Супрессия

Супрессия, или подавление, фенотипического проявления одной мутации при возникновении другой мутации есть широко распространенное генетическое взаимодействие, механизм которого следует рассматривать на различных уровнях клеточного метаболизма.

Следует рассматривать два основных направления мутационного процесса: прямое мутирование и ревертирование. Всякая мутация, приводящая к отклонению от дикого типа, считается прямой мутацией. Всякая мутация, приводящая к частичному или полному восстановлению дикого типа, считается реверсией. Реверсии по своему происхождению представляют собой весьма разнородную группу изменений.

Как теперь известно, восстановление дикого фенотипа может происходить не только за счет обратных мутаций, т. е. не только за счет восстановления аллели дикого типа того гена, который изменен в случае прямой мутации, но и за счет новых изменений уже мутантного генотипа. При этом вторая мутация (супрессорная) подавляет фенотипическое проявление первой (прямой) мутации. Исходя из того, что супрессорные мутации могут произойти как в том же гене, где произошла прямая мутация, так и в ранее (при прямой мутации) не измененном гене, то принято говорить о внутригенных супрессорах и генах-супрессорах.

Внутригенными супрессорами называют повторные изменения уже мутантного гена, приводящие к восстановлению дикого фенотипа. Случай возникновения внутригенного супрессора можно назвать нетождественной обратной мутацией.

Генами-супрессорами называются любые гены, не затронутые прямой мутацией, изменения в которых приводят к фенотипическому подавлению прямой мутации.

Таким образом, следует рассматривать три типа реверсий:

• обратные мутации,
• нетождественные обратные мутации,
• мутации генов-супрессоров.

По-видимому, истинно обратные мутации чрезвычайно редки, так как маловероятно восстановление исходного нуклеотида, замененного при прямой мутации.

Именно взаимодействие мутаций типа вставки или выпадения пары оснований в ДНК одного гена было использовано Ф. Криком для доказательства триплетности генетического кода. Если прямая мутация выражалась в выпадении пары оснований, то происходил сдвиг считывания кода вправо от этой мутации, принимая, что код всегда считывается слева направо. Если вблизи от точки прямой мутации в том же гене происходила мутация — вставка пары оснований, то она служила внутригенным супрессором по отношению к прямой мутации, так как при этом происходила нормализация считывания вправо от вставленной пары оснований. Таким образом, внутривенная супрессия осуществлялась на уровне считывания кода. В этом случае участок гена между мутациями вставка — выпадение должен оставаться не нормализованным. Это было доказано с использованием мутантов бактериофага Т₄, несущих изменения в гене, контролирующем образование белка фаговой оболочки. Оказалось, в случае супрессии указанного типа, хотя и образуются полноценные фаговые частицы, участок полипептида, контролируемый участком гена, заключенным между вставкой и выпадением, оказался полностью отличным по аминокислотному составу от аналогичного полипептидного участка в белке фага дикого типа. Очевидно, что данный тип внутригенной супрессии возможен только в том случае, если участок полипептидной цепи, остающийся измененным, не играет существенной роли в специфическом складывании, а, следовательно, и в функционировании всей белковой молекулы.

Второй тип внутригенной супрессии был описан Ч. Яновским, Изучавшим генетический контроль фермента триптофан-синтетазы бактерии Escherichia coli. Этот автор показал, что если прямая мутация выражается в замене пары оснований ДНК (именно в замене, а не во вставке или выпадении), то в белке, контролируемом данным геном, это будет выражаться заменой всего одной аминокислоты. Некоторые такие замены приводят к инактивации соответствующего белка. Если в гене, претерпевшем такое изменение, произойдет вторая мутация подобного же рода, то две аминокислотные замены в полипептидной цепи в некоторых случаях взаимодействуют таким образом, что происходит взаимная компенсация двух изменений и активность соответствующего белка восстанавливается.

Таким образом, внутригенная супрессия этого типа осуществился на уровне взаимодействия различных участков полипептидной цепи при образовании вторичной, третичной или четвертичной структуры белка. Детали такого взаимодействия в настоящее время известны в силу нашего неполного знания закономерностей образования белковой молекулы.

Геном-супрессором считается всякий ген, мутантная аллель которого, взаимодействуя с мутантной аллелью гена, измененного прямой мутацией, приводит к восстановлению дикого фенотипа ревертанта. Генную супрессию следует рассматривать как частный случай эпистаза — такого генетического взаимодействия, в котором один ген (эпистатический или супрессор) подавляет проявление

другого гена. Это определение генов-супрессоров ничего не говорит о механизмах супрессии, которые могут быть в данном случае весьма различны. В настоящее время рассматриваются три основных типа механизмов действия генов-супрессоров.

1. Прямая мутация выражается в блокировании биосинтеза какого-либо соединения, мутация гена-супрессора может привести к возникновению нового пути биосинтеза недостающего метаболита.

