Какво представляват спонтанните мутации? Спонтанен мутационен процес и причините за него

Мутациите са важен обект на изследване за цитогенетиците и биохимиците. Това са мутации, генни или хромозомни, които най-често причиняват наследствени заболявания. При естествени условия хромозомните пренареждания се случват много рядко. Мутациите, причинени от химически реагенти, биологични мутагени или физически фактори като йонизиращо лъчение, често са причина за вродени патологии на развитието и злокачествени новообразувания.

Обща информация за мутациите

Hugo de Vries определя мутацията като внезапна промяна в наследствена черта. Това явление се среща в генома на всички живи организми, от бактериите до хората. При нормални условия мутациите в нуклеиновите киселини се появяват много рядко, с честота приблизително 1·10 -4 - 1·10 -10.

В зависимост от количеството генетичен материал, засегнат от промените, мутациите се разделят на геномни, хромозомни и генни мутации. Геномните са свързани с промени в броя на хромозомите (монозомия, тризомия, тетразомия); хромозомните са свързани с промени в структурата на отделните хромозоми (делеции, дупликации, транслокации); генните мутации засягат един ген. Ако мутацията е засегнала само една двойка нуклеотиди, това е точкова мутация.

В зависимост от причините, които са ги причинили, се разграничават спонтанни и индуцирани мутации.

Спонтанни мутации

Те възникват в тялото под въздействието на вътрешни фактори. Спонтанните мутации се считат за нормални, те рядко водят до сериозни последици за тялото. Най-често такива пренареждания се случват в рамките на един ген и са свързани със замяната на бази - пурин с друг пурин (преходи) или пурин с пиримидин (трансверсии).

Спонтанните мутации се срещат в хромозомите много по-рядко. Обикновено хромозомните спонтанни мутации са представени от транслокации (преход на един или повече гени от една хромозома към друга) и инверсии (промени в последователността на гените в хромозомата).

Индуцирани пренареждания

Индуцираните мутации възникват в клетките на тялото под въздействието на химикали, радиация или материал за вирусна репликация. Такива мутации се появяват по-често от спонтанните и имат по-сериозни последици. Те засягат отделни гени и групи от гени, като блокират синтеза на отделни протеини. Индуцираните мутации често имат глобален ефект върху генома; под въздействието на мутагени в клетката се появяват анормални хромозоми: изохромозоми, пръстенни хромозоми, дицентрици.

Мутагените, в допълнение към хромозомните пренареждания, причиняват увреждане на ДНК: прекъсвания на двойна верига, образуване на кръстосани връзки на ДНК.

Примери за химически мутагени

Химическите мутагени включват нитрати, нитрити, аналози на азотни основи, азотиста киселина, пестициди, хидроксиламин и някои хранителни добавки.

Азотистата киселина кара аминогрупата да бъде отстранена от азотните основи и заменена с друга група. Това води до точкови мутации. Химически индуцирани мутации също се причиняват от хидроксиламин.

Нитратите и нитритите в големи дози повишават риска от рак. Някои хранителни добавки предизвикват реакции на арилиране на нуклеиновите киселини, което води до нарушаване на процесите на транскрипция и транслация.

Химическите мутагени са много разнообразни. Често тези вещества причиняват индуцирани мутации в хромозомите.

Физическите мутагени включват йонизиращо лъчение, предимно късовълново лъчение и ултравиолетово лъчение. Ултравиолетовата светлина задейства процес в мембраните и провокира образуването на различни дефекти в ДНК.

Рентгеновото и гама лъчение провокират мутации на ниво хромозома. Такива клетки не са способни да се делят, те умират по време на апоптоза. Индуцираните мутации могат да засегнат и отделни гени. Например, блокирането на туморни супресорни гени води до появата на тумори.

Примери за индуцирани пренареждания

Примери за индуцирани мутации включват различни генетични заболявания, които често се появяват в области, изложени на физически или химични мутагенни фактори. Известно е, по-специално, че в индийския щат Керала, където годишната ефективна доза йонизиращо лъчение надвишава нормата 10 пъти, честотата на ражданията на деца със синдром на Даун (тризомия 21) се увеличава. В китайския окръг Яндзян е открито голямо количество радиоактивен монацит в почвата. Нестабилните елементи в състава му (церий, торий, уран) се разпадат с отделяне на гама лъчи. Излагането на късовълнова радиация сред жителите на областта е довело до голям брой раждания на деца със синдрома на котката (изтриване на голяма част от хромозома 8), както и до повишена заболеваемост от рак. Друг пример: през януари 1987 г. в Украйна са регистрирани рекорден брой раждания на деца със синдром на Даун, свързани с аварията в Чернобил. През първия триместър на бременността плодът е най-чувствителен към ефектите на физични и химични мутагени, поради което колосална доза радиация е довела до увеличаване на честотата на хромозомните аномалии.

