Кіріспе
Бір ДНК немесе РНК нуклеотидінің орнын алмастыру, қосымша енгізу немесе жойылу. Нүктелік мутация – ағзаның геномындағы ДНК немесе РНК тізбегінен бір нуклеотидтік базаның өзгеруі, қосымша енгізілуі немесе жойылуы арқылы туындайтын генетикалық мутация. Нүктелік мутациялар төмендегі ақуыз өніміне әртүрлі әсер етеді, және мутацияның ерекшеліктеріне байланысты осы әсерлерді шамалы болжауға болады. Бұл салдарлар ақуыз өндірісі, құрамы және функциясына қатысты ешқандай әсер етпеуден (мысалы, синонимді мутациялар) бастап, зиянды әсерлерге (мысалы, сүйір мутациялар) дейін жетеді.
A point mutation is a genetic mutation where a single nucleotide base is changed, inserted or deleted from a DNA or RNA sequence of an organism's genome. Point mutations have a variety of effects on the downstream protein product—consequences that are moderately predictable based upon the specifics of the mutation. These consequences can range from no effect (e. g. synonymous mutations) to deleterious effects (e. g. frameshift mutations), with regard to protein production, composition, and function.
Себептер
Нүктелік мутациялар көбінесе ДНК репликациясы кезінде пайда болады. ДНҚ репликациясы – бір қос спиральды ДНҚ молекуласы екі жеке спиральды ДНҚ-ға айналғанда жүзеге асады, олардың әрқайсысы толықтырылған жіпті құру үшін матрица болып табылады. Тек бір нүктелік мутация бүкіл ДНҚ тізбегін өзгерте алады. Бір пурин немесе пиримидиннің өзгеруі нуклеотидтер кодтайтын аминқышқылының өзгеруіне алып келуі мүмкін. Нүктелік мутациялар ДНК репликациясы кезінде спонтанды түрде пайда болатын мутациялардан туындауы мүмкін. Мутагендер мутация жылдамдығын арттыруы мүмкін. Мутагендер физикалық, мысалы, ультракөк сәулелер, рентген сәулелері немесе жоғары температура, немесе химиялық (ДНҚ-ның спиральді құрылымын бұзатын немесе базалық жұптарды бұрмалайтын молекулалар) болуы мүмкін. Қатерлі ісіктерге байланысты мутагендер осы ісіктердің пайда болу себептерін және олардан қалай сақтануға болатынын анықтау үшін зерттеледі. Нүктелік мутациялардың пайда болуының бірнеше жолы бар. Біріншіден, ультракөк (УК) сәулелер мен жоғары жиілікті сәулелер иондау қабілетіне ие, бұл өз кезегінде ДНК-ға әсер ете алады. Екіншіден, жасуша метаболизмінің қосалқы өнімдері болып табылатын, еркін радикалдармен реактивті оттегі молекулалары ДНК-ға зиян келтіруі мүмкін. Бұл реактивтер жеке және қос спиральды ДНК-ның үзілуіне әкелуі мүмкін. Үшіншіден, ДНК-дағы байланыстар уақыт өте келе ыдырайды, бұл ДНК-ның тұтастығын жоғары деңгейде сақтау үшін қосымша қиындық тудырады. Сонымен қатар, репликация қателіктері де болуы мүмкін, олар алмастыру, енгізу немесе жою мутацияларына әкелуі мүмкін.
Өтпелі/өткіншілік санаттама
1959 жылы Эрнст Фризе нүктелік мутациялардың әртүрлі типтерін жіктеу үшін "өтпелер" немесе "трансверсиялар" терминдерін енгізді. Өтпелер – пурин негізін басқа пуринмен немесе пиримидин негізін басқа пиримидинмен алмастыру. Трансверсиялар – пурин негізін пиримидинмен немесе керісінше алмастыру. Өтпелердің (Альфа) және трансверсиялардың (Бета) мутациялық деңгейлері арасында жүйелі айырмашылық бар. Өтпелер трансверсиялардан шамамен он есе жиі кездеседі.