2. Прямая мутация приводит к тому, что мутантный белок становится чувствительным к каким-либо нормальным компонентам клетки, например к ионам тяжелых металлов. В таком случае мутация гена, приводящая к снижению концентрации ингибитора _ ионов тяжелых металлов, будет супрессором, так как мутация как бы активирует мутантный белок.

3. Наконец, возможна супрессия за счет изменения системы считывания генетической информации. В этом случае следует рассмотреть два типа прямых мутаций:

а) мутации, ведущие к аминокислотным заменам в белке, и б) мутации-нонсенсы, или мутации-бессмыслицы, т. е. такие изменения в ДНК гена, которые приводят к возникновению триплета, не соответствующего ни одной из двадцати аминокислот, входящих в белки. В этом случае и-РНК — отпечаток соответствующего мутантного гена, как обычно соединяется с рибосомой, где служит матрицей для сборки полипептидной цепи. Эту сборку осуществляют молекулы т-РНК, каждая из которых приносит «свою» аминокислоту. Как только на рибосоме оказывается бессмысленный кодон, рост полипептида прекращается, ибо каждый следующий кодон может быть считан только при условии прочтения предыдущего, а нонсенс не считывается.

Оба типа мутаций — мутации, приводящие к аминокислотным заменам, и мутации-нонсенсы — могут быть супрессированы за счет изменения генов, контролирующих либо структуру рибосом, либо структуру т-РНК, либо структуру активирующих ферментов, обусловливающих специфическое связывание аминокислот и т-РНК.

Изменение любого из указанных компонентов белоксинтезирующего аппарата может приводить к ошибкам включения аминокислот в белки, т. е. к включению одних аминокислот на место других, что как раз и необходимо для супрессии прямых мутаций, приводящих к заменам аминокислот. Возможны супрессорные мутации, приводящие к «осмыслению» нонсенсов, т. е. изменений рибосом, т-РНК или активирующих ферментов, при которых кодон-нонсенс иногда считывается как кодон для одной из аминокислот.

Поскольку аппарат синтеза белка является общим для веси клетки ген-супрессор, обусловливающий явление супрессии, основанное на ошибках белоксинтезирующего аппарата клетки, имеет двойной эффект: 1) супрессия прямой мутации за счет восстановления некоторого количества нормальных продуктов мутантного гена; 2) нарушение в том же проценте случаев синтеза целого ряда, или всех белков клетки, несущей ген-супрессор, поскольку аппарат синтеза белка является общим для всей клетки.

Известно, что белки-ферменты обладают огромным «запасом» активности. Так, активность некоторых ферментов у грибов и бактерий может быть в десятки раз снижена по сравнению с диким типом, однако это не отражается заметным образом на жизнеспособности клеток. Таким образом, в качестве супрессоров описываемого типа могут служить те мутации, которые приводят к некоторой Частоте ошибок в считывании генетического кода, приемлемой точки зрения соотношения эффектов исправления и порчи белков — генных продуктов.

Способность генов-супрессоров подавлять проявление тех или иных прямых мутаций называется их специфичностью. Следует различать генную специфичность супрессоров, т. е. их способность подавлять проявление мутаций определенных генов, и аллельную специфичность супрессоров, т. е. их способность подавлять проявление определенных мутантных аллелей одного и того же гена.

Рассмотренные нами основные механизмы супрессии находятся непосредственной связи с характером специфичности супрессоров. Так, первый из рассмотренных механизмов обусловливает генную, но не аллельную, специфичность супрессоров. В то же время второй и третий механизмы обусловливают аллельную, но не генную, специфичность.

Исходя из сказанного, характер специфичности гена-супрессора может указывать на примерный механизм его действия.

Таким образом, в настоящее время система функционирования генотипа представляется в виде сложных генных взаимодействий, осуществляемых через взаимодействие генных продуктов. Изучение взаимодействия генов на молекулярном уровне открывает новый период синтеза наших знаний о генотипе как о целостной системе и о действии генов в онтогенезе.

Итак, анализ гена генетическими методами позволил углубить ваши знания о структуре наследственной информации и системы действия гена.

1. Ген является функционально неделимой единицей наследственной информации.

2. Аллельные отношения независимо возникающих мутаций, сходных по фенотипу, находят свое отражение в явлениях комплементарности и рекомбинации.

3. Внутри гена могут происходить процессы мутирования и рекомбинации.

4. Модель ДНК отвечает всем требованиям программирования (кодирования) наследственной информации, репликации гена, мутирования и рекомбинации на молекулярном уровне.

5. Ген характеризуется определенным набором нуклеотидов и их определенной последовательностью в ДНК. В разных генах количество нуклеотидов различно.

6. Ген не принимает непосредственного участия в синтезе белка. ДНК гена служит матрицей для молекул информационной РНК.

7. Первичным генным продуктом является информационная РНК, комплементарная одной из нитей ДНК.

8. Ген функционирует в системе ДНК — РНК — белок, на которую влияют как система взаимодействия генов, так и факторы внешней среды.