Лысенко был прав!

ПРИЛОЖЕНИЕ VI. ПРИМЕРЫ ДОМИНАНТНЫХ И РЕЦЕССИВНЫХ МУТАЦИЙ

Разберем в качестве примера белок Сар1п (200). Это небольшой по размерам белок является одним из древнейших белков на Земле. Он найден практически у всех живых организмов. Функционально он является ферментом, который гидролизирует вещество, которое носит сокращённое название гуанинтрифосфат (ГТФ) и характеризуется наличием большого количества запасённой химической энергии. ГТФ представляет собой один из вариантов так называемых макроэргов, то есть веществ, где энергия фотосинтеза запасается в форме очень энергоемких соединений фосфатных групп с нуклеотидом. Из макроэргов наиболее известен аденозинтрифосфат (АТФ). Отщепив остаток фосфата, клетка может использовать высвободившуюся химическую энергию для синтеза или выполнения механической работы. ГТФ после отщепление одного фосфатного остатка превращается в ГДФ, то есть вместо трех остатков фосфата содержит только два. ГДФ тоже может быть гидролизован и тогда он превращается в ГМФ, у которого к нуклеотиду присоединен только один фосфатный ион.

Но вернемся к нашему белку Сар1 п. Функция Сар1 п состоит в том, что он инициирует прикрепление мембранного белкового покрытия, известного под именем коатомер 2, к мембране эндоплазматического ретикулума в областях, где синтезированные в эндоплазматическом ретикулуме белки концентрируются для последующего выхода из этого ретикулума и далее транспорта по направлению к пластинчатому комплексу Гольджи. Белок Сар 1 п обычно находится либо в растворенном состоянии в цитоплазме, либо случайно присоединяется к мембране эндоплазматического ретикулума. Сар1п обычно имеет приклеенную к нему молекулу ГДФ. После присоединения к мембране Сар1п с приклеенной ГДФ может отщепиться и уйти обратно в цитоплазму. Но если в тот момент, когда он касается мембраны и приклеивается к ней, он встречает находящийся там мембранный белок Сек12, то происходит биохимическая реакция. Функция Сек12 состоит в том, чтобы приклеиться к Сар1п и заменить его. Белок захватывает из имеющихся в цитоплазме одну молекулу ГТФ и заменяет ею молекулу ГДФ, которая была приклеена к Сар1 п. При этом трехмерная структура белка Сар1 п несколько изменяется. Из него как бы выдвигается небольшая гидрофобная цепочка аминокислот и она встраивается между липидами, которые образуют бислойную мембрану. Тем самым вероятность того, что Сар1 п с приклеенной ГТФ может обратно отклеиться и уйти в цитоплазму, резко уменьшается. Сар1 п с приклеенной к нему ГТФ становится как бы мембранным белком. Сек12 после замены отходит от Сар1 п.

Будучи присоединенным к мембране, белок Сар1 п с приклеенной к нему ГТФ взаимодействует электростатически в белками коатомерного покрытия 2. Сначала он связывается с постоянно живущим комплексом, образованным белками Сек23 и Сек24. После этого комплекс, состоящий из трех белков, Сар1 п, Сек23 и Сек24 захватывает другой плавающий в цитоплазме комплекс, состоящий из двух белков: Сек13 и Сек31. Образованный пятичленный белковый комплекс полимеризуется и образует на мембране белковое покрытие, куда захватываются мембранные белки, предназначенные для транспорта в сторону пластинчатого комплекса и далее. При этом мембрана изгибается и как бы отделяется от цистерн эндоплазматического ретикулума, образуя полусферические структуры, где также накапливается немембранные секретируемые или лизосомные белки.

