Мутационный процесс

Мутационный процесс

 

В самом определении генетики как науки о наследственности и изменчивости заложено представление  о том, что эти два важнейших  биологических явлений тесно  взаимосвязаны. Наследственность определяется генетической информацией, закодированной в нуклеиновых кислотах, главным  образов в ДНК. Перенос этой информации между поколениями обеспечивается механизмами репликации генетического  материала и его распределением в процессе митоза и мейоза между  дочерними соматическими клетками, либо гаметами у эукариот и путем  прямого клеточного деления у  прокариот. Сохранность генетического  материала в ряду поколений поддерживается совместной работой ряда ферментов: ДНК-полимераз, снабженных специальной  корректирующей активностью, направленной на удаление редких, но возможных ошибок репликации; нуклеаз, вырезающих из ДНК  повреждения, возникающие под действием  различных физических и химических агентов; метилаз, осуществляющих модификацию  ДНК путем ее метилирования, т.е. присоединения СН3-группы к некоторым  основаниям, необходимого для защиты от деградации ферментами рестрикции, и др.

 

 

 Несмотря на эффективность  систем, направленных на сохранение  стабильности геномов, наследственности  всегда сопутствует изменчивость, под которой понимается способность  генетического материала претерпевать  изменения, наследуемые в потомстве. 

 Наследственная изменчивость  организмов может быть результатом: 1)мутаций; 2)рекомбинаций; 3)переноса  внехромосомных генов. Термином  “мутации” обозначают внезапные  наследуемые изменения генетического  материала, которые могут возникать  без видимых причин (спонтанно), либо  быть индуцированы внешним воздействием  на организм. Процесс возникновения  мутаций именуют мутагенезом.  Организм, приобретший какой-либо  новый признак и тем самым  изменивший свой фенотип в  результате мутации называют  мутантом.

 

 

 История изучения биологического  процесса, ведущего к образованию  мутаций, делится условно на  пять периодов. Первый из них  начался одновременно с переоткрытием  законов Менделя и длился с  1900 г. почти четверть века. В  этот период русский ученый  С.И. Коржинский (1899) и голландский  ботаник Г. Де Фриз (1901) положили  начало всестороннему изучению  наследственной изменчивости. Термин  “мутация” используется для  обозначения внезапно возникающих  наследуемых изменений и признаков.  Тогда же были начаты исследования  природы мутаций, времени и  частоты их возникновения, разработаны  методы количественной оценки  скорости мутационного процесса. Эти исследования проводились  преимущественно на растениях.  Второй период начался с открытия  в 1925-1928 гг. мутагенного действия  радиоактивности и рентгеновских  лучей, положившего начало всестороннему  изучению мутагенеза, индуцированного  различными внешними воздействиями  на организм. В этот период  основным объектом для исследования  закономерностей мутационного процесса  становится D. melanogaster. Третий период, длившийся до 1953 г., ознаменован двумя  важными событиями - открытием химических соединений, обладающих мутагенной активностью, и привлечением микроорганизмов для изучения различных механизмов наследственности и изменчивости. Начало четвертому периоду было положено раскрытием структуры ДНК в 1953 г. Предложенная Уотсоном и Криком модель двойной спирали позволила на молекулярном уровне объяснить не только точность репликации генов, но и механизм возникновения возможных ошибок в них. В этот период, длившийся немногим более 10 лет, было доказано, что возникающие под действием индуцирующих факторов внутригенные изменения приводят к дефектам и ошибкам в аминокислотном составе соответствующих полипептидов. Вместе с тем накапливалось всё большее число фактов, указывающих на то, что возникновение мутаций - это сложный, многоступенчатый биологический процесс, тесно связанный с ростом и метаболизмом клеток, с активностью ферментов, вовлечённых в осуществление репликации, репарации и рекомбинации ДНК, с взаимодействиями ядерных и цитоплазматических генов. Изучением всех этих факторов мутагенеза в их совокупности характеризуется современный пятый период исследования проблем мутагенеза, начавшийся в начале 60-х годов с открытием явления репарации ДНК, т.е. восстановления её нормальной структуры после действия различных повреждающих агентов.

