Спонтанные мутации, механизмы их возникновения. Индуцированные мутации Спонтанные мутации примеры
Спонтанная мутация
Мутации.
Вирусам, как и всем живым организмам, свойственны наследственность и изменчивость. На раннем этапе исследования генетики вирусов животных в основном заключались в сборе и последующей генетической и физиологической характеризации вирусных мутантов. В последнее время вирусные мутанты стали использовать в качестве специфических инструментов для исследования генетических и биохимических событий, происходящих в зараженной клетке. Работы такого рода с вирусами животных в целом запаздывали по сравнению с аналогичными работами на прокариотических системах.
Некоторые вирусы дают значительную долю мутантов при пассировании в отсутствие каких-либо известных мутагенов. Эти спонтанные мутации накапливаются в геномах вирусов и приводят к изменчивости фенотипа, которая является объектом селективного давления в ходе эволюции вируса.
Скорость спонтанного мутагенеза в ДНК-геномах значительно ниже (10 -8 - 10 -11 на каждый включенный нуклеотид), чем у РНК-геномных (10 -3 - 10 -4 на каждый включенный нуклеотид). Более высокая частота спонтанных мутаций связана с низкой точностью репликации РНК-геномов, которая вероятно связана с отсутствием у РНК-репликаз корректирующей активности, свойственной ферментам, реплицирующим ДНК. Наиболее часто спонтанные мутации наблюдаются у ретровирусов, что связано с более высокой частотой сбоев в обратной транскрипции, не способных к самокоррекции.
Таким образом, в то время как геномы ДНК-содержащих вирусов относительно стабильны, этого нельзя сказать об РНК-содержащих вирусах, К сожалению для генетиков, ряд факторов стимулирует неравновесие в популяции геномов, и эти факторы часто способствуют накоплению мутантов в популяции. Из-за спонтанного мутагенеза трудно поддерживать гомогенность популяции вируса. Для того чтобы обойти эту трудность, вирусы периодически реклонируют, однако мутанты часто возникают и в ходе образования бляшки, и в ходе роста вируса, поэтому бывает трудно получить генетически однородные препараты вируса с высоким титром.
Индуцированные мутации у вирусов получают при действии различных химических и физических мутагенов, которые подразделяют на действующие in vivo и in vitro .
Большая часть мутантов, выделенных в ходе исследования вирусов животных, получена из популяций дикого типа, обработанных мутагенами. Мутагены обычно применяют для того, чтобы увеличить частоту мутаций в популяции, после чего мутанты подвергают скринингу с помощью подходящего селективного давления. Основной проблемой, связанной с использованием мутагенов, является подбор подходящей дозы. Как правило, желательно получить мутанты, которые отличаются от дикого типа только одной мутацией. Для этого отбор ведут при наиболее низкой дозе мутагена, дающей достаточную частоту мутаций с желаемым фенотипом.
В системах с вирусами животных было использовано множество различных мутагенов, но все они входят в небольшое число классов, определяемых по механизму мутагенеза.
Мутагены одного класса, обычно называемые мутагенами in vitro, действуют путем химической модификации нуклеиновой кислоты, содержащейся в вирусной частице. Азотистая кислота дезаминирует основания, в первую очередь аденин, с образованием гипоксантина, который при последующей репликации спаривается с цитозином. В результате действия азотистой кислоты на аденин происходит транзиция от АТ-пары к GС-паре. Азотистая кислота дезаминирует также цитозин, приводя к транзиции CG->-ТА. Другим мутагеном in vitro является гидроксиламин; он реагирует специфически только с цитозином и вызывает транзицию СG->-ТА. Большой класс мутагенов in vitro представлен алкилирующими агентами, которые действуют на многие позиции в основаниях. Алкилирующие агенты - нитрозогуанидин, этанметансульфонат и ме-тилметансульфонат -являются мощными мутагенами.
Во второй класс входят мутагены in vivo, которые требуют для своего действия метаболически активной нуклеиновой кислоты.
Одна группа мутагенов in vivo содержит аналоги оснований, которые включаются в нуклеиновую кислоту в ходе синтеза по правилам нормального спаривания. Включившись, эти аналоги способны претерпевать таутомерные переходы, которые приводят их к спариванию с различными основаниями, вызывая таким образом транзиции и трансверсии. Часто используют аналоги: 2-аминопу-рин, 5-бромдезоксиуридин и 5-азацитидин.