Един от най-известните химически мутагени в историята е седативът Талидомид, произведен в Германия през 50-те години на миналия век. Приемането на това лекарство е довело до раждането на много деца с различни генетични аномалии.

Методът на индуцираните мутации обикновено се използва от учените за намиране на оптимални начини за борба с автоимунни заболявания и генетични нарушения, свързани с хиперсекреция на протеини.

Спонтанен- Това са мутации, които възникват спонтанно, без намесата на експериментатора.

Индуциран– това са тези мутации, които са причинени изкуствено, с помощта на различни фактори мутагенеза.

Най-общо процесът на образуване на мутации се нарича мутагенеза,а факторите, причиняващи мутации са мутагени.

Мутагенни факторисе разделят на физически, химическиИ биологични.

Скорост на спонтанна мутацияедин ген е , за всеки ген на всеки организъм той е различен.

Причини за спонтанни мутациине съвсем ясно. Преди се смяташе, че са причинени от естествен фон на йонизиращо лъчение. Оказа се обаче, че това не е така. Например при Drosophila естественият радиационен фон причинява не повече от 0,1% от спонтанните мутации.

СЪС възрастпоследствията от излагането на естествен радиационен фон могат натрупвам,а при хората 10 до 25% от спонтанните мутации се дължат на това.

Втора причинаспонтанните мутации са случайно увреждане на хромозоми и генипо време на клетъчното делене и репликацията на ДНК поради случайни грешкивъв функционирането на молекулярните механизми.

Третата причинаспонтанните мутации са движещ сепо геном мобилни елементи, който може да нахлуе във всеки ген и да причини мутация в него.

Американският генетик М. Грийн показа, че около 80% от мутациите, които са открити като спонтанни, са възникнали в резултат на движението на подвижни елементи.

Индуцирани мутациипърво открит през 1925г. Г.А. НадсънИ Г.С. Филиповв СССР. Те облъчиха плесенните култури с рентгенови лъчи. Mucor genevensisи получи разделяне на културата „на две форми или раси, различаващи се не само една от друга, но и от оригиналната (нормална) форма“. Мутантите се оказаха стабилни, тъй като след осем последователни субкултури те запазиха придобитите си свойства. Тяхната статия е публикувана само на руски език и в работата не са използвани никакви методи за количествена оценка на ефекта от рентгеновите лъчи, така че остава малко забелязана.

IN 1927 Ж. Г. Мьолерсъобщава за ефекта на рентгеновите лъчи върху процеса на мутация в Drosophila и предлага количествен методотчитане на рецесивни летални мутации на X хромозомата ( ClB), който се превърна в класика.

През 1946 г. Мьолер получава Нобелова награда за откриването на радиационната мутагенеза. Вече е установено, че практически всички видове радиация(включително йонизиращи лъчения от всички видове - a, b, g; UV лъчи, инфрачервени лъчи) предизвикват мутации. Те се наричат физически мутагени.

Основен механизмитехните действия:

1) нарушаване на структурата на гените и хромозомите поради пряко действиевърху ДНК и протеинови молекули;

2) образование свободни радикали, които влизат в химично взаимодействие с ДНК;

3) скъсвания на конци шпиндели;

4) образование димери(тимин).

През 30-те години беше отворено химическа мутагенезав дрозофила: В. В. Сахаров (1932 ), М. Е. ЛобашевИ Ф. А. Смирнов (1934 ) показа, че някои съединения, като напр йод, оцетна киселина, амоняк, са способни да индуцират рецесивни летални мутации на X хромозомата.

IN 1939 Ж. Сергей Михайлович Гершензон(ученик на С. С. Четвериков) откри силен мутагенен ефект на екзогенна ДНКв дрозофила. Под влияние на идеите на Н.К. Колцов, че хромозомата е гигантска молекула, S.M. Гершензон решава да провери предположението си, че ДНК е такава молекула. Той изолира ДНК от тимуса и я добавя към храната на ларвите на Drosophila. Сред 15 хиляди контролни мухи (т.е. без ДНК в храната) нямаше нито една мутация, а в експеримента бяха открити 13 мутанта сред 13 хиляди мухи.

IN 1941 г. Шарлот АуербахИ Дж. Робсънпоказа това азотен ипритпредизвиква мутации в Drosophila. Резултатите от работата с този боен агент са публикувани едва през 1946 г., след края на Втората световна война. В същото 1946 Ж. Рапопорт(Йосиф Абрамович) в СССР показа мутагенна активност формалдехид.

