Тверской государственный медицинский университет Кафедра биологии Дисциплина - «Медицинская биология» для студентов 2 курса педиатрического факультета Преподаватель – Костюк Н.В. Тверь, 2020
Повреждение ДНК - это изменение химической структуры ДНК. Мутация - стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) изменение генотипа. =
Мутация – это закрепленное в ходе клеточного деления повреждение ДНК.
Недостаточная химическая стабильность ДНК Внутренние факторы Ферменты Метаболиты Аналоги азотистых оснований Репликация Кроссинговер Клеточное деление Воздействие внешних факторов
Нарушение целостности цепей (разрывы цепей) Неспаренные основания Потеря или химическое изменение азотистых оснований Ковалентная сшивка цепей ДНК Сшивка ДНК-белок
Тип повреждения Количество в 1 клетке за сутки Разрывы цепей 55 000 Потеря азотистых оснований 2 000 – 10 000 Модификация азотистых оснований 3 000 Итого 60 000 – 65 000
Репарация – совокупность внутриклеточных процессов, направленных на исправление повреждений ДНК. Повреждение ДНК Игнорирование Репарация успешная неудачная ошибочная
Неделящаяся клетка Множественные / критические повреждения Митоз Апоптоз Продолжение жизненного цикла Мутация
Неполная репарация ДНК Репарация ДНК Генетическая стабильность Генетическая нестабильность Старение Рак Наследственные заболевания Повышение генетического разнообразия Ограничение генетического разнообразия Жизнеспособность организма
Прямая реактивация – исправление повреждения без вырезания поврежденного участка Эксцизионная репарация – связана с удалением поврежденного участка Репарация, связанная с транскрипцией – предшествует экспрессии гена Рекомбинативная репарация – основана на рекомбинации между гомологичными хромосомами Нужна неповрежденная матрица
Прямая реактивация – ферментативное исправление дефекта без вырезания поврежденного участка.
Деметилирование О О СН 3 гуанин метилгуанин Метилтрансфераза
Фотореактивация тиминовых димеров Т Т Т УФ -излучение Фотолиаза + видимый свет
Реакция Частота ошибок Присоединение нуклеотидов (ДНК-полимеразная активность) 1 на 10 7 Удаление ошибочных нуклеотидов (3 ' 5 ‘ экзонуклеазная активность) 1 на 10 2 Итого 1 на 10 9 Точность работы ДНК-полимеразы Геном человека – 3,1 · 10 9 пар нуклеотидов
Включение ошибочного АО (ДНК-полимеразная активность) Удаление ошибочного АО (3 ' 5 ‘ экзонуклеазная активность )
Эксцизионная репарация – удаление поврежденного участка и последующее застраивание бреши в соответствии с информацией, содержащейся в комплементарной цепи Система используется для репарации химически модифицированных оснований потери азотистых оснований (АР-сайты) модифицированных нуклеотидов (пиримидиновые димеры ) неспаренных оснований
ДНК-гликозилаза АР-эндонуклеаза экзонуклеаза ДНК-полимераза ДНК-лигаза Удаление АО с образованием АР-сайта Внесение одноцепочечного разрыва Формирование одноцепочечной бреши Заполнение бреши, сшивание разрывов
Остановка транскрипции, активация репарирующих белков Вытеснение РНК-полимеразы, эксцизионная репарация РНК-полимераза Репарирующие белки Дефект ДНК
Рекомбинационная (пострепликативная) репарация основана на рекомбинации между гомологичными хромосомами S, G 2 Рекомбинационная репарация
С помощью рекомбинационной репарации исправляются одноцепочечные бреши, в которых сохранившаяся цепь ДНК дефектна двухцепочечные разрывы и бреши протяженные делеции и вставки ковалентные сшивки между цепями ДНК
Образование D -петли Разрезание полухиазм Застраивание одноцепочечных брешей
Типичные проявления заболеваний повышенная чувствительность к мутагенам б ыстрое накопление генных или хромосомных мутаций п реждевременное старение п редрасположенность к раку