Функционалдық жіктелу
Ақымақтық мутацияларға Stop gain және Start loss жатады. Stop gain – бұл трансляцияны ертерек тоқтатуға себеп болатын мутация (тоқтату кодоны пайда болды), ол трансляцияның аяқталғанын сигналдайды. Бұл үзіліс нәтижесінде протеиннің қалыптан тыс қысқаруына әкеледі. Жоғалған аминқышқылының саны протеиннің қызметіне және оның қызмет ете алатынына әсер етеді. Бұл екеуі де консервативті емес (мағынасы өзгерген) мутацияның мысалы. Тыныш мутациялар бірдей аминқышқылын кодтайды ("синонимдік алмастыру"). Тыныш мутация протеиннің жұмыс істеуіне әсер етпейді. Бір нуклеотид өзгеруі мүмкін, бірақ жаңа кодон сол аминқышқылын көрсетеді, нәтижесінде мутацияланбаған протеин пайда болады. Бұл өзгеріс синонимдік өзгеріс деп аталады, себебі ескі және жаңа кодондар бірдей аминқышқылын кодтайды. Мұндай мүмкіндік 64 кодонның тек 20 аминқышқылын анықтауына байланысты. Дегенмен, әртүрлі кодондар протеиннің экспрессия деңгейінің өзгеше болуына әкелуі мүмкін.
Жалпы салдарлары
Кодталмаған тізбектерде кездесетін нүктелік мутациялар көбінесе салдары аз болады, бірақ ерекшеліктері де бар. Егер мутацияланған негіз жұптары геннің промоторлық бөлігінде орналасса, геннің экспрессиясы өзгеруі мүмкін. Сондай-ақ, егер мутация интронның тігіс орнында туындаса, бұл транскрипцияланған пре-мРНҚ-ның дұрыс тігілуіне кедергі келтіруі мүмкін. Тек бір аминқышқылының өзгеруі бүкіл пептидті, соның ішінде бүкіл ақуызды өзгерте алады. Жаңа ақуыз – ақуыздың түрі деп аталады. Егер бастапқы ақуыз жасушалық көбеюге қатысса, онда бұл бір нүктелік мутация аталған организмнің жасушалық көбею процесін толығымен өзгерте алады. Жыныс жасушаларындағы нүктелік мутациялар пайдалы да, зиянды да қасиеттерге немесе ауруларға алып келуі мүмкін. Бұл организм тіршілік ететін ортаға байланысты бейімделуге себеп болады. Ұтымды мутация сол организмге артықшылық береді және осы қасиеттің ұрпақтан ұрпаққа берілуіне, халықтың жақсаруына және пайдаға ие болуына мүмкіндік туғызады. Эволюцияның ғылыми теориясы жасушалардағы нүктелік мутацияларға тікелей байланысты. Теория Жердегі тірі организмдердің әртүрлілігі мен тарихын түсіндіреді. Нүктелік мутацияларға қатысты, ол пайдалы мутациялар организмге өркендеуге және көбеюге мүмкіндік береді, осылайша оңтайлы өзгерген гендерін келесі буынға жеткізеді. Керісінше, зиянды мутациялар организмнің өлуіне немесе көбею мүмкіндігінің төмендеуіне әкелуі мүмкін, бұл құбылыс табиғи іріктеу деп аталады. Мутациялардан туындауы мүмкін қысқа және ұзақ мерзімді әсерлер әртүрлі. Шағын өзгерістер жасуша циклының көптеген сатыларында тоқтауға әкелуі мүмкін. Мысалы, глицин аминқышқылын кодтайтын кодон тоқтату кодонына ауысуы мүмкін, бұл өндірілуі керек ақуыздардың деформациялануына және олардың арналған қызметтерін орындай алмауына себеп болады. Мутация ДНК-ға және, демек, хроматинге әсер етуі мүмкін болғандықтан, толық хромосоманың болмауынан митоз процесіне тосқауыл қоюы мүмкін. ДНК-ның транскрипциясы мен репликациясы кезінде де қиындықтар туындауы мүмкін. Бұл