В момента към химически мутагенивключват:

а) естественоорганични и неорганични вещества;

б) индустриални продукти обработка на природни съединения– въглища, петрол;

V) синтетични вещества, които преди това не се срещат в природата (пестициди, инсектициди и др.);

г) някои метаболитичовешки и животински тела.

Химически мутагенипричина главно генетичнимутации и действат по време на репликацията на ДНК.

Механизми на тяхното действие:

1) модификация на основната структура (хидроксилиране, дезаминиране, алкилиране);

2) замяна на азотни основи с техни аналози;

3) инхибиране на синтеза на прекурсори на нуклеинова киселина.

През последните години т.нар супермутагени:

1)базови аналози;

2) връзки, ДНК алкилиране(етил метансулфонат, метил метансулфонат и др.);

3) връзки, интеркалиранемежду ДНК бази (акридини и техните производни).

Супермутагените увеличават честотата на мутациите с 2-3 порядъка.

ДА СЕ биологични мутагениотнасям се:

а) вируси(рубеола, морбили и др.);

б) невирусни инфекциозни агенти(бактерии, рикетсии, протозои, хелминти);

V) мобилни генетични елементи.

Механизми на тяхното действие:

1) геномите на вирусите и мобилните елементи са интегрирани в ДНК на клетките гостоприемници;

Индуцирана мутагенеза, като се започне от края на 20-те години на 20-ти век, се използват за селекция на нови щамове, породи и сортове. Най-голям успех е постигнат в селекцията на щамове бактерии и гъбички, които произвеждат антибиотици и други биологично активни вещества.

Така успяхме да увеличим активността производители на антибиотицис 10-20 пъти, което позволи значително да се увеличи производството на подходящи антибиотици и рязко да се намали тяхната цена. Дейност на лъчистата гъба - производител на витамин В12успя да се увеличи 6 пъти, а активността на бактерията – продуцент аминокиселини лизин- 300-400 пъти.

Използване на мутации нанизъм при пшеницатапозволи през 60-70-те рязко да увеличи добива на зърнени култури, което се нарича „ зелена революция" Сортовете пшеница джуджета имат скъсено дебело стъбло, което е устойчиво на полягане, може да издържи на повишено натоварване от по-голям клас. Използването на тези сортове направи възможно значително увеличаване на добивите (няколко пъти в някои страни).

Американски селекционер и генетик се смята за автор на „зелената революция“ Н. Борлауга, който през 1944 г., на 30-годишна възраст, се установява и започва работа в Мексико. За успеха си в отглеждането на високопродуктивни сортове растения той получава Нобелова награда за мир през 1970 г.

11 . Генни мутации

Генни (точкови) мутациисвързани с относително незначителни промени в нуклеотидните последователности. Генни мутации са подразделениза промени структурни гении промени регулаторни гени.

Видове мутации:

1. Вмъкванеили загуба (изтриване)двойки или няколко двойки нуклеотиди, те водят до изместване на рамката за четене. В зависимост от мястото на вмъкване или делеция на нуклеотид се променят по-малко или повече кодони.

2. Преход– замяна на бази от пурин с пурин или пиримидин с пиримидин, например: A „G, C“ T.

3. Трансверсия –заместване на пуринова основа с пиримидинова основа или пиримидинова основа с пуринова основа. Например: A « C, G « T.

Промените в структурните гени водят до:

а) към миссенс мутации– промени в значението на кодоните и образуването на други протеини;

б) към безсмислени мутации– образуване на STOP кодони (UAA, UAG, UGA).

Резултати от промени в регулаторните гени:

1. Репресорният протеин не съвпада с оператора (“ ключът не влиза в ключалката") - структурните гени работят постоянно (протеините се синтезират през цялото време).

2. Репресорният протеин е плътно „прикрепен“ към оператора и не се отстранява от индуктора (“ ключът не излиза от ключалката") - структурните гени постоянно не работят и протеините, кодирани в този оперон, не се синтезират.

3. Нарушаване на редуването на репресия и индукция– при липса на индуктор се синтезира специфичен протеин, но при негово присъствие протеинът не се синтезира. Това се дължи на мутации в регулаторния ген или операторна последователност.

Генните мутации са основната причина генни заболявания, чиято честота на проявление в човешките популации достига 1-2%.

Какви мутации се наричат ​​спонтанни? Ако преведем термина на достъпен език, тогава това са естествени грешки, които възникват при взаимодействието на генетичния материал с вътрешната и/или външната среда. Такива мутации обикновено са случайни. Те се наблюдават в репродуктивните и други клетки на тялото.

Екзогенни причини за мутации

Спонтанна мутация може да възникне под въздействието на химикали, радиация, високи или ниски температури, разреден въздух или високо налягане.

