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

Мутациите са важен обект на изследване за цитогенетиците и биохимиците. Именно мутациите, генни или хромозомни, най-често са причина за наследствени заболявания. При естествени условия хромозомните пренареждания се случват много рядко. Мутациите, причинени от химикали, биологични мутагени или физически фактори като йонизиращо лъчение, често са причина за вродени малформации и злокачествени заболявания.

Обща информация за мутациите

Хю де Врис дефинира 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 около 1·10 -4 - 1·10 -10 .

В зависимост от количеството генетичен материал, засегнат от промените, мутациите се делят на геномни, хромозомни и генни. Геномните са свързани с промяна 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

Възникват в организма 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 и същи ген, свързани със замяната на бази - пурин с друг пурин (преход), или пурин с пиримидин (трансверсия).

Спонтанните мутации се срещат много по-рядко в хромозомите. Обикновено хромозомните спонтанни мутации са представени от транслокации (прехвърляне на един или повече гени от една хромозома в 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 репликация на вируса. 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 засягат глобално 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 двойни вериги, 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 отцепена от азотни основи и заменена с друга група. Това води до точкови мутации. Химически индуцирани мутации също се причиняват от хидроксиламин.

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

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

Физическите мутагени включват йонизираща радиация, предимно късовълнова и ултравиолетова. Ултравиолетовата светлина стартира процеса в мембраните, провокира образуването на различни дефекти в ДНК.

Рентгеновото и гама-лъчението провокира мутации на нивото на хромозомите. Такива клетки не са способни на делене, 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 са различни генетични заболявания, които по-често се проявяват в области, изложени на физичен или химичен мутагенен фактор. По-специално е известно, че в индийския щат Керала, където годишната ефективна доза йонизиращо лъчение надвишава нормата 10 пъти, честотата на раждане на деца със синдром на Даун (тризомия на 21-ва хромозома) се увеличава. В китайския квартал Янцзян в почвата е открито голямо количество радиоактивен монацит. Нестабилните елементи в неговия състав (церий, торий, уран) се разпадат с отделяне на гама-кванти. Въздействието на късовълновата радиация върху жителите на областта доведе до голям брой раждания на деца със синдром на плачеща котка (изтриване на голяма част от 8-ма хромозома), както и повишена заболеваемост от рак. Друг пример: през януари 1987 г. в Украйна е регистриран 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, така че колосалната доза радиация е довела до увеличаване на честотата на хромозомните аномалии.

Един от най-скандалните 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 голямо разнообразие от генетични аномалии.

Методът на индуцираните мутации обикновено се използва от учените за намиране на най-добрите начини за борба с автоимунни заболявания и генетични аномалии, свързани с протеинова хиперсекреция.

Спонтанен- това са мутации, които възникват спонтанно, без участието на експериментатора.

индуциран- това са мутации, които са причинени изкуствено, с помощта на различни фактори мутагенеза.

Най-общо се нарича процесът на образуване на мутации мутагенезаа факторите, които причиняват мутации са мутагени.

Мутагенни факториподразделени на физически, химическии биологични.

Честота на спонтанните мутацииедин ген е , за всеки ген на всеки организъм той има свой собствен.

Причини за спонтанни мутациине са съвсем ясни. Преди се смяташе, че са причинени 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.

ОТ възрастпоследствията от излагането на естествен радиационен фон могат натрупвама при хората 10 до 25% от спонтанните мутации са свързани с него.

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 причинаспонтанни мутации е движещ сепо геном мобилни елементи, които могат да бъдат въведени във всеки ген и да предизвикат 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 първоначалната (нормална) форма". Мутантите се оказаха стабилни, тъй като след осем последователни пасажа те запазиха придобитите си свойства. Тяхната статия е публикувана само на руски език, а освен това в работата не са използвани никакви методи за количествено определяне на действието на рентгеновите лъчи, така че остава незабелязана.

AT 1927 Ж. Г. Мьолерсъобщава за ефекта на рентгеновите лъчи върху процеса на мутация в Drosophila и предлага количествен методдопускане 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. Сега е установено, че практически всички видове радиация(включително йонизиращи лъчения от всякакъв вид - a, b, g; UV лъчи, инфрачервени лъчи) предизвикват мутации. Те се наричат физически мутагени.

Основен механизмитехните действия:

1) нарушение 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 вретено на делене;

4) образование димери(тимин).

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

AT 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 15 000 контролни мухи (т.е. без ДНК в храната) нямаше нито една мутация, а в експеримента бяха открити 13 мутанта сред 13 000 мухи.

AT 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;

в) синтетични вещества, които не са срещани досега в природата (пестициди, инсектициди и др.);

г) някои метаболитичовешки и животински организми.

Химически мутагенипричиняват предимно генетичнимутации и действат по време на репликацията на ДНК.

