Что такое спонтанные мутации. Индуцированные мутации. Мутагенные факторы. Экзогенные причины мутаций
Какие мутации называют спонтанными? Если перевести термин на доступный язык, то это естественные ошибки, возникающие в процессе взаимодействия генетического материала с внутренней и/или внешней средой. Такие мутации, как правило, случайны. Они наблюдаются и в половых, и в других клетках тела.
Экзогенные причины мутаций
Спонтанная мутация может возникнуть под влиянием химических веществ, радиации, под действием высоких или низких температур, разреженного воздуха или высокого давления.
Каждый год человек в среднем поглощает около одной десятой рада ионизирующего излучения, составляющего естественный радиационный фон. В это число входит гамма-излучение ядра Земли, солнечный ветер, радиоактивность элементов, залегающих в толще земной коры и растворенных в атмосфере. Полученная доза зависит также от того, где именно находится человек. Четверть всех спонтанных мутаций случается именно по вине этого фактора.
Ультрафиолетовое излучение, вопреки расхожему мнению, играет незначительную роль в возникновении поломок ДНК, так как не может проникнуть достаточно глубоко внутрь тела человека. Но кожа часто страдает от чрезмерной инсоляции (меланома и другие виды рака). Однако одноклеточные организмы и вирусы мутируют под воздействием солнечного света.
Слишком высокие или низкие температуры тоже способны вызвать изменения в генетическом материале.
Эндогенные причины мутаций
Основными причинами, из-за которых может возникнуть спонтанная мутация, остаются эндогенные факторы. К ним относятся побочные продукты метаболизма, ошибки в процессе репликации, репарации или рекомбинации и другие.
- Сбои в репликации:
- спонтанные транзиции и инверсии азотистых оснований;
- неправильное встраивание нуклеотидов из-за ошибок ДНК-полимераз;
- химическая замена нуклеотидов, например, гуанин-цитозина на аденин-гуанин. - Ошибки восстановления:
- мутации в генах, ответственных за репарации отдельных участков цепи ДНК после их разрыва под воздействием внешних факторов. - Проблемы с рекомбинацией:
- сбои в процессах кроссинговера при мейозе или митозе приводят к выпадению и достраиванию оснований.
Это основные факторы, вызывающие спонтанные мутации. Причины сбоев могут заключаться в активации генов-мутаторов, а также превращении безопасных химических соединений в более активные метаболиты, воздействующие на ядро клетки. Кроме того, существуют еще структурные факторы. К ним относятся повторы последовательности нуклеотидов вблизи от места перестройки цепи, наличие дополнительных участков ДНК, схожих по структуре с геном, а также подвижные элементы генома.
Патогенез мутации
Спонтанная мутация возникает вследствие воздействия всех вышеперечисленных факторов, воздействующих вместе или раздельно в определенный период жизни клетки. Существует такой феномен, как скользящее нарушение спаривания дочерней и материнской нитей ДНК. В результате этого часто образуются петли из пептидов, которые не смогли адекватно встроиться в последовательность. После удаления лишних участков ДНК из дочерней цепи петли могут как резецироваться (делеции), так и встраиваться (дупликации, инсерции). Появившиеся изменения закрепляются в следующих циклах деления клетки.
Скорость и количество возникающих мутаций зависят от первичной структуры ДНК. Некоторые ученые считают, что абсолютно все последовательности ДНК обладают мутагенностью, если они образуют изгибы.
Наиболее распространённые спонтанные мутации
Чем же чаще всего проявляются в генетическом материале спонтанные мутации? Примеры подобных состояний - это потеря азотистых оснований и удаление аминокислот. Особенно чувствительными к ним считаются цитозиновые остатки.
Доказано, что на сегодняшний день больше чем у половины позвоночных животных имеется мутация цитозиновых остатков. После дезаминирования метилцитозин изменяется на тимин. Последующее копирование этого участка повторяет ошибку или удаляет ее либо удваивает и мутирует в новый фрагмент.
Еще одной причиной частых спонтанных мутаций считают большое количество псевдогенов. Из-за этого в процессе мейоза могут образовываться неравные гомологичные рекомбинации. Следствием этого являются перестройки в генах, повороты и удвоения отдельных нуклеотидных последовательностей.
