Спонтанный мутационный процесс и его причины. Сходство и различие спонтанных и индуцированных мутаций Спонтанный мутационный процесс и его причины
Мутационная изменчивость является результатом мутаций.
Мутация (от лат. “mutazio” - изменение, перемена) –наследственное изменение генотипа (это изменение наследственного материала, приводящее к появлению новых признаков организма, способных передаваться последующему поколению. Термин “мутация” ввел в науку в 1901 г. Голландский генетик Г. де Фриз, описавший самопроизвольные мутации у растений. Мутации - это стойкие изменения затрагивающие как целые хромосомы, их части, отдельные гены. Чаще всего, мутации это мелкие, едва заметные отклонения от нормы.
Дарвин назвал наследственную изменчивость неопределенной (индивидуальной), подчеркивая ее случайный и относительно редкий характер.
Мутации являются источником генетического разнообразия, составляя резерв наследственной изменчивости.
Классификация мутаций
1. По характеру проявления:
проявления бывают доминантными и рецессивными . Мутации нередко понижают жизнеспособность или плодовитость. Мутации, резко снижающие жизнеспособность, частично или полностью останавливающие развитие, называют полулетальными а несовместимые с жизнью - летальными.
2. По месту возникновения:
Мутация, возникшая в половых клетках, не влияет на признаки данного организма, а проявляется только в следующем поколении. Такие мутации называют генеративными. Если изменяются гены в соматических клетках, такие мутации проявляются у данного организма и не передаются потомству при половом размножении. Но при бесполом размножении, если организм развивается из клетки или группы клеток, имеющих изменившийся - мутировавший - ген, мутации могут передаваться потомству. Такие мутации называют соматическими.
3. По уровню возникновения:
Генные мутации – изменение строения одного гена. Это изменение в последовательности нуклеотидов: выпадение, вставка, замена и т.п. Например, замена А на Т. Причины – нарушения при удвоении (репликации) ДНК. Примеры: серповидноклеточная анемия, фенилкетонурия.
Хромосомные мутации – изменение строения хромосом: выпадение участка, удвоение участка, поворот участка на 180 градусов, перенос участка на другую (негомологичную) хромосому и т.п. Причины – нарушения при кроссинговере. Пример: синдром кошачьего крика.
Геномные мутации – изменение количества хромосом. Причины – нарушения при расхождении хромосом. В зависимости от характера изменения числа хромосом различают:
- Полиплоидия – кратные изменения (в несколько раз, например, 12 → 24). У животных не встречается, у растений приводит к увеличению размера.
- Анеуплоидия – изменения на одну-две хромосомы. Например, одна лишняя двадцать первая хромосома приводит к синдрому Дауна (при этом общее количество хромосом – 47).
В зависимости от характера изменения числа хромосом различают:
Спонтанные мутации - возникают при нормальных условиях жизни, зависят от внешних и внутренних факторов, возникают в соматических и генеративных клетках.
Индуцированные мутации - это искусственное получение мутаций с помощью мутагенов различной природы. Впервые способность ионизирующих излучений вызывать мутации была обнаружена Г.А. Надсоном и Г.С. Филлиповым. В 1927 году американским ученым Джозефом Мюллером было доказано, что частота мутаций увеличивается с увеличением дозы воздействия. Ученые полагают, что факт наследования мутаций вызывает определенные опасения, поскольку это может увеличить риск развития рака. Азиатов от алкоголизма защищает ген-мутант. Почему процент алкоголиков в азиатских странах значительно ниже, чем в странах, где основную часть населения составляет так называемое белое население.
Факторы среды, вызывающие появление мутаций называются– мутагенами .
Различают:
Физические мутагены
- ионизирующее и ультрафиолетовое излучение;
Чрезмерно высокая или низкая температура;
Химические мутагены
Нитраты, нитриты, пестициды, никотин, метанол, бензпирен.
Некоторые пищевые добавки, например, ароматические углеводороды;
Продукты переработки нефти;
Органические растворители;
Лекарственные препараты, препараты ртути, иммунодепрессанты.
Биологические мутагены
Некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа)
Продукты обмена веществ (продукты окисления липидов);
Свойства мутации:
- мутации наследственны, т.е. передаются из поколения в поколение.
- мутации возникают внезапно (спонтанно), ненаправленно.
- мутации не направлены – мутировать может любой локус, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков в любом направлении.
- одни и те же мутации могут возникать повторно.
- мутации индивидуальны, т.е. возникают у отдельных особей.
- мутации могут быть полезными,вредными, нейтральными; доминантными и рецессивными.