В другую группу мутагенов in vivo включены интеркалирующие агенты, которые внедряются в стопку оснований, что при последующей репликации нуклеиновой кислоты приводит к вставкам или делециям.
Примерами интеркалирующих агентов являются акридиновые красители, такие как профлавин.
Ультрафиолет также иногда используют в качестве мутагена. Основным продуктом действия ультрафиолета являются димеры пиримидинов. В ДНК пиримидиновые димеры вырезаются. Для РНК механизм ультрафиолетового мутагенеза неизвестен.
Большинству мутаций присуще свойство возврата (реверсии) к дикому типу. Каждая мутация имеет характерную частоту реверсий, которую можно точно измерить.
Классификация вирусных мутаций .
Вирусные мутации классифицируют по изменениям фенотипа и генотипа. По фенотипическим проявлениям мутации вирусов разделяют на четыре группы:
· Мутации, не имеющие фенотипического проявления.
· Летальные мутации, т.е. полностью нарушающие синтез или функцию жизненно важных белков и приводящие к утрате способности к репродукции. Мутация является летальной, если вследствие ее нарушается, например, синтез или функция жизненно важного вирусспецифического белка, например вирусной полимеразы.
· Условно летальные мутации, т.е. мутации с потерей способности синтезировать определенный белок или с нарушением его функции только в определенных условиях. В некоторых случаях мутации являются условно летальными, так как вирусспецифический белок сохраняет свои функции в определенных, оптимальных для него, условиях и теряет эту способность в неразрешающих (непермиссивных) условиях. Типичным примером таких мутаций являются температурно-чувствительные (temperature sensitive) – ts-мутации, при которых вирус теряет способность размножения при повышенных температурах (39-42° С), сохраняя эту способность при обычных температурах выращивания (36-37° С).
· Мутации, имеющие фенотипическое проявление, например изменение размеров бляшек под агаровым покрытием или термостабильности, по изменению спектра хозяев, устойчивости к ингибиторам и химиопрепаратам.
Впервые повышение частоты наследственной изменчивости под влиянием внешних агентов обнаружили в 1925 г. советские микробиологи Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов. Они наблюдали увеличение разнообразия наследственных форм - салыпантов - после воздействия «лучами радия» на низшие грибы.
В 1927 г. Г. Меллер сообщил о действии рентгеновских лучей на мутационный процесс у дрозофилы. Некоторые соединения (йод, уксусная кислота, аммиак) способны индуцировать рецессивные летали в Л"-хромосоме. В 1939 г. С.М. Гершензон открыл сильный мутагенный эффект экзогенной ДНК у дрозофилы. Мощные химические мутагены были открыты в 1946 г. И.А. Рапопортом (этиленимин) в СССР и Ш. Ауэрбах и Дж. Робсоном (азотистый иприт) в Англии.
С тех пор в арсенал мутагенных факторов вошли разнообразные химические соединения: аналоги оснований, включающиеся непосредственно в ДНК, такие агенты, как азотистая кислота или гидроксиламин, модифицирующие основания, соединения, алкилирующие ДНК (этилметансульфо- нат, метилметансульфонат и др.), соединения, интеркалирующие между основаниями ДНК (акридины и их производные), и др.
Наряду с мутагенами были найдены вещества-антимутагены.
Возможность изменять скорость мутационного процесса послужила решающим стимулом к выяснению причин спонтанных мутаций. Одна из первых попыток объяснить причины спонтанных мутаций сводилась к предположению о том, что в действительности их индуцирует естественный фон радиоактивности. Однако выяснилось, что таким путем можно объяснить возникновение лишь около 0,1 % всех спонтанных мутаций у дрозофилы. Не подтвердилась и гипотеза о тепловом движении атомов как главной причине спонтанных мутаций. Были попытки объяснить спонтанные мутации результатом действия продуктов метаболизма клетки и организма.