 

 

Типы мутаций

 

По происхождению все  мутации можно разделить на две  группы: спонтанные и индуцированные. Условность этого деления связана  с тем, что спонтанные мутации, как  будет следовать из дальнейшего  изложения, не возникают беспричинно, а вызываются изменениями в ДНК, часто имеющими эндогенное, не связанное  с внешними воздействиями происхождение.

 

 

 По месту возникновения  различают генеративные мутации  (от лат. generatio - рождение, происхождение,  поколение), возникающие в половых  клетках и передающиеся по  наследству, и соматические (от греч. “soma”- тело), образующиеся в клетках  тела, не участвующих в размножении.  Соматические мутации часто ведут  к появлению генетических мозаик, у которых измененной окажется  лишь часть организма, развивавшаяся  в результате деления мутантной  клетки. Перенос соматических мутаций  возможен у растений в случаях  размножения их почками, черенками,  клубнями, т.е. соматическими частями  организма, но не семенами. В  зависимости от того, возникла  ли мутация в генетическом  материале клетки - ядре, нуклеоиде  (в случае прокариот) или цитоплазме, различают ядерные (хромосомные)  и цитоплазматические мутации.  Последние появляются в составе  цитоплазматических ДНК-содержащих  структур: хлоропластов, митохондрий,  плазмид.

 

 

 По действию мутантной  аллели, т.е. по характеру изменений  фенотипа, различают видимые (морфологические,  физиологические) и биохимические  мутации. Следует, однако, иметь  в виду условность такого деления, поскольку проявление любого признака определяется деятельностью того или иного фермента или группы ферментов. К морфологическим относятся мутации, ведущие к видимым изменениям фенотипа. Например, рецессивная мутация по гену white у дрозофилы в гомозиготном состоянии обусловливает белую окраску глаз, в то время как доминантная аллель гена дикого типа контролирует красную окраску глаз, присущую мухам из природных популяций. К физиологическим относятся мутации, влияющие на жизнедеятельность организмов, их развитие, ведущие к нарушению таких процессов, как кровообращение, дыхание, умственная деятельность у человека, поведенческие реакции и т.п.

 

 

 Биохимические мутации  представляют собой обширную  группу, объединяющую все случаи  изменения активности ферментов  от их полного выключения до  включения в норме неактивных  метаболических путей. Примером  могут служить многочисленные  мутации к ауксотрофности у  микроорганизмов, носители которых  в отличие от организмов дикого  типа – прототрофов - не способны  самостоятельно синтезировать необходимые  для жизнедеятельности вещества - аминокислоты, витамины, предшественники  нуклеиновых кислот и т.д. К  биохимическим относятся и различные  мутации, нарушающие синтез ферментов,  участвующих в репликации ДНК,  репараций ее повреждений, транскрипции  и трансляции генетического материала.

 В зависимости от  влияния на жизнеспособность  и плодовитость, морфологические,  физиологические и биохимические  мутации можно разделить на  летальные, полулетальные, условно  летальные, стерильные, нейтральные  и усиливающие.

 

 