Генетический дефект – гены, задействованные в эксцизионной репарации Молекулярные последствия – нарушения эксцизионной репарации, прежде всего в коже Первые признаки болезни (в 2-3 года) – повышенная чувствительность к УФ, пигментация, сухость кожи, изъязвления, рубцы Пигментная ксеродерма
В дальнейшем – раковая трансформация кожи (меланомы и карциномы) Средний возраст появления рака – 8 лет Средняя продолжительность жизни – 20 лет
Атаксия- телеангиэктазия Генетический дефект – ген, продукт которого распознает двухцепочечные разрывы ДНК Биохимические последствия нарушения репарации двухцепочечных разрывов сбой в контрольной точке митоза G 1 Генетические последствия – спонтанные хромосомные абберации
Атаксия- телеангиэктазия Нервная система – ухудшение функционирования мозжечка Двигательная система – нарушение координации Кровеносная система – расширение сосудов Иммунная система ослаблена – предрасположенность к инфекциям П редрасположенность к раковым заболеваниям Продолжительность жизни – 50 лет
Генетический дефект – ген, продукт которого участвует в рекомбинационной репарации Биохимические последствия – повышенная интенсивность гомологичной рекомбинации, нарушения рекомбинативной репарации Генетические последствия спонтанные хромосомные абберации сестринские хроматидные обмены
Задержка роста и развития Свето-индуцируемое поражение капилляров кожи Нарушения иммунной системы - предрасположенность к инфекционным заболеваниям Предрасположенность к раковым заболевания Продолжительность жизни – 27 лет
- стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) изменение генотипа. Мутация – ошибка трех «Р»: Репликации Репарации Рекомбинации Мутация Повреждение ДНК Мутация =
По отношению к возможности наследования
По уровню наследственного материала
Тип мутации Частота Генные мутации 10 -7 – 10 -9 на нуклеотид на поколение (1-10 -2 на геном на поколение) Хромосомные мутации 10 -5 – 10 -6 на геном на поколение Геномные мутации 10 -2 – 10 -4 на геном на поколение
Геномные мутации – изменения числа хромосом Причина возникновения – нарушение расхождения хромосом при митозе или мейозе Трехполюсной митоз Ассиметричный митоз
Гаплоидия – кратное гаплоидному набору уменьшение числа хромосом Полиплоидия – кратное гаплоидному набору увеличение числа хромосом Триплоидия у человека 3% установленных беременностей 20% спонтанных абортов
Гаплоидия – кратное гаплоидному набору уменьшение числа хромосом Полиплоидия – кратное гаплоидному набору увеличение числа хромосом Гетероплоидия – некратное гаплоидному набору изменение числа хромосом Нулисомии (2 n-2) Моносомия (2n-1) Трисомия (2n+1) Полисомия (2n+x)
Хромосомные мутации (аберрации) – изменения структуры хромосом Причины возникновения: ошибки репарации двухцепочечных разрывов ошибки кроссинговера (негомологичная рекомбинация)
Делеция Инверсия Дупликация
Возникают при утрате обоих теломер и воссоединении открытых концов Кольцевые хромосомы обычно утрачиваюется при митозе
Транслокация – межхромосомная перестройка, при которой происходит перенос участка одной хромосомы на другую
«Филадельфийская хромосома» - транслокация 9↔22 Филадельфийская хромосома abl bcr bcr-abl 9 9 22 Хронический миелобластный лейкоз
мейоз мейоз Делеция и дупликация 25 % Нормальный кариотип 25 % Балансированная транслокация 25 % Делеция и дупликация 25 %
Обычно участвуют акроцентрические хромосомы У человека обычно затрагивает хромосомы 13,14,15,21,22 Частота встречаемости 1 : 1 000 наследуется утрачивается
Р: G : F1 : Норма Баланс. Трисомия 14 Моносомия 21 Синдром Дауна Моносомия 14
Изохромосомы состоят из двух копий одного плеча хромосомы Возникают при неправильном разделении центромеры У человека обычно затрагивает хромосомы 5,8,12,18
Дицентрические хромосомы возникают в результате соединения двух фрагментов с собственными центромерами.