Современная точка зрения на причины спонтанных мутаций сформировалась в 1960-х гг. благодаря изучению механизмов воспроизведения, репарации и рекомбинации генов и открытию ферментных систем, ответственных за эти процессы. Возникла тенденция объяснять генные мутации как ошибки в работе ферментов матричного синтеза ДНК. Сейчас эта гипотеза общепризнана. Притягательность гипотезы заключается также в том, что она позволяет рассматривать и индуцированный мутационный процесс как результат вмешательства внешних факторов в нормальное воспроизведение носителей генетической информации, т. е. дает единое объяснение причин спонтанных и индуцированных мутаций. Большое влияние на развитие теории мутационного процесса оказало изучение его генетического контроля. Были открыты гены, мутации которых могут повышать или понижать частоту как спонтанных, так и индуцированных мутаций. Таким образом, подтверждается существование общих причин индуцированного и спонтанного мутационного процесса.
Первое объяснение механизма мутационных изменений (генных мутаций и хромосомных аберраций) было предложено в 1935 г. Н.В. Тимофеевым-Ресовским, К. Циммером и М. Дельбрюком на основании анализа радиационного мутагенеза у высших организмов, прежде всего у дрозофилы. Мутация рассматривалась как результат мгновенной перестройки атомов в сложной молекуле гена. Причиной такой перестройки считалось непосредственное попадание в ген кванта или ионизирующей частицы (принцип попадания) или же случайные колебания атомов. Открытие в дальнейшем эффекта последствия ионизирующих излучений показало, что мутации возникают в результате процесса, длящегося во времени, а не непосредственно в момент прохождения кванта энергии или ионизирующей частицы через ген.
Спонтанные – это мутации, которые возникают самопроизвольно, без участия со стороны экспериментатора.
Индуцированные – это те мутации, которые вызваны искусственно, с использованием различных факторовмутагенеза .
Вообще, процесс образования мутаций называется мутагенезом, а факторы, вызывающие мутации, –мутагенами.
Мутагенные факторы подразделяются нафизические ,химические ибиологические .
Частота спонтанных мутаций одного гена составляет, для каждого гена каждого организма она своя.
Причины спонтанных мутаций не совсем ясны. Раньше считали, что их вызываетестественный 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 могутнакапливаться, и у человека от 10 до 25% спонтанных мутаций связаны с этим.
Второй причиной спонтанных мутаций являютсяслучайные повреждения хромосом и генов во время деления клетки и репликации ДНК вследствиеслучайных ошибок в функционировании молекулярных механизмов.
Третьей причиной спонтанных мутаций являетсяперемещение по геномумобильных 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 – , , ; 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 генетические элементы .
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.
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 воздействием химических веществ, радиации, под действием высоких или низких температур, разреженного воздуха или высокого давления. Ежегодно человек в среднем поглощает около одной десятой рада ионизирующего излучения, что составляет естественный радиационный фон. В это число входит гамма-излучения 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 глубоко внутрь тела человека. Но кожа часто страдает от избыточной инсоляции (меланома и другие виды рака). Однако одноклеточные организмы и вирусы мутируют под воздействием солнечного света. Слишком высокие или низкие температуры тоже способны вызывать изменения в генетическом материале.
Эндогенные причины мутаций
Основными причинами, при которых может возникнуть спонтанная мутация, остаются эндогенные факторы. К ним относятся побочные продукты метаболизма, ошибки в процессе репликации, репарации или рекомбинации и другие.
- спонтанные транзиции и инверсии азотистых оснований;
- неправильное устройство нуклеотидов из-за ошибок ДНК-полимераз;
- химическая замена нуклеотидов, например, гуанин-цитозина на аденин-гуанин.
- мутации в генах, ответственных за репарации отдельных участков цепи ДНК после их разрыва под воздействием внешних факторов.
- сбои в процессах кроссинговера при мейозе или митозе приводит к выпадению и достраиванию оснований.
Это основные факторы, вызывающие спонтанные мутации. Причины сбоев могут заключаться в активации генов-мутаторов, а также преобразования безопасных химических соединений в более активные метаболиты, которые влияют на ядро клетки. Кроме того, существуют 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 в результате влияния всех перечисленных выше факторов, влияющих 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 с дочерней цепи петли могут как резецироваться (делеции), так и встраиваться (дупликации, инсерции). Появились изменения закрепляются в последующих 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 распространены спонтанные мутации
Почему же чаще всего проявляются в генетическом материале спонтанные мутации? Примеры подобных состояний – это потеря азотистых оснований и удаления аминокислот. Особенно чувствительными к ним считаются цитозиновые остатки. Доказано, что на сегодняшний день более чем у половины позвоночных животных является мутация цитозиновых остатков. После дезаминирования метилцитозин меняется на тимин. Дальнейшее копирование этого участка повторяет ошибку или удаляет ее или удваивает и мутирует в новый фрагмент. Еще одной причиной частых спонтанных мутаций, считают большое количество псевдогенов. Из-за этого в процессе мейоза могут образовываться неровные гомологичные рекомбинации. Следствием этого являются перестройки в генах, повороты и удвоение отдельных нуклеотидных последовательностей.