Полимеразная модель мутагенеза
Согласно этой модели, спонтанные мутации возникают в результате случайных ошибок молекул, синтезирующих ДНК. В первый раз подобная модель была представлена Бреслером. Он высказал предположение, что мутации появляются вследствие того, что полимеразы в некоторых случаях встраивают в последовательность некомплиментарные нуклеотиды.
Спустя годы, после длительных проверок и экспериментов, эта точка зрения была одобрена и принята в научном мире. Были даже выведены определенные закономерности, которые позволяют ученым контролировать и направлять мутации, подвергая воздействию ультрафиолета определенные участки ДНК. Так, например, выяснили, что напротив поврежденного триплета чаще всего встраивается аденин.
Таутомерная модель мутагенеза
Еще одна теория, объясняющая спонтанные и искусственные мутации, была предложена Уотсоном и Криком (первооткрывателями структуры ДНК). Они предположили, что в основе мутагенеза лежит способность некоторых оснований ДНК превращаться в таутомерные формы, изменяющие способ соединения оснований.
После опубликования гипотеза активно разрабатывалась. Были обнаружены новые формы нуклеотидов после облучения их ультрафиолетом. Это дало ученым новые возможности для исследований. Современная наука до сих пор дискутирует о роли таутомерных форм в спонтанном мутагенезе и его влиянии на количество выявляемых мутаций.
Иные модели
Спонтанная мутация возможна при нарушении узнавания ДНК-полимеразами нуклеиновых кислот. Полтаевым и соавторами был выяснен механизм, который обеспечивает соблюдение принципа комплиментарности при синтезе дочерних молекул ДНК. Эта модель позволила изучить закономерности появлений спонтанного мутагенеза. Ученые объяснили свое открытие тем, что главной причиной изменения структуры ДНК является синтез неканонических пар нуклеотидов.
Они предположили, что замета оснований происходит ввиду дезаминирования участков ДНК. Это приводит к изменению цитозина на тимин или урацил. Из-за таких мутаций образуются пары несовместимых нуклеотидов. Поэтому во время следующей репликации происходит транзиция (точечная замена нуклеотидных оснований).
Классификация мутаций: спонтанные
Есть разные классификации мутаций в зависимости от того, какой именно критерий лежит в их основе. Существует разделение по характеру изменения функции гена:
Гипоморфные (мутировавшие аллели синтезируют меньше белков, но они похожи на оригинальные);
- аморфные (ген полностью утратил свои функции);
- антиморфные (мутированный ген полностью изменяет тот признак, который представляет);
- неоморфные (появляются новые признаки).
Но более распространена классификация, которая делит все мутации соразмерно изменяемой структуре. Выделяют:
1. Геномные мутации. К ним относятся полиплоидия, то есть образование генома с тройным и более набором хромосом, и анеуплоидия - число хромосом в геноме не кратно гаплоидному.
2. Хромосомные мутации. Наблюдаются значительные перестройки отдельных участков хромосом. Различают потерю информации (делецию), ее удвоение (дупликацию), изменение направленности нуклеотидных последовательностей (инверсию), а также переброс участков хромосом на другое место (транслокацию).
3. Генная мутация. Наиболее часто встречаемая мутация. В цепи ДНК происходит замена нескольких случайных азотистых оснований.
Последствия мутаций
Спонтанные мутации - причины возникновения опухолей, дисфункций органов и тканей человека и животных. Если мутировавшая клетка располагается в большом многоклеточном организме, то с большой долей вероятности она будет уничтожена путем запуска апоптоза (запрограммированная смерть клетки). Тело контролирует процесс сохранения генетического материала и с помощью иммунной системы избавляется от всех возможных поврежденных клеток.
В одном случае из сотен тысяч Т-лимфоциты не успевают распознать пораженную структуру, и она дает клон клеток, которые также содержат мутированный ген. Конгломерат клеток имеет уже другие функции, вырабатывает токсические вещества и негативно влияет на общее состояние организма.
Если мутация произошла не в соматической, а в половой клетке, то изменения будут наблюдаться у потомков. Они проявляются врожденными патологиями органов, уродствами, нарушениями обмена и болезнями накопления.