Генные (точечные) мутации – изменения числа и/или последовательности нуклеотидов в пределах одного гена. Причина возникновения повреждения ДНК ошибки репарации ошибки репликации
Делеции и вставки вызывают сдвиг рамки считывания в результате синтезируется другая аминокислотная последовательность Белок Фен-Ала-Лей-Асн Фен -Цис-Иле-Асп
Нуклеотидные замены Синонимичная замена – сохранение смысла кодона → сохранение аминокислотной последовательности в белке Миссенс-мутация – изменение смысла кодона → изменение одиночной аминокислоты в белке Нонсенс-мутация – возникновение нонсенс (стоп) кодона → короткий белок из-за преждевременной остановки трансляции ТТЦ – лизин ТТ А – лизин А ТЦ – stop Т Ц Ц – аргинин
Нарушение регуляции → усиление или ослабление экспрессии Нарушение сплайсинга → изменение размера белка
«Горячие» точки – локусы гена, где чаще всего происходят мутации легкие кишечник Частота мутаций Кодоны гена р53
По влиянию на фенотип
Белок CCR5 – рецептор на поверхности лимфоцитов Мутация CCR5-D32 – делеция 32 пар нуклеотидов гена CCR5 Негативные последствия мутации – повышение риска рассеянного склероза, восприимчивости к лихорадке Западного Нила Позитивные последствия мутации – врожденный иммунитет к ВИЧ
Лимфоцит ВИЧ
Гипермутагенез – целенаправленное увеличение частоты мутаций определенных генах, прежде всего генах иммуноглобулинов Константный домен Строение антитела Вариативный домен Антигенраспознающие сайты
Исходные гены иммуноглобулинов Функциональный ген 1. Создание функционального гена
2. Внесение точечных мутаций цитозин метилцитозин тимин метилирование дезаминирование
Источник вариабельности Тяжелые цепи Легкие цепи Число V -сегментов 45 18 30 Число D -сегментов 14 - - Число J -сегментов 12 4 4 Число комбинаций V(D)J 10 4 Неточность разрывов-соединений и точечные замены 10 3 Число комбинаций цепей 10 7 Всего вариантов 10 14
В зависимости от причины
Мутагены – внешние и внутренние факторы, вызывающие мутации Мишени для мутагенов ДНК система репарации белки гены
Случайность – нельзя предсказать место мутации Ненаправленность – может создать любую модификацию признака Куммулятивность – новые мутации добавляются к ранее существовавшим (генетический груз)
Мутагены Физические Лекарственные Химические Биологические
коротковолновое электромагнитное излучение -излучение рентгеновское излучение УФ-свет элементарные частицы, образующиеся в результате радиоактивного распада α-частицы (ядра атома гелия) β -частицы (электроны и позитроны) экстремальная температура Ионизирующее излучение
Радиолиз воды Повреждение ДНК потеря и модификация азотистых оснований, разрывы цепей поперечные сшивки между цепями разветвленные цепи Повреждение белков аномальные митозы
По специфичности действия алкилирующие агенты д езаминирующие агенты с вободные радикалы и органические перекиси а налоги нуклеотидов и азотистых оснований и нтеркаляторы
Встраиваясь в случайные точки хромосом нарушают целостность генов провоцируют разрывы хромосом
Мутагенный эффект Побочное действие Целевое действие Антибиотики (тетрациклин, левомицитин ) Цитостатики ( доксорубицин ) Метилксантины (кофеин, теобромин) Иммунодепрессанты (актиномицин D ) Психотропные средства ( галоперидол ) Противовирусные препараты (ацикловир) Бактерицидные средства (фуросемид)
Химическое строение – аналог дезоксигуанозина Механизм действия – встраивается в ДНК вместо дезоксигуанозина, блокирует репликацию Мишени – вирус герпеса, ветряной оспы Влияние на человека – на репликацию собственной ДНК не влияет
Группа – цитостатический препарат Показания – лейкоз, саркома, нейробластома Механизм действия – интеркалирует в ДНК, ограничивает расплетение двойной спирали, блокирует репликацию и транскрипциюне
Группа – цитостатический препарат Показания – нейробластома, рак почки, мочевого пузыря, лёгкого, молочной железы Механизм действия – нарушает сборку трубочек веретена деления, ограничивает митоз Побочное действие – вызывает гетероплоидию и полиплоидию
Антимутагены – физические или химические агенты, препятствующие возникновению и/или снижающие частоту мутаций Механизм действия п репятствуют проникновению, ускоряют выведение мутагена ускоряют метаболизм и инактивацию мутагена усиливают процессы репарации ДНК