Механизми на тяхното действие:

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

2) заместване 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, алкилираща ДНК(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);

в) мобилни генетични елементи.

Механизми на тяхното действие:

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

индуцирана мутагенеза, от края на 20-те години на ХХ век, се използват за отглеждане на нови щамове, породи и сортове. Най-голям успех е постигнат в селекцията на щамове бактерии и гъби - продуценти на антибиотици и други биологично активни вещества.

Да, успяхме да увеличим активността производители на антибиотици 10-20 пъти, което позволи значително да се увеличи производството на съответните антибиотици и рязко да се намали цената им. Дейността на лъчистата гъба - производител на витамин В12успя да се увеличи 6 пъти, а активността на бактерията – продуцент лизин аминокиселини- 300-400 пъти.

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

Авторът на "зелената революция" се смята за американски селекционер и генетик Н. Борлауга, който през 1944 г., на 30-годишна възраст, се установява и започва да работи в Мексико. За успеха си в отглеждането на високопродуктивни сортове растения през 1970 г. той е удостоен с Нобелова награда за мир.

11 . Генни мутации

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

Видове мутации:

1. Вмъкване (вмъкване)или загуба (изтриване)двойка или няколко двойки нуклеотиди, те водят до изместване на рамката. В зависимост от мястото на вмъкване или загуба на нуклеотиди се променя по-малък или по-голям брой кодони.

2. Преход- заместване на пуринови бази с пуринови бази или пиримидинови бази с пиримидинови бази, например: A "G, C" T.

3. трансверсия -заместване на пуринова база с пиримидинова база или пиримидинова база с пуринова основа. Например: A "C, G" T.

Промените в структурните гени водят до:

а) към миссенс мутации- промяна на значението на кодоните и образуването на други протеини;

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

Резултати от промени в регулаторните гени:

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

2. Репресорният протеин плътно се „закрепва“ за оператора и не се отстранява от индуктора (“ ключът не излиза от ключалката”) – структурните гени не работят постоянно 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, а при негово присъствие протеинът не се синтезира. Това се дължи на мутации в регулаторния ген или операторната последователност.

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

Какви мутации се наричат ​​спонтанни? Ако преведем термина на достъпен език, тогава това са естествени грешки, които възникват в процеса на взаимодействие на генетичния материал с вътрешната и / или външната среда. Такива мутации обикновено са случайни. Те се наблюдават в половите 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 елементите, открити в дебелината на земната кора и разтворени в атмосферата. Получената доза също зависи от това къде се намира лицето. Една четвърт от всички спонтанни мутации се случват точно поради този фактор.

Ултравиолетовото лъчение, противно на общоприетото схващане, играе второстепенна роля при възникването на разпадането 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 странични продукти от метаболизма, 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 до аденин-гуанин.
2. Грешки при възстановяване:
   - мутации в гените, отговорни за възстановяването на отделни участъци от веригата на ДНК след тяхното прекъсване под въздействието на външни фактори.
3. Проблеми с рекомбинацията:
   - неуспехи в процесите на пресичане по време на мейоза или митоза водят до загуба и завършване на базите.

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 сегменти, подобни по структура на гена, както и мобилни елементи на генома.

Мутационна патогенеза

Спонтанната мутация възниква в резултат на влиянието на всички горепосочени фактори, действащи заедно или поотделно в определен период от живота на клетката. Има такова явление като плъзгащо се нарушение на сдвояването на дъщерните и майчините ДНК вериги. В резултат на това често се образуват бримки от пептиди, които не са успели да се впишат в последователността адекватно. След отстраняването на излишните ДНК фрагменти от дъщерната верига, бримките могат както да бъдат резецирани (делеции), така и вградени (дупликации, инсерции). Получените промени се фиксират 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

Каква е най-честата проява на спонтанни 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 мутация на цитозинови остатъци. След дезаминиране метилцитозинът се превръща в тимин. Последващото копиране на този раздел повтаря грешката или я изтрива, или удвоява и мутира в нов фрагмент.

Друга причина за честите спонтанни мутации се счита за голям брой псевдогени. Поради това по време на мейозата могат да се образуват неравни хомоложни рекомбинации. Това води до пренареждане на гени, обръщане и удвояване 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. Така например беше установено, че аденинът най-често се вгражда срещу увредения триплет.

Тавтомерен модел на мутагенеза

Друга теория, обясняваща спонтанните и изкуствени мутации, е предложена от Уотсън и Крик (откривателите на структурата на ДНК). Те предполагат, че мутагенезата се основава на способността на някои ДНК бази да се превръщат в тавтомерни форми, които променят начина, по който базите са свързани.