Всяка година човек поглъща средно около една десета от йонизиращото лъчение, което съставлява естествения радиационен фон. Това число включва гама радиация от ядрото на Земята, слънчевия вятър и радиоактивността на елементи, разположени дълбоко в земната кора и разтворени в атмосферата. Получената доза зависи и от това къде точно се намира човекът. Една четвърт от всички спонтанни мутации възникват именно поради този фактор.

Ултравиолетовото лъчение, противно на общоприетото схващане, играе второстепенна роля в причиняването на увреждане на ДНК, тъй като не може да проникне достатъчно дълбоко в човешкото тяло. Но кожата често страда от прекомерно излагане на слънце (меланом и други видове рак). Едноклетъчните организми и вирусите обаче мутират, когато са изложени на слънчева светлина.

Твърде високите или ниските температури също могат да причинят промени в генетичния материал.

Ендогенни причини за мутации

Основните причини, поради които може да възникне спонтанна мутация, остават ендогенни фактори. Те включват метаболитни странични продукти, грешки в процеса на репликация, възстановяване или рекомбинация и други.

1. Грешки при репликация:
   - спонтанни преходи и инверсии на азотни бази;
   - неправилно вмъкване на нуклеотиди поради грешки в ДНК полимеразите;
   - химично заместване на нуклеотиди, например гуанин-цитозин с аденин-гуанин.
2. Грешки при възстановяване:
   - мутации в гени, отговорни за възстановяването на отделни участъци от веригата на ДНК след разрушаването им под въздействието на външни фактори.
3. Проблеми с рекомбинацията:
   - неуспехи в процесите на кръстосване по време на мейоза или митоза водят до загуба и завършване на бази.

Това са основните фактори, причиняващи спонтанни мутации. Причините за неуспехите могат да бъдат активирането на гени-мутатори, както и превръщането на безопасни химични съединения в по-активни метаболити, които засягат клетъчното ядро. Освен това има и структурни фактори. Те включват повторения на нуклеотидната последователност в близост до мястото на пренареждане на веригата, наличието на допълнителни ДНК участъци, подобни по структура на гена, както и мобилни елементи на генома.

Патогенеза на мутацията

Спонтанната мутация възниква в резултат на влиянието на всички горепосочени фактори, действащи заедно или поотделно през определен период от живота на клетката. Има такова явление като плъзгащо се прекъсване на сдвояването на дъщерните и майчините ДНК вериги. Това често води до образуването на бримки от пептиди, които не са успели да се интегрират адекватно в последователността. След отстраняване на излишните ДНК участъци от дъщерната верига, бримките могат да бъдат резецирани (делеции) или вмъкнати (дупликации, вмъквания). Промените, които се появяват, се консолидират в следващите цикли на клетъчно делене.

Скоростта и броят на възникващите мутации зависят от първичната структура на ДНК. Някои учени смятат, че абсолютно всички ДНК последователности са мутагенни, ако образуват завои.

Най-честите спонтанни мутации

Как най-често се проявяват спонтанните мутации в генетичния материал? Примери за такива състояния са загубата на азотни основи и отстраняването на аминокиселини. Цитозиновите остатъци се считат за особено чувствителни към тях.

Доказано е, че днес повече от половината гръбначни животни имат мутации в цитозиновите остатъци. След дезаминиране метилцитозинът се превръща в тимин. Последващото копиране на този раздел повтаря грешката или я изтрива, или я удвоява и я променя в нов фрагмент.

Друга причина за честите спонтанни мутации е големият брой псевдогени. Поради това могат да се образуват неравни хомоложни рекомбинации по време на процеса на мейоза. Последствията от това са пренареждания в гените, ротации и дублиране на отделни нуклеотидни последователности.

Полимеразен модел на мутагенеза

Според този модел спонтанните мутации възникват в резултат на случайни грешки в молекулите, които синтезират ДНК. За първи път подобен модел беше представен от Bresler. Той предположи, че мутациите се появяват поради факта, че полимеразите в някои случаи вмъкват некомплементарни нуклеотиди в последователността.

Години по-късно, след продължителни тестове и експерименти, тази гледна точка е одобрена и приета в научния свят. Дори са изведени определени модели, които позволяват на учените да контролират и насочват мутациите чрез излагане на определени участъци от ДНК на ултравиолетова светлина. Например, те откриха, че аденинът най-често се вкарва срещу увредения триплет.

Тавтомерен модел на мутагенеза

Друга теория, обясняваща спонтанните и изкуствени мутации, е предложена от Уотсън и Крик (откриватели на структурата на ДНК). Те предполагат, че основата на мутагенезата е способността на някои ДНК бази да се трансформират в тавтомерни форми, променяйки начина, по който базите се свързват.