Ситуация усложняется тем, что после присоединения Сек23, Сек24, СЕк13 и Сек31, активность Сар 1 п по гидролизу ГТФ резко увеличивается. В конце концов, Сар1п разрезает молекулу ГТФ, отщепляя фосфат, и при этом он получает для склейки ГДП вместо ГТФ. Гидрофобная цепь убирается внутрь трехмерной структуры белка Сар1 п и он быстро отклеивается от мембраны и все покрытие, состоящее из Сек23, 24, 13 и 31 быстро тоже разрушается. Но при этом рядом начинает снова формироваться подобное покрытие. После концентрирования новых порций мембранных и секретируемых белков оно снова разрушается и т. д. до тех пор, пока к шейкам, соединяющим получаемые вакуоли с эндоплазматической сетью, не присоединится другое покрытие коатомер 1, состоящий из других субъединиц. Этот другой коатомер 1 прекращает этот цикл полимеризация, концентрирование — деполимеризация и тем самым ведет как бы к созреванию полученных вакуолей, которые гораздо больше мелких сфер, которые в полностью полимерном состоянии способен образовать комплекс из Сар1пГТФ, Сек23п, 24, 13 и 31. Тем самым формируются переносчики, как бы вагоны, которыми белки отправляются из эндоплазматического ретикулума к пластинчатому комплексу.

Если происходит мутация в виде замены одной или двух аминокислот в том участке белка Сар1 п, который ответственен за разрезание ГТП, то данный белок теряет способность превращаться в Сар1пГДП и остается надолго присоединенным к мембране. Этот активированный мутант блокирует цикл Сар1 п ГТП Сар1 п ГДП и, сколько не добавляй, в избытке нормальны Сар1 п мутант доминирует функционально. Возникает как бы доминантно негативный (негативный в смысле нежелательной функции) фенотип клетки.

Если встроить данный мутант в геном клетки, то клетка, которая имеет данный мутант, всегда будет иметь нарушения транспорта между эндоплазматическим ретикулом и пластинчатым комплексом Гольджи, сколько бы генов нормального белка Сар1п мы не добавляли. Возникает доминирующий фенотип. Тогда гетерозиготный организм имеет фенотип сходный с таковым у гомозиготного доминантного. Особи первого поколения будут иметь черный цвет, а во втором расщепляться на черный и белый в соотношении 3 к 1.

Если же мутация повредит способность белка Сар1 п приклеивать ГДФ или ГТФ, то возникает полностью нефункциональный белок и сколько бы мы его в клетку не добавляли, все равно будет доминировать нормальный белок с нормальной функцией. Ситуация становится сложнее, если мутация повреждает способность заменять ГДФ на ГТФ. В этом случае мутантный белок с приклеенной ГДФ будет конкурировать за возможность пристыковаться к белку Сек12. В таком случае то количество белка Сар1 п, которое будет синтезироваться клеткой на основе парного нормального гена будет не достаточно для того, что бы нивелировать эффект 2 мутанта. Будет ситуация с серым цветом особей первого поколения и расщепления 1 к 2 к 1 во втором.

У гетерозигот по доминантно-негативному гену-аллелю болезнь протекает в более тяжелой форме, чем у гетерозигот, у которых аллельный ген просто выбит. Например, при несовершенном остеогенезе некоторые миссенс-мутации (мутации, ведущие к сдвигу рамки считывания и считывающие совершенно другой белок) нарушают сборку коллагеновых волокон в соединительной и костной ткани организма и вызывают смертельную форму несовершенного остеогенеза у гетерозигот, тогда как нулевые аллели вызывают более легкую форму болезни (200).

В качестве иллюстрации к данной сентенции, которую я выудил из Интернета, я приведу пример мутаций, которые может претерпевать известный всем белок соединительной ткани — коллаген. Я хорошо знаю данный белок, так как мне приходилось с ним работать. Итак, коллаген имеет форму длинной гибкой палочки, состоящей из трех цепей скрученных вокруг друг друга так, что скрутка придает структуре жесткость. Коллаген входит в состав желатины, которую хозяйки используют для приготовления холодца, различных тортов и т. д. Когда желатину нагревают, то линейные молекулы коллагена отрываются друг от друга и переходят в горячий раствор. При охлаждении раствора, растворенные молекулы коллагена начинают реагировать друг с другом и склеиваться. Но склеиваются они не по всей длине молекулы, как это имеет место в организме, где коллаген образует прочнейшие структуры в виде сухожилий, а случайным образом, часто концами. В результате образуется не линейные ряды приклеенных друг к другу палочек, а некая трехмерная сеть, образованная палочками, которые склеены только у концов или посредине, но перпендикулярно друг другу.