Спонтанные мутации: значение
В некоторых случаях казавшиеся ранее бесполезными мутации могут быть полезны для приспособления в новых условиях жизни. Это представляет мутацию как мерило естественного отбора. Животные, птицы и насекомые имеют камуфляжную окраску, соответствующую местности проживания, чтобы защитить себя от хищников. Но если меняется их ареал обитания, то при помощи мутаций природа пытается защитить вид от вымирания. В новых условиях выживают наиболее приспособленные и передают эту способность другим.
Мутация может происходить в неактивных участках генома, и тогда видимых изменений фенотипа не наблюдается. Обнаружить «поломку» можно только при помощи специфических исследований. Это необходимо для изучения происхождения родственных видов животных и составления их генетических карт.
Проблема спонтанности мутаций
В сороковые годы прошлого века существовала теория, что мутации вызываются исключительно воздействием и помогают к ним приспособиться. Для того чтобы проверить эту теорию, был разработан специальный тест и метод повторений.
Процедура заключалась в том, что небольшое количество бактерий одного вида высеивали на пробирки и после нескольких прививаний добавляли к ним антибиотики. Часть микроорганизмов выживала, и их переносили на новую среду. Сравнение бактерий из разных пробирок показало, что устойчивость возникала спонтанно, как до контакта с антибиотиком, так и после него.
Метод повторений заключался в том, что на ворсистую ткань переносились микроорганизмы, а затем переносились одновременно на несколько чистых сред. Новые колонии культивировали и обрабатывали антибиотиком. В результате в разных пробирках выживали бактерии, расположенные на одинаковых участках среды.
Мутации являются важным объектом исследования цитогенетиков и биохимиков. Именно мутации, генные или хромосомные, чаще всего являются причиной наследственных заболеваний. В естественных условиях хромосомные перестройки происходят очень редко. Мутации, вызванные химическими реактивами, биологическими мутагенами или физическими факторами, такими как ионизирующее излучение, часто являются причиной врожденных патологий развития и злокачественных новообразований.
Общие сведения о мутациях
Мутацию Гуго де Фриз определил как внезапное изменение наследственного признака. Это явление встречаются в геноме всех живых организмов, от бактерий до человека. При нормальных условиях мутации в нуклеиновых кислотах происходят очень редко, с частотой примерно 1·10 -4 - 1·10 -10 .
В зависимости от количества затронутого изменениями генетического материала, мутации делят на геномные, хромосомные и генные. Геномные связанны с изменением количества хромосом (моносомия, трисомия, тетрасомия); хромосомные связаны с изменением структуры отдельных хромосом (делеции, дубликации, транслокации); генные мутации затрагивают отдельный ген. Если мутация затронула только одну пару нуклеотидов, то она - точечная.
В зависимости от причин, вызвавших их, выделяют спонтанные и индуцированные мутации.
Спонтанные мутации
Возникают в организме под воздействием внутренних факторов. Спонтанные мутации считаются нормальным явлением, они редко приводят к серьезным последствиям для организма. Чаще всего такие перестройки происходят в пределах одного гена, связаны с заменой оснований - пурина на другой пурин (транзиции), или пурина на пиримидин (трансверсии).
Значительно реже спонтанные мутации происходят в хромосомах. Обычно хромосомные спонтанные мутации представлены транслокациями (переходом одного или нескольких генов одной хромосомы на другую) и инверсиями (изменением последовательности генов в хромосоме).
Индуцированные перестройки
Индуцированные мутации возникают в клетках организма под воздействием химикатов, радиации или репликационного материала вирусов. Такие мутации проявляются чаще, чем спонтанные, имеют более серьезные последствия. Они влияют на отдельные гены и группы генов, блокируя синтез отдельных белков. Индуцированные мутации часто глобально влияют на геном, именно под воздействием мутагенов в клетке появляются аномальные хромосомы: изохромосомы, кольцевые хромосомы, дицентрики.
Мутагены, помимо хромосомных перестроек, вызывают повреждения ДНК: двунитевые разрывы, образование ДНК-сшивок.