След публикуването хипотезата се развива активно. След облъчване с ултравиолетова светлина са открити нови форми на нуклеотиди. Това даде на учените нови възможности за изследване. Съвременната наука все още обсъжда ролята на тавтомерните форми в спонтанната мутагенеза и нейното влияние върху броя на откритите мутации.

Други модели

Спонтанна мутация е възможна, когато разпознаването на нуклеиновите киселини от ДНК полимеразите е нарушено. Полтаев и съавторите изясниха механизма, който осигурява спазването на принципа на комплементарност по време на синтеза на дъщерни ДНК молекули. Този модел направи възможно изследването на моделите на възникване на спонтанна мутагенеза. Учените обясниха откритието си с това, че основната причина за промените в структурата на ДНК е синтезът на неканонични нуклеотидни двойки.

Те предположиха, че измиването на основата се случва поради дезаминиране на ДНК секции. Това води до промяна от цитозин към тимин или урацил. Поради такива мутации се образуват двойки несъвместими нуклеотиди. Следователно по време на следващата репликация настъпва преход (точкова замяна на нуклеотидни бази).

Класификация на мутациите: спонтанни

Съществуват различни класификации на мутациите в зависимост от конкретния критерий, който е в основата им. Съществува разделение според естеството на промените в генната функция:

Хипоморфен (мутиралите алели синтезират по-малко протеини, но са подобни на оригиналните);
- аморфен (генът напълно е загубил функциите си);
- антиморфен (мутиралият ген напълно променя признака, който представлява);
- неоморфен (появяват се нови знаци).

Но по-често срещаната класификация е тази, която разделя всички мутации според структурата, която се променя. Акцент:

1. Геномни мутации. Те включват полиплоидия, тоест образуването на геном с троен или повече набор от хромозоми, и анеуплоидия - броят на хромозомите в генома не е кратен на хаплоидния.
2. Хромозомни мутации. Наблюдават се значителни пренареждания на отделни хромозомни участъци. Прави се разлика между загуба на информация (изтриване), нейното удвояване (дупликация), промяна в посоката на нуклеотидните последователности (инверсия) и прехвърляне на хромозомни участъци на друго място (транслокация).
3. Генна мутация. Най-честата мутация. Няколко произволни азотни бази се заменят във веригата на ДНК.

Последици от мутации

Спонтанните мутации са причина за тумори, дисфункции на органи и тъкани на хора и животни. Ако мутирала клетка се намира в голям многоклетъчен организъм, тогава с голяма степен на вероятност тя ще бъде унищожена чрез задействане на апоптоза (програмирана клетъчна смърт). Тялото контролира процеса на поддържане на генетичния материал и с помощта на имунната система се отървава от евентуално увредени клетки.

В един случай от стотици хиляди Т-лимфоцитите нямат време да разпознаят засегнатата структура и тя поражда клонинг от клетки, които също съдържат мутиралия ген. Конгломератът от клетки има други функции, произвежда токсични вещества и влияе негативно на общото състояние на организма.

Ако мутацията е настъпила не в соматичната клетка, а в репродуктивната клетка, тогава ще се наблюдават промени в потомците. Те се проявяват като вродени органни патологии, деформации, метаболитни нарушения и заболявания на съхранението.

Спонтанни мутации: значение

В някои случаи мутации, които преди са изглеждали безполезни, могат да бъдат полезни за адаптиране към нови условия на живот. Това въвежда мутацията като мярка за естествен подбор. Животните, птиците и насекомите носят камуфлажни цветове, които съответстват на тяхното местоположение, за да се предпазят от хищници. Но ако местообитанието им се промени, тогава с помощта на мутации природата се опитва да защити вида от изчезване. В новите условия най-приспособените оцеляват и предават тази способност на другите.

Мутацията може да възникне в неактивни области на генома и тогава не се наблюдават видими промени във фенотипа. „Повреда“ може да бъде открита само чрез специфични изследвания. Това е необходимо за изследване на произхода на сродни животински видове и съставяне на техните генетични карти.

Проблемът със спонтанността на мутациите

През четиридесетте години на миналия век имаше теория, че мутациите се причиняват единствено от излагане и помагат за адаптиране към тях. За да се провери тази теория, беше разработен специален метод за тестване и повторение.

Процедурата се състоеше в засяване на малък брой бактерии от един вид в епруветки и след няколко инокулации към тях бяха добавени антибиотици. Някои микроорганизми оцеляха и бяха прехвърлени в нова среда. Сравнение на бактерии от различни епруветки показа, че резистентността възниква спонтанно, както преди, така и след контакт с антибиотика.