процестердің барлығы жасушаның көбеюіне кедергі келтіріп, оның өліміне әкелуі мүмкін. Ұзақ мерзімді әсерлер хромосоманың тұрақты өзгеруі болуы мүмкін, бұл мутацияға алып келеді. Бұл мутациялар пайдалы немесе зиянды болуы мүмкін. Қатерлі ісік – олардың зиянды болуының мысалы. Нүктелік мутациялардың немесе ДНК-дағы жалғыз нуклеотидтік полиморфизмдердің басқа да әсерлері мутацияның ген ішіндегі орналасуына байланысты. Мысалы, егер мутация геннің кодтау үшін жауапты бөлігінде орын алса, кодталған ақуыздың аминқышқылдық тізбегі өзгеруі мүмкін, бұл оның функциясына, орналасуына, тұрақтылығына немесе ақуыз кешеніне әсер етуі мүмкін. Ақуыздарға әсер ететін қате мутациялардың әсерін болжау үшін көптеген әдістер ұсынылған. Машиналық оқыту алгоритмдері өздерінің модельдерін белгілі аурулармен байланысты бейтарап мутацияларды ажырату үшін жаттықтырады, ал басқа әдістер өздерінің модельдерін нақты оқытпайды, бірақ барлық әдістер эволюциялық сақталуын пайдаланады, себебі сақталған позициялардағы өзгерістер зиянды болуы мүмкін деп есептейді. Көптеген әдістер мутациялардың әсерін зиянды және зиянсыз деп жіктейді, бірақ бұл мутациялар ақуыздарға неге және қалай зиян келтіретінін түсіндіру үшін жаңа деңгейдегі түсіндіру қажет. Сонымен қатар, егер мутация транскрипциялық механизм ақуызға байланысатын геннің бөлігінде орын алса, онда мутация транскрипциялық факторлардың байланысына әсер етуі мүмкін, өйткені транскрипциялық факторлар танитын қысқа нуклеотидтік тізбектер өзгереді. Бұл аймақтағы мутациялар геннің транскрипциясының тиімділігіне әсер етуі мүмкін, бұл өз кезегінде мРНҚ деңгейін және жалпы ақуыз деңгейін өзгерте алады. Нүктелік мутациялар ақуыздың мінез-құлқына және көбеюіне әсер етуі мүмкін, бұл мутация ақуыздың аминқышқылдық тізбегінде қай жерде пайда болғанына байланысты. Егер мутация ақуызды кодтау үшін жауапты геннің бөлігінде орын алса, аминқышқылы өзгеруі мүмкін. Аминқышқылдарының тізбегіндегі шағын өзгеріс оның функциясын, белсенділігін, яғни белгілі бір ферментпен қалай байланысатынын, ақуыздың жасуша ішінде қайда орналасатынын немесе ақуыз ішінде сақталатын еркін энергия мөлшерін өзгертуі мүмкін. Егер мутация геннің транскрипциялық механизм ақуызға байланысатын бөлігінде орын алса, онда мутация транскрипциялық факторлардың байланыс жолына әсер етуі мүмкін. Транскрипция механизмдері қысқа нуклеотидтік тізбектерді тану арқылы ақуызға байланысады. Бұл аймақтағы мутация бұл тізбектерді өзгертуі мүмкін, содан кейін транскрипциялық факторлардың байланыс жолын өзгертеді. Бұл аймақтағы мутациялар геннің транскрипциясының тиімділігіне әсер етуі мүмкін, бұл мРНҚ және жалпы ақуыз деңгейлерін бақылайды.
Қатерлі ісік
Бірнеше ісікке қарсы белоктардың нүктелік мутациялары қатерлі ісіктің пайда болуына себеп болады. Мысалы, аденоматты полипоз-колидегі нүктелік мутациялар ісік пайда болуын күшейтеді. Жаңа тәсіл – жылдам параллель протеолиз (FASTpp) – жекелеген қатерлі ісік ауруларындағы нақты тұрақсыздық кемшіліктерін жылдам анықтауға мүмкіндік береді.