Примеры химических мутагенов
К химическим мутагенам относятся нитраты, нитриты, аналоги азотистых оснований, азотистая кислота, пестициды, гидроксиламин, некоторые пищевые добавки.
Азотистая кислота вызывает отщепление аминогруппы от азотистых оснований и замену их другой группой. Это приводит к точковым мутациям. Химически индуцированные мутации также вызывает гидроксиламин.
Нитраты и нитриты в больших дозах повышают риск возникновения рака. Некоторые пищевые добавки вызывают реакции арилирования нуклеиновых кислот, что приводит к нарушению процессов транскрипции и трансляции.
Химические мутагены очень разнообразны. Часто именно эти вещества вызывают индуцированные мутации в хромосомах.
К физическим мутагенам относятся ионизирующее излучение, прежде всего коротковолновое, и ультрафиолет. Ультрафиолет запускает процесс в мембранах, провоцирует образование различных дефектов в ДНК.
Рентгеновское и гамма-излучение провоцируют мутации на уровне хромосом. Такие клетки не способны к делению, они погибают в ходе апоптоза. Индуцированные мутации могут затрагивать и отдельные гены. Например, блокирование генов опухолевых супрессоров приводит к появлению опухолей.
Примеры индуцированных перестроек
Примерами индуцированных мутаций могут служить различные генетические заболевания, чаще проявляющиеся в зонах, подверженных воздействию физического или химического мутагенного фактора. Известно, в частности, что в индийском штате Керала, где годовая эффективная доза ионизирующего излучения превосходит норму в 10 раз, повышена частота рождения детей с синдромом Дауна (трисомия по 21-й хромосоме). В китайском округе Янцзян в почве выявлено большое количество радиоактивного монацита. Нестабильные элементы в его составе (церий, торий, уран) распадаются с выделением гамма-квантов. Воздействие коротковолнового излучения на жителей округа привело к большому количеству рождений детей с синдромом кошачьего крика (делеция большого участка 8-й хромосомы), а также повышенной заболеваемости раком. Еще один пример: в январе 1987 года на Украине было зарегистрировано рекордное количество рождений детей с синдромом Дауна, связанное с аварией на ЧАЭС. На первом триместре беременности плод наиболее чувствителен к воздействию физических и химических мутагенов, потому колоссальная доза радиации привела к повышению частоты аномалий хромосомного набора.
Один из самых печально известных химических мутагенов в истории - седативное средство "Талидомид", выпускаемое в ФРГ в 50-х годах прошлого века. Прием этого препарата привел к рождению множества детей с самыми разными генетическими отклонениями.
Метод индуцированных мутаций обычно применяется учеными для поиска оптимальных способов борьбы с аутоиммунными заболеваниями и генетическими отклонениями, связанными с гиперсекрецией белков.
Мутации могут возникать спонтанно или в результате индуцирования. В селекционных программах могут использоваться оба типа наследственной изменчивости.
Имеющаяся у кукурузы огромная естественная изменчивость возникла вследствие спонтанных мутаций, происходивших в течение бесчисленных поколений в прошлом. Значительная часть селекционной работы по кукурузе основана на использовании спонтанных мутаций, имеющих хозяйственное значение. В их число входят мутации, изменяющие набор аминокислот, например opaque-2, floury-2, и мутации, изменяющие тип крахмала - waxy и sugary 2 и т. д. Хотя у кукурузы накоплено большое число спонтанных мутаций, они обычно появляются недостаточно часто для того, чтобы обеспечить количество и типы изменчивости, необходимые в селекционных программах. Поэтому при попытке получения высокой частоты благоприятных индуцированных мутаций используются различные мутагенные агенты.
Спонтанные и индуцированные хромосомные аберрации в основном одинаковы. Однако для селекционера из всех типов мутаций наибольшую ценность имеют истинные изменения молекулярной структуры или истинно генные мутации. Несмотря на тщательно проведенные эксперименты, абсолютно убедительных доказательств появления индуцированных истинно генных мутаций у кукурузы не обнаружено.