Методът на повторение включва прехвърляне на микроорганизми върху пухкава тъкан и след това прехвърлянето им едновременно в няколко чисти среди. Новите колонии бяха култивирани и третирани с антибиотик. В резултат на това бактериите, разположени в идентични области на средата, оцеляха в различни епруветки.

Какви мутации се наричат ​​спонтанни? Ако преведем термина на достъпен език, тогава това са естествени грешки, които възникват при взаимодействието на генетичния материал с вътрешната и/или външната среда. Такива мутации обикновено са случайни. Те се наблюдават в репродуктивните и други клетки на тялото.

Екзогенни причини за мутации

Спонтанна мутация може да възникне под въздействието на химикали, радиация, високи или ниски температури, разреден въздух или високо налягане. Всяка година човек поглъща средно около една десета от рад йонизиращо лъчение, което представлява естествения радиационен фон. Това число включва гама радиация от ядрото на Земята, слънчевия вятър и радиоактивността на елементи, разположени дълбоко в земната кора и разтворени в атмосферата. Получената доза зависи и от това къде точно се намира човекът. Една четвърт от всички спонтанни мутации възникват именно поради този фактор.
Ултравиолетовото лъчение, противно на общоприетото схващане, играе второстепенна роля в причиняването на увреждане на ДНК, тъй като не може да проникне дълбоко в човешкото тяло. Но кожата често страда от прекомерно излагане на слънце (меланом и други видове рак). Едноклетъчните организми и вирусите обаче мутират, когато са изложени на слънчева светлина. Твърде високите или ниските температури също могат да причинят промени в генетичния материал.

Ендогенни причини за мутации

Основните причини, поради които може да възникне спонтанна мутация, остават ендогенни фактори. Те включват метаболитни странични продукти, грешки в процеса на репликация, възстановяване или рекомбинация и други.

Грешки при репликация:
- спонтанни преходи и инверсии на азотни бази;
- неправилно подреждане на нуклеотидите поради грешки в ДНК полимеразите;
- химично заместване на нуклеотиди, например гуанин-цитозин с аденин-гуанин.

Грешки при възстановяване:
- мутации в гени, отговорни за възстановяването на отделни участъци от веригата на ДНК след разрушаването им под въздействието на външни фактори.

Проблеми с рекомбинацията:
- неуспехи в процесите на кръстосване по време на мейоза или митоза водят до загуба и завършване на бази.

Това са основните фактори, причиняващи спонтанни мутации. Причините за неуспехите могат да включват активирането на гени-мутатори, както и превръщането на безопасни химични съединения в по-активни метаболити, които засягат клетъчното ядро. Освен това има структурни фактори. Те включват повторения на нуклеотидната последователност в близост до мястото на пренареждане на веригата, наличието на допълнителни ДНК участъци, подобни по структура на гена, както и мобилни елементи на генома.

Патогенеза на мутацията

Спонтанната мутация възниква в резултат на влиянието на всички изброени по-горе фактори, действащи заедно или поотделно през определен период от живота на клетката. Има такова явление като плъзгащо се прекъсване на сдвояването на дъщерните и майчините ДНК вериги. Това често води до образуването на бримки от пептиди, които не са успели да се интегрират адекватно в последователността. След отстраняване на излишните ДНК участъци от дъщерната верига, бримките могат да бъдат резецирани (делеции) или вмъкнати (дупликации, вмъквания). Промените, които се появяват, се консолидират в следващите цикли на клетъчно делене.
Скоростта и броят на възникващите мутации зависят от първичната структура на ДНК. Някои учени смятат, че абсолютно всички ДНК последователности са мутагенни, ако образуват завои.

Най-често срещаните спонтанни мутации

Защо спонтанните мутации най-често се появяват в генетичния материал? Примери за такива състояния са загубата на азотни основи и отстраняването на аминокиселини. Цитозиновите остатъци се считат за особено чувствителни към тях. Доказано е, че днес повече от половината гръбначни животни имат мутации в цитозиновите остатъци. След дезаминиране метилцитозинът се превръща в тимин. По-нататъшното копиране на този раздел повтаря грешката или я изтрива, или я удвоява и я променя в нов фрагмент. Друга причина за честите спонтанни мутации се счита за голям брой псевдогени. Поради това могат да се образуват неравномерни хомоложни рекомбинации по време на процеса на мейоза. Последствията от това са пренареждания в гените, ротации и дублиране на отделни нуклеотидни последователности.