Нейрофиброматоз
Нейрофиброматоз Neurofibromin 1 немесе Neurofibromin 2 гендеріндегі нүктелік мутациялардың нәтижесінде пайда болады.
Қалқаншалық анемия
Қалқанша клеткалы анемия гемоглобиннің β-глобин тізбегіндегі нүктелік мутациядан туындайды, нәтижесінде гидрофильді аминоқышқыл глютамин қышқылы алтыншы позицияда гидрофобты аминоқышқыл валинмен алмастырылады. β-глобин гені 11-хромосоманың қысқа қолда орналасқан. Екі қалыпты α-глобин суббірлігінің екі мутантты β-глобин суббірлігімен байланысуы гемоглобин S (HbS) құрайды. Төмен деңгейдегі оттегі жағдайында (мысалы, биік тауларда) β-глобин тізбегінің алтыншы позициясындағы полярлы аминоқышқылдың болмауы гемоглобиннің ковалентті емес полимерленуіне (агрегациясына) әкеледі, бұл қызыл қан жасушаларын серпа пішінге деформациялайды және олардың серпімділігін азайтады. Гемоглобин – қызыл қан жасушаларында кездесетін ақуыз, ол организмде оттегі тасымалдауға жауапты. Гемоглобин ақуызын құрайтын екі суббірлік бар: бета-глобиндер және альфа-глобиндер. Бета-гемоглобин 11p15.5 хромосомасында орналасқан HBB, яғни "гемоглобин, бета" генінің генетикалық ақпаратынан жасалады. 147 аминоқышқылдан тұратын бұл полипептид тізбегіндегі бір нүктелік мутация қалқанша клеткалы анемия деп аталатын ауруға себеп болады. Қалқанша клеткалы анемия – аутосомдық рецессивті ауру, ол 500 афроамерикандықтан 1-інде кездеседі және АҚШ-та ең көп таралған қан ауруларының бірі болып табылады.
Қайталанумен туындаған нүктелік мутация
Молекулалық биологияда қайталануға себепші нүктелік мутация немесе RIP – ДНҚ-ның G:C-дан A:T-ға өту мутацияларын жинақтау процесі. Геномдық деректер RIP-тің әртүрлі саңырауқұлақтарда болатынын немесе болғанын көрсетеді, ал тәжірибелік деректер RIP-тің Neurospora crassa, Podospora anserina, Magnaporthe grisea, Leptosphaeria maculans, Gibberella zeae және Nectria haematococca түрлерінде белсенді екенін көрсетеді. Neurospora crassa-да RIP арқылы мутацияланған тізбектер көбінесе de novo метилирленеді. Реп пен Кистлер транспозонды қамтитын жоғары қайталанатын аймақтардың болуы тұрғын эффект гендерінің мутациясын ынталандыруы мүмкін деп болжады. Сондықтан мұндай аймақтарда эффект гендерінің болуы, олардың күшті таңдау қысымына ұшыраған кезде бейімделуіне және әртараптануына көмектеседі деген ұсыныс бар. RIP мутациясы әдетте қайталанатын аймақтармен шектеледі және жалғыз көшірме аймақтарда байқалмайды. Фудал және басқалар RIP мутациясының RIP әсер еткен қайталанудан салыстырмалы түрде жақын жерде пайда болуы мүмкін екендігін көрсетті. Шындығында, бұл N. crassa-да расталды, онда RIP ағыны көршілес қайталанған тізбектердің шекарасынан кем дегенде 930 бп қашықтықтағы жалғыз көшірме тізбектерде анықталды. RIP-ке әкелетін қайталанған тізбектерді анықтау механизмін түсіндіру, қабырғалық тізбектерге де әсер етуі мүмкін екенін түсінуге көмектеседі.
Механизм
RIP қайталамаларда G:C-дан A:T-ға өтетін мутацияларды тудырады, бірақ қайталама тізбектерді анықтайтын механизм әлі белгісіз. RID – RIP үшін қажетті жалғыз белгілі ақуыз. Бұл ДНК метилтрансферазаға ұқсас ақуыз, оның мутацияға ұшырауы немесе жойылуы RIP жоғалуына алып келеді. Aspergillus nidulans-тағы rid гомологы dmtA-ның жойылуы төлдіру қабілетінің жоғалуына, ал Ascobolus immersens-тегі rid гомологы masc1-нің жойылуы төлдірудегі ақауларға және мейозға дейінгі индукцияланған метилдеудің (MIP) жоғалуына себеп болады.