Меллер в Техасе и Стадлер в Миссури, первыми исследуя действие рентгеновского облучения на растениях и животных, установили, что частота мутирования может быть резко увеличена. У растений мутации индуцировались путем обработки пыльцы, молодых зародышей или семян. Обработка включала рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, радий, температуру, электричество, иприт, химические вещества, гамма-облучение и старение семян.
Мутабильные системы могут использоваться в качестве инструментов для селекции растений. Мутабильная система содержит подобный гену компонент или контролирующий элемент, который модифицирует и контролирует действие генов. Доллингер разработал метод, который позволяет использовать мутабильную систему для селекции растений. Мутации могут быть доминантными или рецессивными. Он обрисовал метод для отбора устойчивых к стеблевой гнили растений в сбзданных инбредных линиях кукурузы и предположил, что этот же общий метод может быть использован для изменения действия генов в локусах, контролирующих другие признаки.
Рассел и др. получили сравнимые величины скоростей мутирования в длительно инбридируемых линиях, полученных и поддерживаемых при непрерывном самоопылении и отборе. В каждой из шести групп исследований материал состоял из 31 потомства, представляющего пять размножаемых по дихотомической схеме поколений. Оценка скорости мутирования была 2,8 мутаций на 100 исследованных гамет.
Балинт и Сутка сообщили об индуцированных мутантах инбредных линий кукурузы. Об изменениях среди длительно инбридируемых линий кукурузы сообщали Флеминг и др., Флеминг, Эль-Эрьяни и Флеминг, Хиггс и Рассел, Гроген и Франсис. О фенотипической стабильности систематических серий генотипов кукурузы-сообщили Роу и Эндрю. Гибридная выраженность мутаций, влияющих на количественные признаки в инбредных линиях, обсуждалась Бушем и Расселом.
Селекционеры кукурузы исследовали большое количество комбинаций генных мутаций, влияющих на свойства семян. О фенотипах зерен с несколькими генными мутациями и их взаимодействии сообщали Крамер, Пфалер и Вистлер и Крич. Гарвуд и Крич описали фенотипы зерен кукурузы, несущих от одного до четырех мутантных генов.
Смит и фон Борстель сообщали об индуцированных и генетически созданных механизмах получения доминантных летальных мутаций и о путях их использования для уничтожения или регулирования популяций вредителей. В их статье обсуждаются:
1. Индуцированная радиацией доминантная летальность.
2. Создаваемая доминантная летальность.
3. Контроль популяции при помощи индуцированной доминантной летальности.
4. Контроль популяции посредством создаваемой доминантной летальности.
5. Контроль популяции на базе индуцированной наследственной стерильности.
6. Контроль популяции на основе искусственной наследственной частичной стерильности.
7. Рецессивные условно летальные мутации.
8. Доминантные условно летальные мутации.
9. Условно летальные мутации: генетическая «бомба замедленного действия».
10. Кинетика уменьшения популяции при помощи мужской стерильности.
11. Специальные проблемы и условия.
Индуцирование генетических изменений улучшается при совместном использовании двух факторов: чувствительности методов обнаружения и выявления и эффективного применения вызывающих мутации агентов или мутагенов.
Первые эксперименты показали, что частота индуцируемых мутаций сильно зависит от дозы облучения: чем выше доза, тем больше частота мутаций. Эта связь между облучением и мутированием была интерпретирована в том смысле, что ген является «мишенью», а его мутации вызываются отдельными «попаданиями» радиации. Существуют доказательства того, что только одна теория мишеней далее не может удовлетворительно-объяснять эффекты радиации.
Мутагенные агенты и интерпретацию их действия обсуждали Сперроу, Ауэрбах, Хаас, Доудни и Када.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
До сих пор речь шла о спонтанных мутациях, т.е. происходящих без какой-либо известной причины. Возникновение мутаций – процесс вероятностный, и, соответственно, существует набор факторов, которые на эти вероятности влияют и изменяют их. Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенами, а процесс изменения вероятностей появления мутации – индуцированном. Мутации, возникающие под влиянием мутагенов, называют индуцированными мутациями.
В современном технологически сложном обществе люди подвергаются воздействию самых разных мутагенов, поэтому изучение индуцированных мутаций приобретает все большее значение.