Значение мутаций
Служат резервом наследственной изменчивости (сохраняются в популяции в скрытом-рецессивном) виде, являются материалом для эволюции.
Причина многих наследственных заболеваний и уродств.
Индуцированные мутации “поставляют” материал для искусственного отбора и селекции.
МУТАГЕНЕЗ - процессы-реакции в генном аппарате биологического объекта, при которых происходят изменения в строении генов, передающиеся по наследству. Такие изменения могут затрагивать отдельные нуклеотиды или группы их, сопровождаясь в некоторых случаях изменениями в морфологии хромосом. Изменения уже одного нуклеотида, входящего в состав триплета, приводят к образованию иной аминокислоты, входящей в состав белка, и могут привести к изменению соответствующего признака.
Мутагенез можно условно делить на спонтанный , когда мутации возникают в "нормальных" условиях роста, и индуцированный вследствие применения физических или химических мутагенов.
Спонтанный мутагенез зависит от внешних и внутренних факторов (биологические, химические, физические). Спонтанные мутации возникают у человека в соматических и генеративных тканях. Метод определения спонтанных мутаций основан на том, что у детей появляется доминантный признак, хотя у его родителей он отсутствует. При спонтанном мутагенезе могут происходить все типы наследственных перемен, которые наблюдаются при индуцированном мутагенезе: замена пар аденин-тимин или чаще гуанин-цитозин, ошибочное спаривание двух пуринов или двух пиримидинов, делеции, включения и другие изменения. Каждый биологический объект характеризуется определенным фоном спонтанных мутаций, которые с разной частотой затрагивают те или иные генетические признаки.
Индуцированный мутагенез - это искусственное получение мутаций с помощью мутагенов различной природы. Впервые способность ионизирующих излучений вызывать мутации была обнаружена Г.А. Надсоном и Г.С. Филлиповым. Затем, проводя обширные исследования, была установлена радиобиологическая зависимость мутаций. В 1927 году американским ученым Джозефом Мюллером было доказано, что частота мутаций увеличивается с увеличением дозы воздействия. В конце сороковых годов открыли существование мощных химических мутагенов, которые вызывали серьезные повреждения ДНК человека для целого ряда вирусов. Одним из примеров воздействия мутагенов на человека может служить эндомитоз - удвоение хромосом с последующим делением центромер, но без расхождения хромосом.
Спонтанные мутации и их причины.
В любой популяции есть особи со спонтанными мутациями, т.е. которые возникли без явных причин. Любой ген с той или иной частотой спонтанно переходит в мутантное состояние. Пример: Частота локуса альбинизма у мышей 3*10 -5 . Причины индукции спонтанных мутаций не ясны:
1. Долго считали, что это фон естественного ионизирующего излучения. Расчеты для дрозофил, показали, что естественный радиационный фон ответственен за 0,1% спонтанных мутаций. Хотя по мере увеличения продолжительности жизни воздействие естественного фона накапливается. У человека от 0,1 до 4% спонтанных мутаций можно отнести к естественному фону радиации.
2. Еще одной причиной может служить случайное повреждение хромосом в ходе нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке.
Предполагают, что спонтанные мутации могут быть следствием случайных ошибок функционирования молекулярных механизмов.
3. Причиной спонтанных мутаций может служить перемещение мобильных элементов по геному, которые могут внедряться в любой ген, и вызывать мутацию. 80% спонтанных мутаций именно этой природы.
Способность давать мутации – мутабильность, сильно подвержена влиянию генотипа. Даже в пределах одного вида различающиеся в генетическом отношении линии могут обладать разной мутабильностью. Особенно это заметно, когда в линии есть ген – мутатор, который увеличивает частоту генных мутаций у несущих его особей.
Следует различать частоты:
1. популяционная , которая равна мутационной частоте, если мутант быстро погибает или бесплоден. В этой популяции обнаруживают мутации только de novo. Если мутанты оставляют потомство, популяционная частота = мутационная частота + сегреганты.
2. мутационная частота.
Индуцированные мутации - это процесс возникновения мутаций под направленным действием физических, химических или биологических факторов. Меллер изучал в 1927 г. влияние рентгеновских лучей на мутационные процессы у дрозофил. В 30-е годы был открыт химический мутагенез. Сахаров, Лобашов и Смирнов показали, что уксусная кислота, аммиак способны индуцировать рецессивные летали в хромосоме. Такие факторы получили название мутагены или мутагенные факторы.