Полимеразная модель мутагенеза
Согласно этой модели, спонтанные мутации возникают в результате случайных ошибок молекул, синтезируют ДНК. В первый раз подобная модель была представлена Бреслером. Он высказал предположение, что мутации появляются в результате 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, которая объясняет спонтанные и искусственные мутации, была предложена Уотсоном и Криком (первооткрывателя структуры ДНК). Они предположили, что в основе мутагенеза лежит способность некоторых оснований ДНК превращаться в таутомерные формы, которые изменяют способ соединения оснований.
После опубликования гипотеза активно разрабатывалась. Были обнаружены новые формы нуклеотидов после облучения ультрафиолетом. Это дало ученым новые возможности для исследований. Современная наука до сих пор дискутирует о роли таутомерных форм в спонтанный мутагенез и его влияние на количество выявленных мутаций.
Другие модели
Спонтанная мутация возможна при нарушении узнавания ДНК-полимеразами нуклеиновых кислот. Полтаевым и соавторами был выяснен механизм, который обеспечивает соблюдение принципа комплементарности при синтезе дочерних молекул ДНК. Эта модель позволила изучить закономерности появления спонтанного мутагенеза. Ученые объяснили свое открытие тем, что главной причиной изменения структуры ДНК является синтез неканонических пар нуклеотидов. Они предположили, что замета оснований происходит через дезаминирование участков ДНК. Это приводит к изменению цитозина на тимин или урацил. Из-за таких мутаций образуются пары несовместимых нуклеотидов. Поэтому при следующей репликации происходит транзиция (точечная замена нуклеотидных оснований).
Классификация мутаций: спонтанные
Есть различные классификации мутаций в зависимости от того, какой именно критерий лежит в их основе. Существует деление по характеру изменения функции гена: - гипоморфные (мутированные аллели синтезируют меньше белков, но они похожи на оригинальные);
- аморфные (ген полностью утратил свои функции);
- антиморфные (мутированный ген полностью меняет тот признак, который представляет);
- неоморфные (появляются новые признаки). Но более распространена классификация, которая делит все мутации пропорционально переменной структурой. 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 кратное гаплоидному.
2. Хромосомные мутации. Наблюдаются значительные перестройки отдельных участков хромосом. Различают потерю информации (делецию), удвоение (дупликацию), изменение направленности нуклеотидных последовательностей (инверсию), а также опрокидывания участков хромосом на другое место (транслокацию).
3. Генная мутация. Наиболее часто встречается мутация. В цепи ДНК происходит замена нескольких случайных азотистых оснований.
Последствия мутаций
Спонтанные мутации - причины возникновения опухолей, болезней накопления, 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 токсичные 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 оказываются врожденными патологиями органов, уродствами, нарушениями обмена и болезнями накопления.
Спонтанные мутации:
В некоторых случаях, которые раньше казались бесполезными мутации могут быть полезные для приспособления к новым условиям 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 с помощью 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. Выявить «поломку» можно только с помощью специфических исследований. Это необходимо для изучения происхождения и родственных видов животных и их составление генетических карт.
Проблема спонтанности мутаций
В сороковые годы прошлого века существовала теория, что мутации вызываются исключительно влиянием внешних факторов 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 высевали в 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 на несколько чистых сред. Новые колонии культивировали и обрабатывали антибиотиком. В результате в разных пробирках выживали бактерии, расположенные на одинаковых участках среды.
Мутационный процесс характеризуется частотой возникновения мутаций и направлением мутирования генов.