К физическим мутагенам относятся все виды ионизирующих излучений (гамма- и рентгеновские лучи, протоны, нейтроны и др.), ультрафиолетовое излучение, высокие и низкие температуры; к химическим – многие алкилирующие соединения, аналоги азотистых оснований нуклеиновых кислот, некоторые биополимеры (например, чужеродные ДНК и РНК), алкалоиды и многие другие химические агенты. Некоторые мутагены увеличивают частоту мутаций в сотни раз.
К числу наиболее изученных мутагенов относятся радиация высоких энергий и некоторые химические вещества. Радиация вызывает такие изменения в геноме человека, как хромосомные аберрации и потерю нуклеотидных оснований. Частота встречаемости мутаций половых клеток, индуцированных радиацией, зависит от пола и стадии развития половых клеток. Незрелые половые клетки мутируют чаще, чем зрелые; женские половые клетки – реже, чем мужские. Кроме того, частота мутаций, индуцированных радиацией, зависит от условий и дозы облучения.
Соматические мутации, возникающие в результате радиации, представляют собой основную угрозу населению, поскольку часто появле ние таких мутаций служит первым шагом на пути образования раковых опухолей. Так, одно из наиболее драматических последствий Чернобыльской аварии связано с возрастанием частоты встречаемости разных типов онкологических заболеваний. Например, в Гомельской области было обнаружено резкое увеличение числа детей, больных раком щитовидной железы. По некоторым данным, частота этого заболевания сегодня по сравнению с доаварийной ситуацией увеличилась в 20 раз.
В начале 50-х годов ХХ века была обнаружена возможность замедления или ослабления темпов мутирования с помощью некоторых веществ. Такие вещества назвали антимутагенами. Выделено около 200 природных и синтетических соединений, обладающих антимутагенной активностью: некоторые аминокислоты (аргинин, гистидин, метианин), витамины (токоферол, аскорбиновая кислота, ретинол, каротин), ферменты (пероксидаза, НАДФ-оксидаза, каталаза и др.), комплексные соединения растительного и животного происхождения, фармокологические средства (интерферон, оксипиридины, соли селена и др.).
Подсчитано, что с пищей человек получает в день несколько граммов веществ, способных вызвать генетические нарушения. Такие количества мутагенов должны вызывать существенные поражения в наследственных структурах человека. Но этого не происходит, т. к. антимутагены пищи нейтрализуют эффекты мутагенов. Соотношение антимутагенов и мутагенов в продуктах зависит от способа приготовления, консервирования и сроков хранения. Антимутагенами бывают не только компоненты, но и пищевые продукты в целом: экстракты различных видов капусты уменьшают уровень мутаций в 8 – 10 раз, экстракт яблок – в 8 раз, винограда – в 4 раза, баклажана – в 7, зелёного перца – в 10, а мятного листа – в 11 раз. Среди лекарственных трав отмечено антимутагенное действие зверобоя.
Вопросы для обсуждения:
1. Участок гена, кодирующий полипептид, имеет в норме следующий порядок основания: ААГСААСААТТАГТААТГААГЦААЦЦЦ. Какие изменения произойдут в белке, если во время репликации в шестом кодоне появилась вставка тимина между вторым и третьим нуклеотидами?
2. На участке гена, кодирующего полипептид последовательность нуклеотидных оснований следующая: ГААЦГАТТЦГГЦЦАГ. Произошла инверсия на участке второго – седьмого нуклеотида. Определите структуру полипептидной цепи в норме и после мутации.
3. Расшифруйте послание:
ДОЖТВЧНАЧНАШКОДТАКМАЛКОНГНЪ
ДПЩНАЧТАКЛИХНАШКОДКОНЖЦФРДХ
НАЧБЫЛДЫМБЫЛПАЛКОНХНСКУВЗЩГ
ВДЪХЗГЧВФНАЧНЕТЖИВНАШРОДПВЧ
Какие принципы генетического кода здесь использованы?
4. Определите возможные генотипы детей в браке здоровой женщины и мужчины с синдромом Клайнфельтера?
5. Какие из следующих заболеваний не связаны с нарушением мейотического расхождения хромосом: а. Синдром Тернера; б. Синдром Дауна; в синдром кошачьего крика; г. синдром Патау.