Салдарлар
RIP геномға еніп, көбейетін, паразиттерге ұқсас трансплантацияланатын элементтерге қарсы қорғаныс механизмі ретінде пайда болған деп саналады. RIP кодтау тізбегінде көптеген мағынасы жоқ және қате мутацияларды тудырады. Көбелек тізбектеріндегі G C-тің A T-ға жоғары деңгейде мутацияға ұшырауы, егер бастапқыда болған болса, тізбектің функционалдық ген өнімдерін жояды. Бұған қоса, көптеген C- тасушы нуклеотидтер метилденеді, соның салдарынан транскрипция азаяды.
Молекулалық биологияда қолдану
RIP қайталануларды анықтау және мутациялауда өте тиімді болғандықтан, саңырауқұлақтарды зерттейтін биологтар оны мутагенез құралы ретінде жиі пайдаланады. Бір ғана геннің екінші көшірмесі алдымен геномға енгізіледі. Содан кейін саңырауқұлақ RIP механизмін іске қосу үшін жұптасып, жыныстық циклын аяқтауы керек. Бір ғана ұрықтандыру оқиғасынан көбейтілген генде көптеген түрлі мутациялар алынуы мүмкін, оның ішінде әдетте мағынасыз мутацияларға байланысты белсенді емес аллельдер де, сондай-ақ мағынасы бар мутацияларды қамтитын аллельдер де кездеседі.
Тарих
Мейоздың жасушалық көбею процесін Оскар Гертвиг 1876 жылы ашқан. Митозды бірнеше жылдан кейін, 1882 жылы Уолтер Флеминг ашқан. Гертвиг теңіз ежікшелерін зерттей отырып, әрбір жұмыртқада ұрықтандыру алдында бір ядро, ал одан кейін екі ядро болатынын байқады. Бұл жаңалық бір сперматозоидтың жұмыртқаны ұрықтандыра алатынын, демек мейоз процесін дәлелдеді. Герман Фоль Гертвигтің зерттеулерін бірнеше сперматозоидты жұмыртқаға енгізудің әсерін тексеру арқылы жалғастырды және бір сперматозоидтан артығы енгізілгенде процесс жүрмейтінін анықтады. Флеминг 1868 жылдан бастап жасуша бөлінуін зерттеуді бастады. Осы кезеңде жасушаларды зерттеу танымал тақырыпқа айналды. 1873 жылға қарай Шнайдер жасуша бөлінуінің қадамдарын сипаттауды бастаған еді. Флеминг 1874 және 1875 жылдары бұл сипаттаманы одан әрі дамытты, қадамдарды егжей-тегжейлі түсіндірді. Ол сондай-ақ Шнайдердің ядроның таяқша тәрізді құрылымдарға бөлінетін тұжырымын сынға алып, ядроның шын мәнінде жіп тәрізді құрылымдарға бөлініп, содан кейін бөлінетінін ұсынды. Флеминг жасушалардың митоз арқылы көбейетініне қорытынды жасады. Мэтью Месселсон мен Франклин Сталь ДНК көшірмесін ашқандары үшін мақталады. Уотсон мен Крик ДНК құрылымының көшіру процесінің қандай да бір түрін меңзейтінін мойындады. Алайда, Ватсон мен Крикке дейін ДНК-ның осы аспектісі зерттелген жоқ. Адамдар ДНК көшіру процесін анықтаудың барлық мүмкін әдістерін қарастырды, бірақ Месселсон мен Стальға дейін ешқайсысы сәтті болмады. Месселсон мен Сталь ДНК-ға ауыр изотоп енгізіп, оның таралуын бақылады. Осы тәжірибе арқылы Месселсон мен Сталь ДНК жартылай консервативті түрде көбейетінін дәлелдеді.