятельность. Также гены регулируют рост и развитие организма, чинят другие гены при их повреждении.
Что значит «мутация генов»?
Под мутацией понимают изменение, затрагивающее ДНК, ген или хромосому. Вызвать его могут различные внешние и внутренние факторы. Например, из-за облучения ультрафиолетом при ошибке репликации.
Чаще мутации появляются перед процессом митоза, когда молекула ДНК реплицируется в ядре клетки. В этот момент происходят сбои — например, по причине того, что хромосомы неправильно выстраиваются или не могут разделиться. Хромосомные мутации в половых клетках могут передаваться следующему поколению.
Мутации могут вызвать внешние факторы, также известные как мутагены. Их называют инициированными. Примерами мутагенов служат токсичные химикаты, загрязнение воздуха, рентгеновские лучи.
Варианты мутаций
Как правило, ошибки сегрегации или репликации ДНК исправляют ферменты. Либо происходит разрушение клетки, пока ей не был нанесен серьезный ущерб. Но если попытки восстановить макромолекулу неудачны, мутации остаются внутри нее.
Возможные мутации:
Депуринация — химическая реакция, ведущая к разрыву связи между дезоксирибозой и пуриновым основанием гуанина или аденина.
Таутомерия — образование некомплементарного основания и встраивание таутомерных форм азотистых оснований. Такое возможно при репликации ДНК в ядре.
Трансверсия — обмен разной формы пиримидиновых и пуриновых оснований. Например, в мутировавшем сегменте тимин заменяется аденином.
Дезаминирование — удаление азота из аминокислоты.
Изменения типа или количества нуклеотидов называют точечными мутациями. Эффект от них может как не нести вреда, так и быть опасным для жизни. Выделяют следующие виды:
Миссенс-мутация — один нуклеотид заменяется другим, что мешает нормальному синтезу белков и их функционированию. Так, к серповидноклеточной анемии способна привести единичная точечная мутация гена бета-гемоглобина (HBB).
Нонсенс-мутации — атипичные пары оснований формируют стоп-кодон, из-за чего функционирование гена прекращается.
Мутации сдвига рамки считывания — удаление или добавление нуклеотидов, из-за чего происходит неправильное чтение кодонов. Это могут быть инсерции — вставки нуклеотидов, делеции — их удаление, в результате которых к синтезируемому белку добавляются другие аминокислоты. Примером служит бета-талассемия — вызванное мутациями гена HBB заболевание крови.
Переход — генетическая перетасовка одинаковых по форме нуклеотидных оснований. Возникает, когда часто встречающиеся пары оснований дикого типа — аденин и тимин — заменяются гуанином и цитозином.
Иногда все эти процессы происходят по причине удаления аминокислоты, нуклеотида, пары оснований или целого гена.
Также мутацией называют изменение частоты встречаемости гена в геноме. Ее увеличение наблюдается при раке молочной железы. Избыточное производство повторяющихся кодонов меняет функционирование гена. Это ведет к тому, что может развиться синдром ломкой Х-хромосомы — умственная отсталость из-за большого количества тринуклеотидных повторов, нарушающих стабильность ДНК.
Серьезные мутации провоцирует изменение структуры или количества хромосом. Во время митоза или мейоза часто развиваются хромосомные аберрации.
Выявление мутаций
Обнаружить те или иные мутационные процессы позволяет генетический анализ. Прямой метод зафиксировать их — провести исследование ДНК. Также анализируют состояние белков, проводят морфологический анализ тканей. Но по сравнению с этими методами работа с ДНК пациента остается наиболее достоверным способом выявить наличие мутации.
Изучить ДНК можно с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) и секвенирования. ПЦР позволяет наработать множество фрагментов ДНК, которые могут использоваться для секвенирования — определения последовательности нуклеотидов. Наибольшее распространение получили секвенирование по Сэнгеру и нового поколения (NGS).
Принято считать, что появление мутации фатально. И в ряде случаев так оно и есть. Однако многие из них бывают и полезными. Так, спонтанные мутации, возникающие в процессе эволюции, помогают организму приобрести новые черты или функции, которые затем будут переданы на генном уровне в следующие поколения. В целом эволюция — это результат мутационного процесса.
Однако часто мутация несет вред для организма, так как приводит к появлению тяжелых заболеваний. В числе примеров развитие онкологических процессов из-за изменений в генетической структуре.
Особенно неприятны мутации, возникающие в репродуктивных клетках. Они наследуются, а потому заболевание передается из поколения в поколение. Большинство редких патологий, таких как муковисцидоз, переходят от родителей к детям.
Список используемой литературы:
Alberts B. Molecular biology of the cell //. – 1994.
Также, вам может быть интересно
Рак молочной железы
Среди наиболее распространенных у женщин онкопатологий рак молочной железы занимает лидирующее место. Так, за 2021 год в России было выявлено около 70 000 случаев заболевания. Статистика же последних 10 лет свидетельствует о постоянном росте числа заболеваемости.
Рак поджелудочной железы — злокачественное новообразование, которое происходит из эпителиальных клеток поджелудочной железы, на ранних стадиях протекает бессимптомно и поэтому его сложно диагностировать. Как правило, при постановке диагноза уже имеется распространенный процесс, когда опухоль выходит за пределы органа и прорастает в окружающие ткани.
Распространённой онкопатологией среди мужского населения является рак предстательной железы, который уступает первенство лишь раку легкого. Заболевание встречается у мужчин в любом возрасте, независимо от профессиональной деятельности и национальности. В России опухолевый процесс диагностируется в среднем у 62 человек на 100 000 населения. А это около 14,1 % всех онкологий.
Ген TP53 впервые обнаружили в 1979 году и довольно быстро выявили его решающую роль в предотвращении развития опухолей, регуляции клеточного цикла и апоптоза, процесса регулируемой клеточной гибели. Он располагается на коротком плече 17-й хромосомы и кодирует белок p53 (антионкоген).