1. физический мутагенез . Физические мутагены:
- ионизирующие излучения – волновые (рентген, космические лучи) и корпускулярные (β-частицы, протоны, нейтроны, α-частицы)
Проходя через живое вещество, γ и рентгеновские лучи вырывают электроны из внешней оболочки атома или молекулы. Поэтому заряженные частицы – электроны присоединяются к нейтрально заряженным частицам. В результате нейтральная молекула приобретает заряд, что ведет к дальнейшим превращениям веществ. В 30-е годы Тимофеев-Ресовский и Дельбрюк выдвинули теорию мишени. Согласно которой, вызываемые радиацией мутации обязаны единичным актам ионизации, которые повреждают чувствительность структур (мишень – ДНК). Следовательно, частота индуцируемых мутаций зависит от дозы радиации. При этом не имеет значение дана доза однократно или порциями, хотя эффект более выражен при однократном введении дозы.
Частота генных мутаций и мелких перестроек хромосом, вызываемых ионизирующим излучением прямо пропорциональна дозе излучения. Это описывается уравнением:
у – общая частота наблюдаемых мутаций,
k – частота спонтанных мутаций,
α – коэффициент пропорциональности – вероятность возникновения мутации у данного объекта в результате облучения дозой 1 рентген.
d – доза в рентгенах.
Так как k – мало, то им можно пренебречь:
То, что частота генных мутаций линейно зависит от дозы излучения, привело к предположению, что каждая мутация является результатом единичной мутации, это же относится и к мелким перестройкам. Объясняется это тем, что два разрыва, происходящие очень близко в хромосоме вызываются единичной ионизацией. Если это верно, то для крупных хромосомных перестроек следовало бы наблюдать другой зависимости от дозы излучения. Так как крупные хромосомные перестройки являются результатом двух и более далеко отстоящих друг от друга разрывов, поэтому частота этих перестроек должна быть равна квадрату дозы излучения. Иногда это верно, но больше частота индуцированных облучений крупных перестроек пропорциональна не квадрату дозы, а меньшей величине. Причины этого не ясны. Полагают, что это связано с особенностями механизмов соединения концов образовавшихся фрагментов. Или, возможно, сохраняются только те крупные абберации, которые не влияют на жизнеспособность клетки, либо незначительно ее снижают. Теория мишеней отражает важные стороны ионизирующего излучения. В дальнейшем было выяснено, что механизмы радиационного мутагенеза более сложны. Радиация играет основную роль в возникновении мутаций.
Существуют факты, доказывающие, что ионизирующее излучение может действовать на генетический аппарат косвенно. При прохождении ионизирующих частиц через цитоплазму, они образуют радикалы, способные реагировать с химическими компонентами хромосом. Большое значение играют свободные радикалы, которые образуются в результате радиолиза воды.
Н + ОН = Н 2 О
ОН + ОН = Н 2 О 2
Еще одним доказательством косвенного влияния были опыты, которые показали, что облучение жидкой питательной среды делает ее мутагенной для помещаемых в нее бактерий. Это действуют свободные радикалы перекиси. Если происходит в атмосфере богатой кислородом, то количество мутаций больше, чем в атмосфере бедной кислородом или в атмосфере инертного газа. Полагают, что в присутствии кислорода облучение увеличивает образование перекиси водорода. Увеличение частоты мутаций с увеличением дозы идет до известных определенных пределов, выше которых частота выявленных мутаций снижается. Это объясняется:
При очень высоких дозах поражение генов и хромосом доходит до того, что клетки нежизнеспособны.
Если повреждены половые клетки и способны участвовать в оплодотворении, то зигота погибает из-за грубых нарушений генетического аппарата – это доминантная летальность. Следовательно, вместе с организмом умирает мутация. Значит, снижается частота мутаций в обнаруживаемых потомках особей, которых облучали.
Ионизирующее излучение в большей степени увеличивает частоту перестроения хромосом, чем частоту генетических мутаций. не все повреждения генетического аппарата, вызванные облучением реализуются в виде мутаций. множество из них исправляются за счет репаративных ферментных систем. Явление репарации обнаружены при индукции крупных хромосомных перестроек при фракционированном излучении.
Мутационный эффект радиационного излучения определяется суммой долей излучения и не зависит от фракционирования. Это справедливо для мелких перестроек, но не для крупных перестроек, для которых необходимо 2 и более точек разрыва.
1. Если вся доза дается сразу, то в клетках одновременно присутствуют митотические концы разорвавшихся хромосом. Концы могут соединяться в любых сочетаниях – инверсии, транслокации и делеции.
2. Если доза дается в несколько приемов, то часть ранее возникших перестроек успевает восстановиться до воздействия новой порции.
В результате суммирования доз, а разбитая на фракции дает меньшие мутации. Такой же результат: если короткое высокоинтенсивное излучение заменить тождественной дозой растянутой во времени, но менее интенсивной.