Полимеразен модел на мутагенеза

Според този модел спонтанните мутации възникват в резултат на случайни грешки в молекулите, които синтезират ДНК. За първи път подобен модел беше представен от Bresler. Той предположи, че мутациите се появяват в резултат на факта, че полимеразите в някои случаи вмъкват некомплементарни нуклеотиди в последователността. Години по-късно, след продължителни тестове и експерименти, тази гледна точка е одобрена и приета в научния свят. Дори са изведени определени модели, които позволяват на учените да контролират и насочват мутациите чрез излагане на определени участъци от ДНК на ултравиолетова светлина. Например, те откриха, че аденинът най-често се вкарва срещу увредения триплет.

Тавтомерен модел на мутагенеза

Друга теория, която обяснява спонтанните и изкуствени мутации, е предложена от Уотсън и Крик (откриватели на структурата на ДНК). Те предложиха, че мутагенезата се основава на способността на някои ДНК бази да се превръщат в тавтомерни форми, които променят начина, по който базите се свързват заедно.
След публикуването хипотезата се развива активно. След ултравиолетово облъчване са открити нови форми на нуклеотиди. Това даде на учените нови възможности за изследване. Съвременната наука все още обсъжда ролята на тавтомерните форми в спонтанната мутагенеза и нейното въздействие върху броя на идентифицираните мутации.

Други модели

Спонтанна мутация е възможна, когато разпознаването на нуклеиновите киселини от ДНК полимеразите е нарушено. Полтаев и съавторите изясниха механизма, който осигурява спазването на принципа на комплементарност по време на синтеза на дъщерни ДНК молекули. Този модел направи възможно изследването на моделите на спонтанна мутагенеза. Учените обясниха откритието си с това, че основната причина за промените в структурата на ДНК е синтезът на неканонични нуклеотидни двойки. Те предполагат, че измиването на основите става чрез дезаминиране на ДНК секции. Това води до промяна от цитозин към тимин или урацил. Поради такива мутации се образуват двойки несъвместими нуклеотиди. Следователно по време на следващата репликация настъпва преход (точкова замяна на нуклеотидни бази).

Класификация на мутациите: спонтанни

Съществуват различни класификации на мутациите в зависимост от конкретния критерий, който е в основата им. Съществува разделение въз основа на естеството на промяната във функцията на гена: - хипоморфни (мутиралите алели синтезират по-малко протеини, но те са подобни на оригинала);
- аморфен (генът напълно е загубил функциите си);
- антиморфен (мутиралият ген напълно променя признака, който представлява);
- неоморфен (появяват се нови знаци). Но по-разпространена класификация е тази, която разделя всички мутации пропорционално на променлива структура. Има: 1. Геномни мутации. Те включват полиплоидия, тоест образуването на геном с троен или повече набор от хромозоми, и анеуплоидия - броят на хромозомите в генома не е кратен на хаплоидния.
2. Хромозомни мутации. Наблюдават се значителни пренареждания на отделни хромозомни участъци. Има загуба на информация (делеция), удвояване (дупликация), промяна в посоката на нуклеотидните последователности (инверсия), както и обръщане на хромозомни участъци на друго място (транслокация).
3. Генна мутация. Най-честата мутация. Няколко произволни азотни бази се заменят във веригата на ДНК.

Последици от мутации

Спонтанните мутации са причина за тумори, болести на съхранение, дисфункции на органи и тъкани на хора и животни. Ако мутирала клетка се намира в голям многоклетъчен организъм, тогава с голяма степен на вероятност тя ще бъде унищожена чрез задействане на апоптоза (програмирана клетъчна смърт). Тялото контролира процеса на запазване на генетичния материал и с помощта на имунната система се отървава от евентуално увредени клетки. В един случай от стотици хиляди Т-лимфоцитите нямат време да разпознаят засегнатата структура и тя поражда клонинг от клетки, които също съдържат мутиралия ген. Конгломератът от клетки има други функции, произвежда токсични вещества и влияе негативно на общото състояние на организма. Ако мутацията е настъпила не в соматичната клетка, а в репродуктивната клетка, тогава ще се наблюдават промени в потомците. Те се оказват вродени органни патологии, деформации, метаболитни нарушения и заболявания на съхранението.

Спонтанни мутации:

В някои случаи мутации, които преди са изглеждали безполезни, могат да бъдат полезни за адаптиране към нови условия на живот. Това въвежда мутацията като мярка за естествен подбор. Животните, птиците и насекомите носят камуфлажни цветове, които съответстват на тяхното местоположение, за да се предпазят от хищници. Но ако местообитанието им се промени, тогава с помощта на мутации природата се опитва да защити вида от изчезване. В новите условия най-приспособените оцеляват и предават тази способност на другите. Мутацията може да възникне в неактивни области на генома и тогава не се наблюдават видими промени във фенотипа. „Повреда“ може да бъде идентифицирана само с помощта на конкретни изследвания. Това е необходимо за изучаване на произхода и сродните видове животни и съставяне на техните генетични карти.

