Молекулярная биология, избранные разделы - Ашмарин И.П.
Скачать (прямая ссылка):
В различных белках мутации усваиваются, накапливаются с неодинаковой частотой. Из данных табл. 13 следует, что наиболее консервативными из изученных в этом отношении белков многоклеточных организмов являются некоторые гистоны. Во фракции f2al одна фиксированная отбором точечная мутация отмечена примерно за полтора миллиарда лет. Этот расчет основан на сравнении первичной структуры указанной фракции гистонов гороха и быка с учетом времени, прошедшего- с момента расщепления эволюционного древа на ветви, образующие современных животных и растения. Напротив, усвоение одной мутации такими белками, как фибринопептиды, гормон роста и иммуноглобулины, происходит в среднем каждые 1—3 миллиона лет, т. е. в 500— 1500 раз чаще. Столь резкие отличия отражают, очевидно, неоди-
наковое значение тех или иных белков в процессах жизнедеятельности и эволюции организмов, разную их филогенетическую древность и отличия в потенциальных возможностях к совершенствованию. Так, например, консервативность части гистонов и некоторых других белков Dickerson (1971) объясняет тем, что в них особенное значение имеет область молекулы, ответственная за взаимодействие с другим полимером. В этом случае мутационное
изменение выдержит отбор лишь
ТАБЛИЦА 13
Скорость накопления мутационных замен аминокислот в различных белках (по Dayhof, 1969)
при условии, что другой полимер претерпел адекватное изменение. Вероятность же такого совпадения невелика. С другой стороны, очень высокую частоту накопления мутаций у иммуноглобулинов легко объяснить их функциональными особенностями — от них требуется максимальная пластичность и разнообразие, которые позволяли бы найти наиболее эффективные сочетания структур при встречах с чужими антигенами. Возможны, наконец, ситуации, когда на функциях белка относительно мало сказывается варьирование отдельных фрагментов первичной структуры, наряду с обязательностью сохранения последовательности аминокислот в наиболее ответственных участках. Может быть, так можно объяснить довольно высокую скорость накопления мутаций у фибрино-пептидов и гемоглобинов.
Познание роли мутагенеза в процессах эволюции живых существ— задача огромной теоретической важности. Например, знание характерной средней скорости накопления мутаций в отдельных белках позволяет существенно уточнять величины интервалов времени, прошедших с момента образования различных групп живых существ. С другой стороны, индуцированный мутагенез в сочетании с искусственным отбором полезных мутантов приобрел в наше время широчайшее практическое значение. Целые отрасли промышленности по производству аминокислот, антибиотиков, энзимов (например, протеолитических и амилолитических) основаны на применении мутантных штаммов микроорганизмов, которые в сотни и более раз превышают по продуктивности природные. Мутагены служат также важным средством в ряду генетических методов получения новых сортов сельскохозяйственных растений и полезных разновидностей животных.
Белок Число замен
за 100 мил
лионов лет
Фибринопептиды ..... 90
Ростовые гормоны .... 60
Иммуноглобулины .... 34
Рибонуклеазы ...... 30
Гемоглобины .... * . . 12
Миоглобины....... 9
Гастрины......... 9
Аденогипофизарные гор-
МОНЫ •**«****•• 9
Энцефалитогенные белки
миелина ........ 7
Инсулины........ 4
Цитохромы С....... 3
Г лицеральдегид-3-фосфат-
дегидрогеназа ..... 2
Гистоны фракции /2а 1 . . 0,06
СИСТЕМЫ, ИСПРАВЛЯЮЩИЕ
ИЛИ КОМПЕНСИРУЮЩИЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ ДНК
При рассмотрении молекулярных механизмов мутагенеза уже неоднократно упоминались системы репарации, способные «залечивать» различные повреждения ДНК. Известны три таких системы: 1) так называемая темновая репарация, состоящая в вырезании поврежденного участка одной из цепей ДНК и застройке бреши новой цепью, синтезируемой на матрице неповрежденной цепи; 2) репарация в результате обмена фрагментов ДНК при трансформации, сексдукции и рекомбинации; 3) фотореактивация— энзиматическое расщепление димеров тимина светом — по-видимому, наименее универсальный из репарационных процессов (И. Фодор, 1971).
Темновая репарация начинается с «вырезания» нуклеа-зами олигонуклеотида, в котором находятся поврежденные основания (рис. 27). Первая реакция состоит в образовании насечки перед поврежденным участком при посредстве эндонуклеазы (у Е. coli это, видимо, эндонуклеаза II). Показана точность, с которой последняя находит поврежденные участки. Так, число насечек прямо коррелирует с числом димеров тимина, образовавшихся после облучения ультрафиолетом (Kaplan et al., 1971). Эндонуклеаза узнает не только димеры тимина, но и продукты алкилиро-вания и окислительного дезаминирования оснований, а также некоторые другие повреждения. Характер последующих реакций ясен в принципе, хотя в отношении деталей имеются существенные расхождения. Так, если при образовании насечки освобождается З'-ОН группа рибозы, то ДНК-полимераза I, обладающая б'-^З'-экзонуклеазной активностью, может немедленно начинать образование новой области цепочки, отщепляя одновременно поврежденные моно- или олигонуклеотидные фрагменты (см. также рис. 19 в гл. II). Напомним, что б'-^З'-экзонуклеазная активность ДНК-полимеразы I выражается не только в способности отщеплять мономеры, но и олигомеры,— в частности, содержащие димеризо-ванный излучением тимин. Имеются, однако, данные, что в кишечной палочке эндонуклеаза, производящая насечку возле поврежденного звена, расщепляет лишь связь фосфорила с б'-атомом дезоксирибозы (Kushner et al., 1971). Тогда синтез новой цепи полимеразой может начаться лишь после удаления З'-фосфорила другим энзимом — фосфомоноэстеразой. Существует, наконец, немало указаний на то, что удаление поврежденного участка и некоторого количества соседних с ним нормальных нуклеотидов производится самостоятельной экзонуклеазой, не «вмонтированной» в ДНК-по-лимеразу. Не исключено, что обнаружение самостоятельных экзо-нуклеаз такого типа является иногда результатом неглубокого про-теолитического расщепления ДНК полимеразы I с отделением фрагмента, обладающего только б'-^З'-экзонуклеазной активностью. Как уже указывалось в гл. II, возможность такого процесса доказана недавно в лаборатории Kornberg.