- Сильное ионизирующее излучение (ультрафиолет) – большая длина волны и меньшая энергия.
УФ-лучи не ионизируют атомы, таким образом возбуждение их оболочки, следовательно, различные химические реакции в этих клетках и, => мутации.
Мутагенные свойства УФ-лучей зависят от длины волны. Наиболее мутагенные с длиной волны = 260 нм. И чем меньше длина волны, тем меньше мутагенные свойства. Это связано с тем, что ДНК поглощает УФ-лучи с длиной волны 260 нм. Проникающая способность УФ мала, => нет действия на половые клетки, и мутагенные свойства проявляются у низших организмов. У человека действует на кожу.
- Температура . Воздействует на тех, у кого температура тела зависит от окружающей среды. увеличение температура на каждые 10° увеличивает частоту мутаций в 3-5 раз. При этом возникает генные мутации. Перестройки хромосом могут быть таким образом при приближении к верхней границе переносимости.
2. химические мутагены:
2.1. алкилирующие соединения , т.е. высокоактивные вещества, переносящие алкильные группировки (свободные радикалы). Пример: диметилсульфат, иприт, диэтилсульфат (некоторые из них являются супермутагены).
2.2. вещества, близкие по химической структуре к АКО, которые входят в НК. Пример: 2-аминопурин, кофеин.
2.3. акридиновые красители. Пример: профлавин.
2.4. сборная веществ, мутагенные свойства которых изучены хорошо, но различны по структуре и молекулярному механизму действия. Пример: азотистая кислота, перекись водорода, уретан, формальдегид.
Особенности химического мутагенеза
1. нет прямой зависимости
2. обладают пороговым эффектом
3. специфичность эффектов в разных тканях
4. каждый химический мутаген имеет свой спектр мутации.
5. для химических мутагенов характерно возникновение хроматидных аббераций
6. для химического мутагенеза отмечается задержанный (продленный) эффект, т.е. не после воздействия, а спустя 2-3 клеточных поколений, причины этого неясны.
7. региональная специфичность. Гетерохроматин более подвержен воздействию, чем эухроматин.
8. совместный эффект нескольких действующих мутагенов не всегда носит аддитивный характер.
40. Числовые мутации: полиплоидии, анеуплоидии, их причины, механизмы формирования.
Изменение числа хромосом, когда в клетках присутствуют более двух гаплоидных наборов - это полиплоидия (1910 г. Стасбургер). Гаплоидным называется такой набор хромосом, в котором из каждой пары гомологов присутствует только одно хромосома. Геном – это гаплоидный набор. Причинами полиплоидии может быть:
1. репродукция хромосом в неделящейся клетке,
2. слияние соматических клеток или их ядер,
3. нарушение мейоза, которое приводит к образованию гамет с нередуцированным числом хромосом.
Полиплоиды, у которых несколько раз повторяется один и тот же набор хромосом называются аутополиплоиды , или автополиплоиды . Таким образом, в ходе эволюции образовались многие виды растений. Полиплоиды, возникшие у межвидовых гибридов и содержащие по этому несколько повторений двух разных наборов хромосом называются анеуплоиды . Изменение числа отдельных хромосом – анеуплоидия , причиной которой является нерасхождение отдельных хромосом в мейозе.
2n-1 – моносомия,
2n+1 – трисомия,
2n+2 – тетрасомия.
У растений такие варианты часто жизнеспособны. У животных жизнеспособными являются анеуплоиды по половым хромосомам. У человека жизнеспособными являются анеуплоиды по половой хромосоме, а также трисомии по 21, 13, 18 (с-м Эдвардса). По всем остальным хромосомам анеуплоидии летальны.
При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. В этом случае наблюдаются потеря (делеция) или удвоение части (дупликация) генетического материала одной или нескольких хромосом, изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах (инверсия), а также перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую (транслокация) (крайний случай - объединение целых хромосом, т. н. Робертсоновская транслокация, которая является переходным вариантом от хромосомной мутации к геномной).
Числовые мутации кариотипа подразделяются на гетероплоидию, анеуплоидию, полиплоидию.
Гетероплоидия обозначает общее изменение числа хромосом по отношению к диплоидному полному набору.
Об анеуплоидии говорят в тех случаях, когда число хромосом в клетке увеличено на одну (трисомия) или более (полисомия) или уменьшено на одну (моносомия). Употребляют также термины «гиперплоидия» и «гипоплоидия». Первый из них означает увеличенное число хромосом в клетке, а второй – уменьшенное.
Полиплоидией называют увеличение числа полных хромосомных наборов в четное или нечетное число раз. Полиплоидные клетки могут быть триплоидными, тетраплоидными, пентаплоидными, гексаплоидными и т.д.