Частота возникновения мутаций является одной из определяющих черт каждого вида животных, растений и микроорганизмов: одни виды обладают более высокой мутационной изменчивостью, чем другие. Эти различия обусловлены влиянием многих факторов общего и частного значения: генотипического строения вида, степени его адаптации к условиям внешней среды, места его распространения, силы действия природных факторов и т. д. Как бы организм ни был защищен от воздействия внешней среды, протекающие в нем химические процессы, связанные с обменом веществ, могут быть причиной спонтанной мутационной изменчивости. Под этим термином мы скрываем свое незнание конкретных причин мутаций.
В настоящее время еще нет полного представления о частоте возникновения мутаций за одно поколение. Это объясняется тем, что мутации чрезвычайно разнообразны как по фенотипическому проявлению, так и по генетической обусловленности, а методы их учета несовершенны; лишь в отношении мутабильности отдельных локусов можно дать более или менее точную оценку. Как правило, одновременно мутирует лишь один из членов аллельной пары, что объясняется редкостью самого мутирования; одновременное мутирование обоих членов - маловероятное событие.
Установленные общие закономерности частоты спонтанного мутирования сводятся к следующим положениям:
- различные гены в одном генотипе мутируют с разной частотой;
- сходные гены в разных генотипах мутируют с различной скоростью.
Эти два положения иллюстрируются таблицами.
В первой из них показана частота мутирования разных генов на примере кукурузы, во второй - сравнивается мутирование генов у разных видов животных, растений и человека, а у кукурузы - мутирование одних и тех же генов в разных линиях, имеющих разные генотипы.
Итак, различные гены мутируют с разной частотой, т. е. имеются гены мутабильные и стабильные. Каждый ген мутирует относительно редко, но так как число генов в генотипе может быть огромным, то суммарная частота мутирования различных генов оказывается довольно высокой. Для дрозофилы этот расчет показывает одну мутацию примерно на 100 гамет за одно поколение. Однако подобные расчеты пока не очень точны, так как фактически нельзя отличить единичное изменение локуса от сложных мелких реорганизаций в хромосомах; кроме того, очень трудно установить одновременное мутирование в разных хромосомах в пределах одной клетки.
Исходя из редкости самого события - мутации гена, следует объяснять и тот факт, что обычно наблюдают мутирование лишь в одном из локусов. Генетика не знает ни одного достоверного факта одновременного мутирования двух аллелей в гомологичных хромосомах. Но возможно, что это объясняется самим механизмом возникновения мутаций.
Причины спонтанного мутирования генов остаются еще далеко не выясненными. Одной из главных причин, обусловливающих разную частоту мутирования, является сам генотип. Один и тот же ген R r в двух линиях кукурузы мутирует к r r по-разному: в одной - с частотой 6,2, а в другой - 18,2 на 10 000 гамет. Установлено также, что частота возникновения летальных мутаций у разных линий дрозофилы различна.
С помощью селекции можно создать линии, которые будут иметь разную спонтанную мутабильность. В пользу этого говорит тот факт, что существуют специальные гены - мутаторы, которые влияют на скорость мутирования других генов. Так, например, У кукурузы вблизи левого конца короткого плеча IX хромосомы лежит локус Dt, который влияет на мутабильность локуса А, находящегося в длинном плече III хромосомы. Правда, до сих пор не совсем ясно, что представляет собой локус Dt. Возможно, он является какой-либо хромосомной перестройкой.
Влияние генотипа на спонтанную мутабильность отдельного гена проявляется также при гибридизации. Имеются указания на то, что частота мутирования одного и того же локуса выше у гибридных организмов, чем у исходных форм.
Спонтанный мутационный процесс обусловлен также физиологическим состоянием и биохимическими изменениями в клетках.
Так, например, М. С. Навашин и Г. Штуббе показали, что в процессе старения семян при хранении в течение нескольких лет частота мутаций, особенно типа хромосомных перестроек, значительно увеличивается. Подобное явление наблюдается в отношении частоты летальных мутаций у дрозофилы при хранении спермы в семеприемниках самок. Такого рода факты указывают на то, что спонтанное мутирование гена зависит от физиологических и биохимических изменений клетки, связанных с внешними условиями.
Одной из возможных причин спонтанного мутирования может быть накопление в генотипе мутаций, блокирующих биосинтез тех или иных веществ, вследствие чего будет происходить чрезмерное накопление предшественников таких веществ, которые могут влиять на изменение генов. Эта гипотеза поддается экспериментальной проверке.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
