Мутации: типы и последствия

Урок о том, какими бывают изменения в ДНК и почему одни проходят незаметно, а другие меняют белок целиком.

Мутация — стойкое изменение последовательности ДНК, которое может передаваться при делении и наследоваться.

Зачем нужны мутации

Мутации — это и причина болезней, и источник разнообразия, на котором работает эволюция. Без них не было бы новых признаков и видообразования. Большинство мутаций нейтральны или вредны, но редкие полезные закрепляются отбором.

Точечные мутации

Самый частый тип — замена одного основания на другое. Последствия зависят от того, как замена отразится на кодоне:

Синонимичная (молчащая) — кодон меняется, но аминокислота та же (спасибо вырожденности кода).
Миссенс — меняется одна аминокислота. Может быть безвредной или критичной.
Нонсенс — кодон превращается в стоп, белок обрывается раньше времени.

code = {
    "AUG": "M", "GAA": "E", "GAG": "E", "GUA": "V", "UAA": "*",
    "AAA": "K", "AAG": "K", "CAA": "Q",
}

original = "GAA"
for mutant in ["GAG", "GUA", "UAA"]:
    a1 = code[original]
    a2 = code[mutant]
    if a2 == "*":
        kind = "нонсенс (стоп)"
    elif a1 == a2:
        kind = "синонимичная"
    else:
        kind = "миссенс"
    print(original, a1, "->", mutant, a2, "|", kind)

Вывод:

GAA E -> GAG E | синонимичная
GAA E -> GUA V | миссенс
GAA E -> UAA * | нонсенс (стоп)

Вставки, делеции и сдвиг рамки

Если в ДНК добавляется или выпадает один-два нуклеотида, сдвигается рамка считывания — и весь белок после места мутации меняется. А вот вставка или делеция, кратная трём, сдвига рамки не вызывает (выпадает или добавляется целая аминокислота). Это объясняет, почему мутации со сдвигом рамки обычно тяжелее.

Как работает под капотом

Откуда берутся мутации? Из ошибок репликации (несмотря на проверку), из повреждений ДНК ультрафиолетом, химией, излучением. У клетки есть системы репарации, которые ловят и чинят большинство повреждений. Мутацией становится лишь то, что репарация пропустила и что закрепилось при следующем делении. Поэтому частота мутаций низкая, но не нулевая.

Частые ошибки

Считают любую мутацию вредной. Многие нейтральны, а некоторые полезны.
Думают, что замена основания всегда меняет белок. Синонимичная замена белок не трогает.
Полагают, что делеция трёх нуклеотидов так же опасна, как делеция одного. Кратная трём не сдвигает рамку.

Итог

Точечные мутации бывают синонимичными, миссенс и нонсенс.
Вставки и делеции, не кратные трём, сдвигают рамку и меняют весь белок дальше по цепи.
Источники: ошибки репликации и повреждения ДНК; репарация чинит большую их часть.
Мутации — топливо эволюции, а не только причина болезней.