29. Спонтанные и индуцированные мутации. Мутагены. Мутагенез и канцерогенез. Генетическая опасность загрязнения окружающей среды. Меры защиты.
Спонтанные мутации.
Мутации, помимо качественных свойств, характеризует и способ
возникновения. Спонтанные (случайные) – мутации, возникающие при нормальных
условиях жизни. Спонтанный процесс зависит от внешних и внутренних факторов
(биологические, химические, физические). Спонтанные мутации возникают у
человека в соматических и генеративных тканях. Метод определения спонтанных
мутаций основан на том, что у детей появляется доминантный признак, хотя у
его родителей он отсутствует. Проведенное в Дании исследование показали,
что примерно одна из 24000 гамет несет в себе доминантную мутацию. Ученый
же Холдейн рассчитал среднюю вероятность появления спонтанных мутаций,
которая оказалась равна 5*10-5 за поколение. Другой ученый Курт Браун
предложил прямой метод оценки таких мутаций, а именно: число мутаций
разделить на удвоенное количество обследованных индивидов.
Индуцированные мутации.
Индуцированный мутагенез – это искусственное получение мутаций с
помощью мутагенов различной природы. Впервые способность ионизирующих
излучений вызывать мутации была обнаружена Г.А. Надсоном и Г.С. Филлиповым.
Затем, проводя обширные исследования, была установлена радиобиологическая
зависимость мутаций. В 1927 году американским ученым Джозефом Мюллером было
доказано, что частота мутаций увеличивается с увеличением дозы воздействия.
В конце сороковых годов открыли существование мощных химических мутагенов,
которые вызывали серьезные повреждения ДНК человека для целого ряда
вирусов. Одним из примеров воздействия мутагенов на человека может служить
эндомитоз – удвоение хромосом с последующим делением центромер, но без
расхождения хромосом.
Мутагены - химические и физические факторы, вызывающие наследственные изменения - мутации. Впервые искусственные мутации получены в 1925 году Г. А. Надсеном и Г. С. Филипповым у дрожжей действием радиоактивного излучения радия; в 1927 году Г. Мёллер получил мутации у дрозофилы действием рентгеновских лучей. Способность химических веществ вызывать мутации (действием иода на дрозофилы) открыта И. А. Рапопортом. У особей мух, развившихся из этих личинок, частота мутаций оказалась в несколько раз выше, чем у контрольных насекомых.
Мутагенами могут быть различные факторы, вызывающие изменения в структуре генов, структуре и количестве хромосом. По происхождению мутагены классифицируют на эндогенные, образующиеся в процессе жизнедеятельности организма и экзогенные - все прочие факторы, в том числе и условия окружающей среды.
По природе возникновения мутагены классифицируют на физические, химические и биологические:
Физические мутагены.
Ионизирующее излучение;
Радиоактивный распад;
Ультрафиолетовое излучение;
Моделированное радиоизлучение и электромагнитные поля;
Чрезмерно высокая или низкая температура.
Химические мутагены.
Окислители и восстановители (нитраты, нитриты, активные формы кислорода);
Алкилирующие агенты (например, иодацетамид);
Пестициды (например гербициды, фунгициды);
Некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды, цикламаты);
Продукты переработки нефти;
Органические растворители;
Лекарственные препараты (например, цитостатики, препараты ртути, иммунодепрессанты).
К химическим мутагенам условно можно отнести и ряд вирусов (мутагенным фактором вирусов являются их нуклеиновые кислоты - ДНК или РНК).
Биологические мутагены.
Специфические последовательности ДНК - транспозоны;
Некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа);
Продукты обмена веществ (продукты окисления липидов);
Антигены некоторых микроорганизмов.
