Мутации у бактерий

Мутации (от лат. mutatio – изменение) представляют собой изменения в первичной структуре ДНК. В их основе лежат ошибки копирования наследственной информации, возникающие при репликации. Мутации разделяют на хромосомные, при изменении двух и более участков хромосомы, и генные, при изменении одного гена или цистрона.

Факторы, вызывающие мутации, известны как мутагены. Наиболее часто они бывают физической или химической природы. К мутагенам относятся различные виды радиации, температура, рад химических соединений ( нитраты, нитриты, бромурацил, 2-аминопурин, нитрозогуанидин и др.). По происхождению выделяют индуцированные, т.е. вызванные искусственно, и спонтанные («дикие») мутации.

Спонтанные мутации достаточно регулярно возникают в популяции бактерий без видимого вмешательства извне. К их появлению приводят ошибки репликации, неправильное формирование комплементарных пар оснований или структурные искажения ДНК. Генетические изменения могут быть благоприятными и неблагоприятными. Частота спонтанных мутаций – одна на каждые 10⁶-10⁷ клеток.

Обратные мутации возвращают спонтанно мутировавшую клетку к исходному генотипическому состоянию. Они наблюдаются в 10 раз реже, чем прямые спонтанные мутации. Обратные мутации, или реверсии, могут происходить в том же месте, где возникла прямая мутация («истинная»), либо в других участках (супрессорная реверсия).

Индуцированные мутации. Некоторые химические вещества – аналоги оснований (бромурацил) повышают частоту мутирования до одной мутантной клетки на 10³-10⁴ клеток. УФ-лучи с длиной волны около 260 нм обычно приводят к образованию пиримидиновых димеров.

Типы мутаций. Мутации делят на модификации оснований (изменения отдельных нуклеотидов), вставки (включение дополнительных оснований), делеции (потеря одного основания или группы оснований) и деформации спирали ДНК.

Точечные мутации (по одному основанию). Модификация оснований включает замену или вставку пары азотистых оснований в кодирующей последовательности, что приводит к изменению кодона. В результате вместо одной аминокислоты образуется другая либо возникает бессмысленный кодон.

Мутации со сдвигом считывания (фраймшифт-мутации) затрагивают один ген; обусловлены удалением или вставкой какого-либо нуклеотида в ДНК, что приводит к «сдвигу» считывания, т.е. изменению всех последующих кодонов.

Нонсенс-мутации (бессмысленные мутации) обусловлены включением в кодирующую последовательность терминального кодона, что вызывает преждевременное окончание транскрипции. Эта мутация приводит либо к синтезу очень коротких нефункциональных белков, либо к полному прекращению синтеза белка.

Мутации деформации спирали ДНК образуются в результате димеризации расположенных близко нуклеотидов, особенно тимина, индуцированной УФ-излучением. Образовавшееся циклобутановое кольцо нарушает симметрию ДНК и препятствует правильной репликации.

Механизмы репарации мутаций у бактерий

В любой живой клетке существуют биохимические механизмы, способные полностью или частично восстанавливать исходную структуру поврежденной ДНК. Известно три основных направлений коррекции дефектов ДНК: 1) Непосредственная реверсия от поврежденной ДНК к исходной структуре; 2) Эксцизия («выпадение») повреждений с последующим восстановлением исходной структуры; 3) Активация механизмов, обеспечивающих устойчивость к повреждениям.

Реверсия повреждений ДНК.

1. Световая репарация исправляет деформацию спирали ДНК, вызванную образованием димеров под действием УФ-облучения. Коррекцию дефекта, осуществляемую на свету ферментом фотолиазой, обозначают термином «фотореактивация». Фотолиаза расщепляет тиминовый димер и восстанавливает целостность соседних тиминовых оснований. Энергию для активации фотолиазы обеспечивает видимый свет.

2. Темновая репарация. За репарацию ответственны короткие нуклеотидные последовательности. В процессе принимает участие ряд бактериальных ферментов. Эндонуклеаза распознает деформированную спираль, взаимодействует с поврежденной областью, активируется и надрезает ДНК по обеим сторонам димера. Экзонуклеаза расщепляет тиминовый димер, проходит небольшое расстояние за ним и останавливается, образуя брешь в цепи ДНК длиной обычно в 12-13 нуклеотидов. Репарирующий фермент (ДНК-полимераза 1) проникает в брешь и встраивает в нее отсутствующие нуклеотиды, используя неповрежденную цепь ДНК в качестве матрицы. Лигаза сшивает вновь синтезированный блок с исходной цепью, завершая процесс репарации.

Световая и темновая репарации представляют собой безошибочный механизм, восстанавливающий исходную структуру ДНК, не внося в нее никаких дополнительных изменений.

Эксцизионная репарация, опосредованная ДНК-гликозилазой имеет похожий механизм, как при темновой репарации. Клеточные ДНК-гликозилазы распознают изменения в ДНК, произошедшие в результате алкилирования, дезаминирования или реакций разрыва кольца. Ферменты расщепляют N-гликозидную связь, соединяющую поврежденное основание с сахарофосфатным остовом, и образуют апуриновый или апиримидиноый сайт. Место отсутствия основания распознает эндонуклеаза, расщепляющая цепь ДНК вблизи дефекта. Фрагмент удаляется, а дефект восполняется в серии последовательных событий, как при темновой репарации.

Репарационные механизмы устойчивости к повреждениям ДНК. Кроме истинных механизмов исправления повреждений, клетки имеют возможность «обойти» вызванную повреждениями блокаду репликации ДНК. Такую возможность обеспечивают репарация в процессе рекомбинации (пострепликативная рекомбинационная репарация), SOS-репарация и mismatch-репарация (коррегирующая ошибочные пары оснований).