След публикуването си хипотезата се развива активно. След облъчване с ултравиолетова светлина са открити нови форми на нуклеотиди. Това даде на учените нови възможности за изследвания. Съвременната наука все още обсъжда ролята на тавтомерните форми в спонтанната мутагенеза и нейния ефект 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 при синтеза на дъщерни ДНК молекули. Този модел позволи да се изследват закономерностите на появата на спонтанна мутагенеза. Учените обясниха откритието си с факта, че основната причина за промяната в структурата на ДНК е синтезът на неканонични двойки нуклеотиди.

Те предполагат, че заместването на основата се случва поради дезаминиране на ДНК региони. Това води до промяна на цитозина в 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 това кой критерий е в основата им. Съществува разделение според характера на промяната във функцията на гена:

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

Но класификация, която разделя всички мутации пропорционално на структурата, която се променя, е по-често срещана. Разпределете:

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 участъци от хромозоми. Има загуба на информация (изтриване), нейното удвояване (дупликация), промяна в посоката на нуклеотидните последователности (инверсия), както и прехвърляне на хромозомни участъци на друго място (транслокация).
3. Генна мутация. Най-честата мутация. Във веригата на ДНК се заменят няколко произволни азотни бази.

Последици от мутации

Спонтанните мутации са причина за тумори, дисфункции на органи и тъкани при 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 всички възможни 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 вече има други функции, произвежда токсични вещества и влияе негативно на общото състояние на организма.

Ако мутацията е настъпила не в соматичната, а в зародишната клетка, тогава промените ще се наблюдават в потомците. Те се проявяват чрез вродени патологии на органи, деформации, метаболитни нарушения и заболявания на натрупването.

Спонтанни мутации: значение

В някои случаи привидно безполезни мутации могат да бъдат полезни за адаптиране към нови условия на живот. Това представлява мутацията като мярка за естествен подбор. Животните, птиците и насекомите са камуфлирани според района на местоживеене, 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. При новите условия най-силните оцеляват и предават тази способност на другите.

Мутация може да възникне в неактивни области на генома и тогава не се наблюдават видими промени във фенотипа. Възможно е да се открие "счупване" само с помощта на специфични изследвания. Това е необходимо за изучаване 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 състои в това, че малко количество бактерии от същия вид се посяват в епруветки и след няколко инокулации към тях се добавят антибиотици. Някои от микроорганизмите 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 се състои в това, че микроорганизмите се прехвърлят в пухкава тъкан и след това се прехвърлят едновременно в няколко чисти среди. Новите колонии бяха култивирани и третирани с антибиотик. В резултат на това бактериите, разположени в едни и същи части на средата, оцеляха в различни епруветки.

Какви мутации се наричат ​​спонтанни? Ако преведем термина на достъпен език, тогава това са естествени грешки, които възникват в процеса на взаимодействие на генетичния материал с вътрешната и / или външната среда. Такива мутации обикновено са случайни. Те се наблюдават в половите 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 е естественият радиационен фон. Това число включва гама-лъчение от ядрото на Земята, слънчевия вятър, радиоактивността на елементите, които се срещат в дебелината на земната кора и са разтворени в атмосферата. Получената доза също зависи от това къде се намира лицето. Една четвърт от всички спонтанни мутации се случват точно поради този фактор.
Ултравиолетовото лъчение, противно на общоприетото схващане, играе незначителна роля при възникването на разпадането 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 за възникване на спонтанна мутация остават ендогенни фактори. Те включват странични продукти от метаболизма, 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 до аденин-гуанин.

Грешки при възстановяване:
- мутации в гените, отговорни за възстановяването на отделни участъци от веригата на ДНК след тяхното прекъсване под въздействието на външни фактори.

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

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 структурни фактори. Те включват повторения на нуклеотидната последователност в близост до мястото на пренареждане на веригата, наличието на допълнителни ДНК сегменти, подобни по структура на гена, както и мобилни елементи на генома.

Мутационна патогенеза

Спонтанната мутация възниква в резултат на влиянието на всички изброени по-горе фактори, действащи заедно или поотделно в определен период от живота на клетката. Има такова явление като плъзгащо се нарушение на сдвояването на дъщерните и майчините ДНК вериги. В резултат на това често се образуват бримки от пептиди, които не са успели да се впишат в последователността адекватно. След отстраняване на излишните ДНК фрагменти от дъщерната верига, бримките могат да бъдат както резецирани (делеции), така и вградени (дупликации, инсерции). Промените се появяват и се фиксират 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

Защо спонтанните мутации най-често се проявяват 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 мутация на цитозинови остатъци. След дезаминиране метилцитозинът се превръща в тимин. По-нататъшното копиране на този раздел повтаря грешката или я изтрива или удвоява и мутира в нов фрагмент. Друга причина за честите спонтанни мутации е големият брой псевдогени. Поради това по време на мейозата могат да се образуват неравномерни хомоложни рекомбинации. Последствията от това са пренареждания в гените, завои и удвояване на отделни нуклеотидни последователности.