Канцерогенез- сложный патофизиологический процесс зарождения и развития опухоли. Изучение процесса канцерогенеза является ключевым моментом как для понимания природы опухолей, так и для поиска новых и эффективных методов лечения онкологических заболеваний. Канцерогенез - сложный многоэтапный процесс, ведущий к глубокой опухолевой реорганизации нормальных клеток организма. Из всех предложенных до ныне теорий канцерогенеза, мутационная теория заслуживает наибольшего внимания. Согласно этой теории, опухоли являются генетическими заболеваниями, патогенетическим субстратом которых является повреждение генетического материала клетки (точечные мутации, хромосомные аберрации и т. п.). Повреждение специфических участков ДНК приводит к нарушению механизмов контроля за пролиферацией и дифференцировкой клеток и в конце концов к возникновению опухоли. Генетический аппарат клеток обладает сложной системой контроля деления, роста и дифференцировки клеток. Изучены две регулирующие системы оказывающие кардинальное влияние на процесс клеточной пролиферации. Протоонкогены- это группа нормальных генов клетки, оказывающих стимулирующее влияние на процессы клеточного деления, посредством специфических продуктов их экспрессии. Превращение протоонкогена в онкоген (ген, определяющий опухолевые свойства клеток) является одним из механизмов возникновения опухолевых клеток. Это может произойти в результате мутации протоонкогена с изменением структуры специфического продукта экспрессии гена, либо же повышением уровня экспрессии протоонкогена при мутации его регулирующей последовательности (точечная мутация) или при переносе гена в активно транскрибируемую область хромосомы (хромосомные аберрации). На данный момент изучена канцерогенная активность протоонкогенов группы ras (HRAS, KRAS2). При различных онкологических заболеваниях регистрируется значительное повышение активности этих генов (рак поджелудочной железы, рак мочевого пузыря и т. д.). Также раскрыт патогенез лимфомы Беркитта, при которой активация протоонкогена MYC происходит в случае его переноса в область хромосом, где содержатся активно транскрибируемые гены иммуноглобулинов.
Функции генов-супрессоров противоположны функциям протоонкогенов. Гены-супрессоры оказывают тормозящее влияние на процессы клеточного деления и выхода из дифференцировки. Доказано, что в ряде случаев инактивация генов-супрессоров с исчезновением их антагонистического влияния по отношению к протоонкогенам ведет к развитию некоторых онкологических заболеваний. Так, потеря участка хромосомы, содержащего гены-супрессоры, ведет к развитию таких заболеваний, как ретинобластома, опухоль Вильмса и др.
Таким образом, система протоонкогенов и генов-супрессоров формирует сложный механизм контроля темпов клеточного деления, роста и дифференцировки. Нарушения этого механизма возможны как под влиянием факторов внешней среды, так и в связи с геномной нестабильностью - теория, предложенная Кристофом Лингауром и Бертом Фогельштейном. Питер Дюсберг из Калифорнийского университета в Беркли утверждает, что причиной опухолевой трансформации клетки может быть анеуплоидия (изменение числа хромосом или потеря их участков), являющаяся фактором повышенной нестабильности генома. По мнению некоторых ученых, ещё одной причиной возникновения опухолей мог бы быть врождённый или приобретённый дефект систем репарации клеточной ДНК. В здоровых клетках процесс репликации (удвоения) ДНК протекает с большой точностью благодаря функционированию специальной системы исправления пострепликационных ошибок. В геноме человека изучено, по крайней мере, 6 генов, участвующих в репарации ДНК. Повреждение этих генов влечёт за собой нарушение функции всей системы репарации, и, следовательно, значительное увеличение уровня пострепликационных ошибок, то есть мутаций.
Мутационная теория канцерогенеза - учение, согласно которому причиной возникновения злокачественных опухолей являются мутационные изменения генома клетки. В настоящее время эта теория является общепринятой. В подавляющем большинстве случаев злокачественные новообразования развиваются из одной опухолевой клетки, то есть имеют моноклональное происхождение. Согласно современным представлениям, мутации, которые в конце концов приводят к развитию опухоли, могут иметь место как в половых (около 5 % всех случаев), так и в соматических клетках.
Успехи современной генетики позволяют подойти к изучению состояния окружающей среды с позиций охраны наследственности, генофонда биосферы. Такому подходу уделяется специальное внимание в Программе ООН по окружающей среде (ЮНЕП), в деятельности Всемирной организации здравоохранения <ВОЗ) и ЮНЕСКО (в программе МАБ «Человек и биосфера», проект 12). По инициативе советских ученых было начато создание центра по генетическому мониторингу, в задачу которого входит и разработка доступных методов для оценки степени воздействия загрязнения окружающей среды на экосистемы и здоровье человека.
Между тем изменения в биосфере, преобразуемой человеком, порождают влияющие на ход генетических процессов неконтролируемые факторы. В числе их и мутационные эффекты, вызываемые загрязнением окружающей среды, приобретающим ныне все большие масштабы.
Основная опасность загрязнения окружающей среды мутагенами, как полагают генетики, заключается в том, что вновь возникающие мутации, не «переработанные» эволюционно, отрицательно повлияют на жизнеспособность любых организмов. И если поражение зародышевых клеток может привести к росту числа носителей мутантных генов и хромосом, то при повреждении генов соматических клеток возможно возрастание числа раковых заболеваний. Более того, существует глубокая связь различных на первый взгляд биологических эффектов.