 К летальным относятся  мутации, ведущие к гибели зародышей,  нарушающие образование корневой  системы и хлорофилла у растений, вызывающие гибель плода и  отсутствие или недоразвитие  жизненно важных органов у  животных и человека. Полулетальные  мутации резко понижают жизнеспособность: мутантные особи, как правило,  не доживают до репродуктивного  периода, быстро погибая из-за  плохо совместимого с жизнью  наследственного дефекта. Примером  может служить рецессивно наследующееся  заболевание человека - лейциноз, вызываемое  нарушением метаболизма ряда  аминокислот. Условно летальные  мутации могут вовсе не проявляться  в одних условиях, называемых  разрешающими или пермиссивными  (от англ. permission - разрешение), и вести  организм к гибели в других  ограничивающих, или непермиссивных, условиях. Примером могут служить  температурочувствительные (ts) мутации  у микроорганизмов, вызывающие  при повышенной температуре блок  синтеза или инактивацию ферментов,  обеспечивающих жизненно важную  клеточную функцию. К условно  летальным можно отнести и  ряд мутаций, при носительстве  которых необходима заместительная  терапия. Специально разработанные  методы дието - и лекарственной  терапии помогают поддерживать  больных с несовместимыми для  жизни наследственными нарушениями  углеводного и аминокислотного  обмена, эндокринной системы и  т.п. К стерильным относятся  мутации, существенно не затрагивающие  жизнеспособность, но резко уменьшающие  фертильность, или плодовитость, мутантов. Наконец, к нейтральным и усиливающим  относят мутации, не связанные  с жизнеспособностью и плодовитостью,  либо усиливающие эти признаки. Последний тип мутаций особенно важен для селекционеров, стремящихся увеличить продуктивность и другие ценные признаки животных и растений.

 По характеру изменения  генетического материала различают  геномные мутации, ведущие к  появлению новых геномов; хромосомные,  нарушающие существующие группы  сцепления и приводящие к возникновению  новых; генные мутации, вследствие  которых изменяются отдельные  гены и появляются новые аллели.

 

 

Геномные мутации

 

Приводят к добавлению либо утрате одной, нескольких или полного  набора хромосом. Организмы, содержащие нормальное для данного вида число  хромосом, называют эуплоидами (от греч. “эу”- истинный, четный и “плоид”- единица). Гаплоидный набор хромосом эуплоидного организма обозначают символом n, показывающим половину диплоидного (2n) набора хромосом в соматической клетке. Увеличение числа наборов  хромосом – полиплоидия - может выражаться в образовании триплоидных (3n), тетраплоидных (4n), пентаплоидных (5n) форм и т.д. Полиплоиды, у которых несколько раз повторен один и тот же набор хромосом, называют аутополиплоидами. Полиплоиды, полученные от скрещивания организмов, принадлежащих к различным видам  и содержащие два (или более) набора разных хромосом, называют аллополиплоидами. Тетраплоиды (2n+2n), имеющие по два  набора хромосом каждого из родителей, являются амфидиплоидами (т.е. двойными диплоидами).

 

 

 В основе возникновения  полиплоидии лежат три причины: 1) репродукция хромосом в неделящихся  клетках; 2) слияние соматических  клеток либо их ядер; 3) нарушения  процесса мейоза, приводящие к  образованию гамет с нередуцированным  числом хромосом. В экспериментальных  условиях полиплоидию можно вызвать  искусственно путем обработки  семян или проростков растений, яйцеклеток или эмбрионов животных  алкалоидом растительного происхождения  - колхицином. Полиплоидия часто  сопровождается увеличением размеров  клеток и общих размеров мутантных  организмов. Различают сбалансированные  и несбалансированные формы полиплоидии,  характеризующиеся соответственно  четным и нечетным числом наборов  хромосом. В последнем случае  в процессе мейоза нарушается  распределение гомологов хромосом  между дочерними клетками, поэтому  несбалансированные полиплоиды  отличаются низкой плодовитостью.

 

 

 Изменение числа отдельных  хромосом, называемое анеуплоидией (от греч. “aney”- неравномерный,  неправильный, нечетный и “плоид”-  единица), может быть нескольких  типов. При моносомии утрачивается  одна из хромосом набора (2n-1). При  полисомии к кариотипу добавляется одна из хромосом набора. Частный случай полисомии - трисомия (2n+1), когда вместо двух гомологов их становится три. При нуллисомии отсутствуют оба гомолога какой-либо пары хромосом.