Спонтанные – это мутации, которые возникают самопроизвольно, без участия со стороны экспериментатора.
Индуцированные – это те мутации, которые вызваны искусственно, с использованием различных факторов мутагенеза .
Вообще, процесс образования мутаций называется мутагенезом, а факторы, вызывающие мутации, – мутагенами.
Мутагенные факторы подразделяются на физические , химические и биологические .
Частота спонтанных мутаций одного гена составляет , для каждого гена каждого организма она своя.
Причины спонтанных мутаций не совсем ясны. Раньше считали, что их вызывает естественный фон ионизирующих излучений . Однако оказалось, что это не так. Например, у дрозофилы естественный радиационный фон вызывает не более 0,1% спонтанных мутаций.
С возрастом последствия от воздействия естественного радиационного фона могут накапливаться, и у человека от 10 до 25% спонтанных мутаций связаны с этим.
Второй причиной спонтанных мутаций являются случайные повреждения хромосом и генов во время деления клетки и репликации ДНК вследствие случайных ошибок в функционировании молекулярных механизмов.
Третьей причиной спонтанных мутаций является перемещение по геному мобильных элементов , которые могут внедриться в любой ген и вызвать в нем мутацию.
Американский генетик М. Грин показал, что около 80% мутаций, которые были открыты как спонтанные, возникли в результате перемещения мобильных элементов.
Индуцированнные мутации впервые обнаружили в 1925 г . Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов в СССР. Они облучали рентгеновскими лучами культуры плесневых грибов Mucor genevensis и получили расщепление культуры «на две формы или расы, отличающиеся не только друг от друга, но и от исходной (нормальной) формы». Мутанты оказались стабильными, так как после восьми последовательных пересевов сохраняли приобретенные свойства. Их статья была опубликована только на русском языке, к тому же в работе не использовались какие-либо методы количественной оценки действия рентгеновских лучей, поэтому она осталась малозамеченной.
В 1927 г. Г. Мёллер сообщил о действии рентгеновских лучей на мутационный процесс у дрозофилы и предложил количественный метод учета рецессивных летальных мутаций в Х-хромосоме (ClB ), который стал классическим.
В 1946 г. Мёллеру была присуждена Нобелевская премия за открытие радиационного мутагенеза. В настоящее время установлено, что практически все виды излучений (в том числе ионизирующая радиация всех видов – a, b, g; УФ-лучи, инфракрасные лучи) вызывают мутации. Их называют физическими мутагенами .
Основные механизмы их действия :
1) нарушение структуры генов и хромосом за счет прямого действия на молекулы ДНК и белков;
2) образование свободных радикалов , которые вступают в химическое взаимодействие с ДНК;
3) разрывы нитей веретена деления ;
4) образование димеров (тиминовых).
В 30-х гг. был открыт химический мутагенез у дрозофилы: В. В. Сахаров (1932 ), М. Е. Лобашев и Ф. А. Смирнов (1934 ) показали, что некоторые соединения, такие как йод , уксусная кислота , аммиак , способны индуцировать рецессивные летальные мутации в Х-хромосоме.
В 1939 г. Сергей Михайлович Гершензон (ученик С.С. Четверикова) открыл сильный мутагенный эффект экзогенной ДНК у дрозофилы. Под влиянием идей Н.К. Кольцова о том, что хромосома является гигантской молекулой, С.М. Гершензон решил проверить свое предположение, что именно ДНК является такой молекулой. Он выделил ДНК из тимуса и добавил ее в корм личинкам дрозофилы. Среди 15 тыс. контрольных мух (т.е. без ДНК в корме) не было ни одной мутации, а в опыте среди 13 тыс. мух было обнаружено 13 мутантов.
В 1941 г. Шарлоттта Ауэрбах и Дж. Робсон показали, что азотистый иприт индуцирует мутации у дрозофилы. Результаты работы с этим боевым отравляющим веществом были опубликованы только в 1946 г., после окончания Второй мировой войны. В том же 1946 г. Рапопорт (Иосиф Абрамович) в СССР показал мутагенную активность формальдегида .