В частности, мутагены окружающей среды влияют на величины рекомбинаций наследственных молекул, являющихся также источником наследственных изменений. Возможно и влияние на функционирование генов, что может быть причиной, например, тератологических отклонений (уродств), наконец, вероятны поражения ферментных систем, что изменяет различные физиологические особенности организма, вплоть до деятельности нервной системы, а следовательно, сказывается и на психике. Генетическая адаптация популяций человека к возрастающему загрязнению биосферы мутагенными факторами принципиально невозможна. Чтобы исключить или ослабить воздействие мутагенов, прежде всего необходимо оценить мутагенность различных загрязнений на высокочувствительных биологических тест-системах, в том числе и тех, которые могут поступить в биосферу, и если риск для человека доказан, то принимать меры для борьбы с ними.
Так возникает задача скрининга - просеивания загрязнений с целью выявления мутагенов и выработки специального законодательства для регулирования их поступления в окружающую среду. И таким образом, контроль генетических последствий загрязнения в комплексе содержит в себе две задачи: испытание на мутагенность факторов среды различной природы (скрининг) и мониторинг популяций. Применяется и цитогенетическая методика тестирования на культуре ткани растений, животных, лимфоцитах человека. Также и тест с использованием метода доминантных леталей (выявление мутаций, которые вызывают гибель эмбрионов на самых ранних стадиях развития) на млекопитающих, в особенности на мьи. ах. Наконец, используется и прямое тестирование мутаций в клетках млекопитающих и человека как в культуре ткани, так и in vivo.
К абиотическим факторам любой экосистемы относятся ионизирующее излучение и загрязняющие вещества. Токсичность и мутагенность среды - это два взаимосвязанных понятия. Одни и те же факторы среды могут оказывать и токсичное, и мутагенное действие. Токсичное действие проявляется вскоре после контакта с фактором, не более чем через месяц. Оно может выражаться в виде аллергии, ослабления иммунной системы, отравления, развития неврозов, возникновения неизвестных ранее патологий.
Гораздо чаще токсичность среды проявляется в виде устойчивых отклонений от нормального физиологического состояния организма у большого количества людей, которые заняты на вредном производстве или живут в прилегающих к предприятию районах.
Загрязняющие вещества чаще всего - это отходы производства и автомобильного транспорта: сернистый ангидрид, оксиды азота и углерода, углеводороды, соединения меди, цинка, ртути, свинца.
Загрязняющими веществами также могут быть химические соединения, созданные человеком, например пестициды, используемые для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур.
Мутагенность окружающей среды никогда не проявляется сразу после контакта с фактором. Опасность мутагенов для человека состоит в том, что их многократное и длительное контактное действие приводит к возникновению мутаций - стойких изменений в генетическом материале. С накоплением мутаций клетка приобретает способность к бесконечному делению и может стать основой развития онкологического заболевания (раковой опухоли).
Возникновение мутаций - процесс длительный и сложный, поскольку в клетках имеется надежная защитная система, которая противостоит мутационному процессу.
Развитие мутации зависит от дозы мутагена и длительности его действия, а также от того, насколько часто мутаген действует на организм, т.е. от ритма его действия. Процесс развития мутаций может быть растянут на годы.
На первом месте среди воздействий, вызывающих глубокие изменения генетического аппарата, стоит радиация. Наглядный пример мутагенного действия окружающей среды - развитие прогрессирующей лучевой болезни, которая заканчивается смертельным исходом у людей, получивших высокую дозу радиации. Такие случаи встречаются редко. Обычно они обусловлены аварийными ситуациями, нарушением технологических процессов.
Радиационный распад, или явление радиоактивности, связан со способностью атомов отдельных химических элементов испускать частицы, несущие энергию. Основной характеристикой излучения, определяющей степень его воздействия на организм, является доза. Доза - это количество переданной организму энергии. Однако, при одинаковой поглощенной дозе, разные типы излучения могут иметь разный биологический эффект.
Под действием радиоактивного излучения в клетках происходит ионизация атомов и молекул, в том числе и молекул воды, что вызывает цепь каталитических реакций, приводящих к функциональным изменениям клеток. Наиболее радиочувствительны клетки постоянно обновляющихся органов и тканей: костного мозга, половых желез, селезенки. Изменения касаются механизмов деления, наследственного материала в составе хроматина и хромосом, регуляции процессов обновления и специализации клеток.
Радиация как мутагенный фактор вызывает повреждение генетического аппарата клеток: молекул ДНК, изменение кариотипа в целом. Мутации в соматических клетках облученного человека приводят к развитию лейкозов или других опухолей разных органов. Мутации в половых клетках проявляются в последующих поколениях: у детей и более отдаленных потомков человека, подвергшегося облучению. Генетические дефекты мало зависят от дозы и кратности облучения. Даже сверхмалые дозы радиации могут стимулировать мутации, иначе говоря, пороговая доза радиации отсутствует.