 

 

 Полиплоидия играет  большую роль в эволюции растений. Об этом свидетельствует изучение  их кариотипов. Искусственное создание  аутополиплоидов и аллополиплоидов  широко используется в селекции  растений при выведении новых  сортов в пределах одного вида  или же при межвидовой гибридизации. Напротив, для животных полиплоидия  часто оказывается летальной,  поскольку нарушает хромосомный  механизм определения пола.

 К тяжелым последствиям  для человека и животных приводит  и анеуплоидия. Однако, добавление  лишней хромосомы меньше отражается  на фенотипе, чем ее нехватка. Описаны случаи анеуплоидии у  дрозофилы и у различных растений.

 

 

Структурные мутации хромосом

 

Структурные мутации хромосом (синонимы: перестройки хромосом, аберрации  хромосом) - мутации, при которых  изменяется положение участков хромосом, по размерам превышающим или равным размерам генов или отдельных  их частей (экзонов и интронов). Из этого определения следует, что  структурные мутации включают широкий  спектр изменений генома от видимых  под световым микроскопом аберраций, затрагивающих иногда почти всю  длину хромосомы, до перемещения  небольших отрезков генома, например, циклических структур, включающих один или немногие повторы ДНК. Закономерности перестроек того и другого крайних  типов неодинаковы. В данном разделе  речь пойдет о видимых перестройках, которые исследуются с помощью  световой микроскопии.

 Типы перестроек: 1) концевые  делеции (дефишенси, или нехватки), при которых утрачиваются теломерный  район и прилежащие участки; 2) интерстициальные делеции, образующиеся  через выпетливание внутреннего  участка хромосомы; оба типа  делеций сопровождаются образованием  центрического (содержащего центромеру) и ацентрического (бесцентромерного) фрагментов; 3) дупликации- перестройки,  приводящие к локальному удвоению  генетического материала (обычно  дупликациям предшествуют делеции  в идентичных участках хромосом, аналогичная картина возникает  при неравном кроссинговере); 4) инверсии - перестройки, в основе которых  также лежит образование петли  с последующим поворотом выпетленного  участка на 180? и соответствующим  изменением порядка расположения  генов; 5) транслокации - перемещения  участков на другие места внутри  хромосомы или обмен участками  между различными хромосомами.  Различают два варианта межхромосомных  транслокаций: симметричные, при которых  хромосомы меняется равными по  величине центрическим и ацентрическим  фрагментами и при этом не  изменяется конфигурация хромосомы,  и асимметричные, когда хромосомы  меняются не равными по величине  фрагментами, в результате чего  образуются дицентрики, трицентрики и т.д. Вызванное хромосомными перестройками нарушение целостности генов вследствие их размеров либо нарушения порядка сцепления генов между собой и их линейной организации в пределах группы сцепления, как правило, ведет к выраженным фенотипическим изменениям. Одно из них связано с эффектом положения генов, выражающимся в изменении проявления генов, попавших в результате транслокации или других перестроек хромосом (делеций, инверсий и т.д.) в новое генетическое окружение. Этот феномен был впервые описан А. Стертевантом (1925) при исследовании проявления гена Bar (полосковидные глаза). Тандемные, т.е. следующие друг за другом, дупликации гена Bar приводят как бы к сверхаддитивному эффекту в отношении числа глазных фасеток. Другими словами, при наличии одной тандемной дупликации, т.е. двух генов Bar в соседних участках Х-хромосомы, число фасеток уменьшается более чем вдвое. Следовательно, характер экспрессии гена зависит от конкретной генотипической среды, в первую очередь от положения гена в хромосоме. В 1934 г. Н. П. Дубинин и Б. Н. Сидоров открыли другой тип эффекта положения, обусловленный транслокацией участка IV хромосомы у дрозофил. При этом ослабевало доминирование нормальной аллели гена cubitus interruptus, что вызывало прерывы кубитальной жилки. Эти же авторы на примере гена hairy показали обратимость эффекта положения при возвращении этого гена на прежнее место путем хромосомных перестроек. Это означает, что изменение проявления генов при эффекте положения не обусловлены мутациями, по крайней мере, в кодирующих последовательностях.