Нормальный коллаген после своего синтеза в эндоплазматической сети в виде недозрелого белка подвергается особой химической обработке — гидроксилированию, что приводит к присоединению спиртовых групп к аминокислотам цепи коллагена. Химическая обработка ведет к тому, что гибкие цепочки незрелого коллагена скручиваются друг с другом по трое и становятся очень негибкими. Коллагеновые скрутки потом транспортируются (часто просто диффундирует по трубочкам) из эндоплазматической сети в пластинчатый аппарат Гольджи и здесь образует агрегаты, в которых гибкие палочки склеиваются друг с другом вдоль оси и образуют как бы связки хвороста. Они прочны, занимают мало места и поэтому легко транспортируются по транспортному пути клетки. Если имеется мутация в молекуле коллагена, которая нарушает процесс склеивания прутиков, то 1) транспорт будет менее эффективным, 2) прочность структур соединительной ткани будет меньше и это приведет к нарушениям в развитии скелета. Во время транспорта мешков со связками коллагеновых палочек-скруток, от них отрезаются концы цепей, торчащих из скрутки. Это позволяет полученным палочкам вне клетки упаковываться в длинные канаты, очень прочные и составляющие основу нашего скелета. Обычно это происходит внутри клеток во время транспорта от пластинчатого комплекса Гольджи до плазматической мембраны.

Молекула коллагена, например, коллагена номер один закодирована в двух родственных генах COL1A1 и COL1A2. Если учесть, что человек имеет две пары хромосом, то у нас оказывается 4 гена. COL1A1' и COL1A2' в одной хромосоме и COL1A1" и COL1A2" в другой хромосоме. Гены COL1A1' и COL1A1" а также COL1A2' и COL1A2"являются генами-аллелями. Как правило, гены-аллели отличаются своими цепями нуклеотидов. Но так, что результирующая цепь аминокислот является идентичной. Реже, они отличаются и по последовательности аминокислот, но так, что результирующий белок функционирует нормально, то есть получающиеся цепи также скручиваются, а палочки также склеиваются.

Если под действием внешних факторов происходит изменение последовательности нуклеотидов в гене коллагена, то результат будет зависеть от того, как изменится функция коллагена и его способность подвергаться постранляционным (то есть происходящим после синтеза) изменениям. Если коллаген будет иметь мутацию, ведущую к невозможности осуществлять гидроксилирования молекул, то склеивание гибких цепочек будет затруднено и коллаген не будет выходить из эндоплазматической сети. То же произойдет, если в результате сдвига рамки считывания вместо коллагена будет синтезироваться совершенно другой белок. Он тоже не выйдет из эндоплазматической сети.

Будет ли это мешать функционированию соединительной ткани?

При наличии 3 оставшихся генов коллагена 1, и их некотором относительном избытке, особых изменений не будет. Если у человека встретятся два гена с подобными мутациями (вроде как рецессивный фенотип), но фенотип будет промежуточный, будет повреждение, но не выраженное, и только если встретятся 4 гена-мутанта кодирующих коллаген-1, то будет выраженный гомозиготный фенотип по рецессивному типу.

А что будет, если в молекуле коллагена изменится та часть, которая используется гидролитическими, то есть режущими белок ферментами, для отрезания концов цепей торчащих из скрутки. Обычно это происходит внутри клеток во время транспорта от пластинчатого комплекса Гольджи до плазматической мембраны. В таком случае скрутки цепочек коллагена выйдут во внеклеточную среду и будут участвовать в сборке канатов. Но так как достаточно одной скрутки с необрезанными хвостами, чтобы повредить весь канат, то даже продукт синтеза, получающийся от одного гена-мутанта, будет способен нарушить упаковку канатов из палочек коллагена полученных от трех других нормальных генов. Так возникает доминирование признака-мутации (200).