Проблемът със спонтанността на мутациите

През четиридесетте години на миналия век имаше теория, че мутациите се причиняват единствено от влиянието на външни фактори и помагат да се адаптират към тях. За да се провери тази теория, беше разработен специален метод за тестване и повторение. Процедурата беше, че малко количество бактерии от един вид се засяват в епруветки и след няколко инокулации към тях се добавят антибиотици. Някои микроорганизми оцеляха и бяха прехвърлени в нова среда. Сравнение на бактерии от различни епруветки показа, че резистентността възниква спонтанно, както преди, така и след контакт с антибиотика. Методът на повторение беше да се прехвърлят микроорганизми върху пухкава тъкан и след това да се прехвърлят в няколко чисти среди. Новите колонии бяха култивирани и третирани с антибиотик. В резултат на това бактериите, разположени в едни и същи области на средата, оцеляха в различни епруветки.

Дата на публикуване: 22.05.17

За първи път увеличаването на честотата на наследствената променливост под въздействието на външни агенти е открито през 1925 г. от съветските микробиолози G.A. Надсон и Г.С. Филипов. Те наблюдават увеличаване на разнообразието от наследствени форми - салипанти- след излагане на "радиеви лъчи" на нисши гъби.

През 1927 г. G. Möller докладва за ефекта на рентгеновите лъчи върху мутационния процес при Drosophila. Някои съединения (йод, оцетна киселина, амоняк) са способни да индуцират рецесивни летали в хромозомата L. През 1939 г. S. M. Gershenzon открива силния мутагенен ефект на екзогенна ДНК в Drosophila. Мощни химически мутагени са открити през 1946 г. I. A. Rapoport (етиленимин) в СССР и С. Ауербах и Дж. Робсън (азотна горчица) в Англия.

Оттогава арсеналът от мутагенни фактори включва различни химични съединения: аналози на бази, които се включват директно в ДНК, агенти като азотиста киселина или хидроксиламин, модифициращи основи, съединения, които алкилират ДНК (етил метансулфонат, метил метансулфонат и др. ), съединения, които се интеркалират между ДНК бази (акридини и техните производни) и др.

Наред с мутагените са открити и антимутагенни вещества.

Способността да се променя скоростта на мутационния процес послужи като решаващ стимул за изясняване на причините за спонтанните мутации. Един от първите опити да се обяснят причините за спонтанните мутации се сведе до предположението, че те всъщност са предизвикани от естествен фон на радиоактивност. Оказа се обаче, че по този начин може да се обясни появата само на около 0,1% от всички спонтанни мутации при дрозофилите. Хипотезата за термичното движение на атомите като основна причина за спонтанни мутации също не беше потвърдена. Има опити да се обяснят спонтанните мутации в резултат на действието на метаболитни продукти на клетката и организма.

Съвременната гледна точка за причините за спонтанните мутации се формира през 60-те години на миналия век. благодарение на изучаването на механизмите на възпроизвеждане, възстановяване и рекомбинация на гени и откриването на ензимни системи, отговорни за тези процеси. Съществува тенденция да се обясняват генните мутации като грешки във функционирането на ензимите на ДНК матрицата. Тази хипотеза вече е общоприета. Привлекателността на хипотезата се състои и в това, че тя ни позволява да разглеждаме индуцирания мутационен процес като резултат от намесата на външни фактори в нормалното възпроизвеждане на носители на генетична информация, т.е. предоставя единно обяснение на причините за спонтанното и индуцирани мутации. Развитието на теорията за мутационния процес беше силно повлияно от изследването на неговия генетичен контрол. Открити са гени, чиито мутации могат да увеличат или намалят честотата както на спонтанните, така и на индуцираните мутации. По този начин се потвърждава съществуването на общи причини за индуцирани и спонтанни мутационни процеси.

Първото обяснение на механизма на мутационните промени (генни мутации и хромозомни аберации) е предложено през 1935 г. от N.V. Тимофеев-Ресовски, К. Цимер и М. Делбрюк въз основа на анализ на радиационната мутагенеза във висши организми, предимно в Drosophila. Мутацията се разглежда като резултат от мигновено пренареждане на атоми в сложна генна молекула. Причината за такова преструктуриране се счита за директното навлизане на квантова или йонизираща частица в гена (принципът на влизане) или случайни вибрации на атоми. Последвалото откриване на ефекта от последиците от йонизиращото лъчение показа, че мутациите възникват в резултат на процес, който продължава във времето, а не директно в момента на преминаване на енергиен квант или йонизираща частица през ген.