Полимеразен модел на мутагенеза

Според този модел спонтанните мутации възникват в резултат на случайни грешки на 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. Така например беше установено, че аденинът най-често се вгражда срещу увредения триплет.

Тавтомерен модел на мутагенеза

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

Други модели

Спонтанна мутация е възможна, когато разпознаването на нуклеиновите киселини от ДНК полимеразите е нарушено. Полтаев и съавторите са изяснили механизма, който осигурява спазването на принципа на комплементарност при синтеза на дъщерни ДНК молекули. Този модел позволи да се изследват закономерностите в появата на спонтанна мутагенеза. Учените обясниха откритието си с факта, че основната причина за промяната в структурата на ДНК е синтезът на неканонични двойки нуклеотиди. Те предполагат, че заместването на основата става чрез дезаминиране на ДНК сегменти. Това води до промяна на цитозина в 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 това кой критерий е в основата им. Съществува разделение според характера на промяната във функцията на гена: - хипоморфни (мутиралите алели синтезират по-малко протеини, но са подобни на оригиналните);
- аморфен (генът напълно е загубил функциите си);
- антиморфен (мутирал ген напълно променя признака, който представлява);
- неоморфен (появяват се нови знаци). Но класификация, която разделя всички мутации пропорционално на променлива структура, е по-често срещана. Разпределете: 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 участъци от хромозоми. 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 Във веригата на ДНК се заменят няколко произволни азотни бази.

Последици от мутации

Спонтанните мутации са причина за тумори, болести на съхранение, дисфункции на органи и тъкани при 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 всички възможни 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 вече има други функции, произвежда токсични вещества и влияе негативно на общото състояние на организма. Ако мутацията е настъпила не в соматичната, а в зародишната клетка, тогава промените ще се наблюдават 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 представлява мутацията като мярка за естествен подбор. Животните, птиците и насекомите са камуфлирани според района на местоживеене, 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. При новите условия най-силните оцеляват и предават тази способност на другите. Мутация може да възникне в неактивни области на генома и тогава не се наблюдават видими промени във фенотипа. Възможно е да се идентифицира "счупване" само с помощта на специфични изследвания. Необходимо е да се проучи произхода и родствените видове животни и 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 се състои в това, че малко количество бактерии от същия вид се засяват в епруветки и след няколко инокулации към тях се добавят антибиотици. Някои от микроорганизмите 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 итерация включва прехвърляне на микроорганизми върху пухкава кърпа и след това прехвърлянето им в няколко чисти среди. Новите колонии бяха култивирани и третирани с антибиотик. В резултат на това бактериите, разположени в едни и същи части 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 долните гъби.

През 1927 г. G. Meller докладва за ефекта на рентгеновите лъчи върху мутационния процес при Drosophila. Някои съединения (йод, оцетна киселина, амоняк) са способни да индуцират рецесивни летали в L "хромозомата. През 1939 г. S.M. Gershenzon открива силен мутагенен ефект на екзогенна ДНК в Drosophila. Мощни химически мутагени са открити през 1946 г. от 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: основни аналози, включени директно в ДНК, агенти, модифициращи основата, като азотиста киселина или хидроксиламин, ДНК алкилиращи съединения (етил метансулфонат, метил метансулфонат и др.), съединения, които интеркалират между ДНК бази (акридини и техните производни) и др.

Наред с мутагените са открити антимутагени.

Способността да се променя скоростта на мутационния процес е послужила 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 в действителност те са предизвикани от естествен фон на радиоактивност. Оказа се обаче, че само около 0,1% от всички спонтанни мутации при дрозофила могат да бъдат обяснени по този начин. Не се потвърди и хипотезата за топлинното движение на атомите като основна причина за спонтанни мутации. 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 в работата на ензимите на матрицата за синтез на ДНК. Тази хипотеза вече е общоприета. Привлекателността на хипотезата се състои и в това, че тя ни позволява да разглеждаме предизвикания мутационен процес като резултат от намесата на външни фактори в нормалното възпроизвеждане на носителите на генетична информация, т.е. дава единно обяснение за причините за спонтанни и предизвикани 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 индуцирания и спонтанен мутационен процес.

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 анализа на радиационната мутагенеза във висшите организми, предимно в Drosophila. Мутацията се разглежда като резултат от мигновено пренареждане на атоми в сложна генна молекула. Причината за такова пренареждане се счита за пряко попадение в гена на квант или йонизираща частица (принципът на удряне) или случайни вибрации на атоми. Откриването на ефекта от последствията от йонизиращото лъчение по-късно показа, че мутациите възникват в резултат на процес, който продължава във времето, а не директно в момента, в който енергиен квант или йонизираща частица преминава през ген.