В настоящее время к химическим мутагенам относят:
а) природные органические и неорганические вещества;
б) продукты промышленной переработки природных соединений – угля, нефти;
в) синтетические вещества , ранее не встречавшиеся в природе (пестициды, инсектициды и т.д.);
г) некоторые метаболиты организма человека и животных.
Химические мутагены вызывают преимущественно генные мутации и действуют в период репликации ДНК.
Механизмы их действия :
1) модификация структуры оснований (гидроксилирование, дезаминирование, алкилирование);
2) замена азотистых оснований их аналогами;
3) ингибиция синтеза предшественников нуклеиновых кислот.
В последние годы используют так называемые супермутагены :
1) аналоги оснований;
2) соединения, алкилирующие ДНК (этилметансульфонат, метилметансульфонат и др.);
3) соединения, интеркалирующие между основаниями ДНК (акридины и их производные).
Супермутагены повышают частоту мутаций на 2-3 порядка.
К биологическим мутагенам относятся:
а) вирусы (краснухи, кори и др.);
б) невирусные инфекционные агенты (бактерии, риккетсии, простейшие, гельминты);
в) мобильные генетическиеэлементы .
Механизмы их действия :
1) геномы вирусов и мобильных элементов встраиваются в ДНК клеток хозяина;
Индуцированный мутагенез , начиная с конца 20-х годов XX века, используют для селекции новых штаммов, пород и сортов. Наибольшие успехи достигнуты в селекции штаммов бактерий и грибков – продуцентов антибиотиков и других биологически активных веществ.
Так, удалось повысить активность продуцентов антибиотиков в 10-20 раз, что позволило значительно увеличить производство соответствующих антибиотиков и резко снизило их стоимость. Активность лучистого гриба – продуцента витамина В 12 удалось повысить в 6 раз, а активность бактерии – продуцента аминокислоты лизина – в 300-400 раз.
Использование мутаций карликовости у пшеницы позволило в 60-70 годах резко увеличить урожай зерновых культур, что было названо «зеленой революцией ». Пшеница карликовых сортов имеет укороченный толстый стебель, устойчивый к полеганию, он выдерживает повышенную нагрузку от более крупного колоса. Использование этих сортов позволило существенно увеличить урожаи (в некоторых странах в несколько раз).
Автором «зеленой революции» считают американского селекционера и генетика Н. Борлауга , который в 1944 г., в возрасте 30 лет, поселился и стал работать в Мексике. За успехи в выведении высокопродуктивных сортов растений в 1970 году ему была присуждена Нобелевская премия мира.
11
.
Генные мутации
Генные (точковые) мутации связаны с относительно небольшими изменениями последовательностей нуклеотидов. Генные мутации подразделяются на изменения структурных генов и изменения регуляторных генов .
Типы мутаций:
1. Вставка (инсерция) или выпадение (делеция) пары или нескольких пар нуклеотидов, они приводят к сдвигу рамки считывания . В зависимости от места вставки или выпадения нуклеотидов изменяется меньшее или большее число кодонов.
2. Транзиция – замена оснований пуринового на пуриновое или пиримидинового на пиримидиновое, например:А « Г, Ц « Т.
3. Трансверзия – замена пуринового основания на пиримидиновое или пиримидинового на пуриновое. Например: А « Ц, Г « Т.
Изменения структурных генов приводят:
а) к миссенс-мутациям – изменению смысла кодонов и образованию других белков;
б) к нонсенс-мутациям – образованию СТОП-кодонов (УАА,УАГ,УГА).
Результаты изменения регуляторных генов :
1. Белок-репрессор не подходит к оператору («ключ не входит в замочную скважину ») – структурные гены работают постоянно (белки синтезируются все время).
2. Белок-репрессор плотно «присоединяется» к оператору и не снимается индуктором («ключ не выходит из замочной скважины ») – структурные гены постоянно не работают и не синтезируются белки, закодированные в данном опероне.
3. Нарушение чередования репрессии и индукции – при отсутствии индуктора специфический белок синтезируется, а при его наличии белок не синтезируется. Это связано с мутациями гена-регулятора или операторной последовательности.
Генные мутации являются основной причиной генных болезней , частота проявления которых в популяциях человека достигает 1-2%.