Опасность радиационного облучения связана с тем, что органы чувств человека не могут улавливать ни один из видов излучения. Установить факт радиоактивного заражения местности можно только приборами.
Радиационную опасность представляют старые захоронения, относящиеся к тому времени, когда радиационным проблемам еще не уделяли должного внимания. Опасные ситуации могут возникать при утилизации отработанного ядерного топлива от АЭС и атомных подводных лодок, при захоронении радиоактивных отходов, которые образовались после уничтожения ядерного оружия. Кроме того, радиоактивные отходы имеют множество промышленных предприятий, научных и медицинских учреждений
Радиация, связанная с развитием ядерной энергетики, составляет лишь малую долю, порождаемую деятельностью человека. Применение рентгеновских лучей в медицине, сжигание угля, длительное пребывание в хорошо герметизированных помещениях могут привести к значительному увеличению уровня облучения.
Избежать облучения ионизирующим излучением невозможно. Жизнь на Земле возникла и продолжает развиваться в условиях постоянного естественного облучения. Помимо техногенных радионуклидов свой вклад в радиационный фон Земли вносят космическое излучение и излучение от рассеянных в земной коре, воздухе и других объектах природных радиоактивных компонентов.
Мутагенными свойствами обладают не только различного типа излучения, но и многие химические соединения: естественные неорганические вещества (окислы азота, нитраты, соединения свинца), переработанные природные соединения (продукты сжигания угля, нефти, древесины, соединения тяжелых металлов), химические продукты, не встречающиеся в природе (пестициды, некоторые пищевые добавки, промышленные отходы, часть синтетических соединений).
Выраженным мутагенным действием в атмосфере городов обладают оксиды азота (III) и (V), которые при взаимодействии с атмосферной влагой образуют азотистую и азотную кислоты, а также выбросы дизельных двигателей; бензопирен, пыль асбеста, диоксины, - образующиеся при неконтролируемом сжигании твердых бытовых и промышленных отходов.
В составе гидросферы наиболее выраженным мутагенным действием обладают соли тяжелых металлов (никель, марганец) и пестициды.
В почве к числу химических мутагенов относятся соли тяжелых металлов и ме-таллорганических соединений, которыми почва загрязнена вдоль автомагистралей и в районах свалок мусора. Например, свинец - один из максимально опасных загрязнителей почв среди металлов. Он может накапливаться в организме человека, вызывая хронические отравления, проявляющиеся в истощении организма, нарушении работы почек, мышечной слабости, тяжелых расстройствах нервной и кровеносной систем. Употребление в пищу растений, грибов и ягод, собранных вблизи автомагистралей, может привести к пищевому отравлению свинцом, а через несколько лет эффект может проявиться в виде мутации.
В отличие от радиоактивного излучения химические мутагены оказывают действие только при непосредственном контакте с клетками организма. Они могут попасть на кожу, слизистые оболочки дыхательных путей, с продуктами питания оказываться в пищеварительной системе, а затем с питательными веществами перейти в кровь.
Организма.
Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома , возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды .
Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке. Основные процессы, приводящие к возникновению мутаций - репликация ДНК , нарушения репарации ДНК , транскрипции и генетическая рекомбинация .
Связь мутаций с репликацией ДНК [ | ]
Многие спонтанные химические изменения нуклеотидов приводят к мутациям, которые возникают при репликации . Например, из-за дезаминирования цитозина напротив гуанина в цепь ДНК может включаться урацил (образуется пара У-Г вместо канонической пары Ц-Г). При репликации ДНК, напротив урацила в новую цепь включается аденин , образуется пара У-А, а при следующей репликации она заменяется на пару Т-А, то есть происходит транзиция (точечная замена пиримидина на другой пиримидин или пурина на другой пурин).
Связь мутаций с рекомбинацией ДНК [ | ]
Из процессов, связанных с рекомбинацией, наиболее часто приводит к мутациям неравный кроссинговер . Он происходит обычно в тех случаях, когда в хромосоме имеется несколько дуплицированных копий исходного гена, сохранивших похожую последовательность нуклеотидов. В результате неравного кроссинговера в одной из рекомбинантных хромосом происходит дупликация , а в другой - делеция .
Связь мутаций с репарацией ДНК [ | ]
Таутомерная модель мутагенеза [ | ]
Предполагается, что одной из причин образования мутаций замены основания является дезаминирование 5-метилцитозина , что может вызывать транзиции от цитозина к тимину. Из-за дезаминирования цитозина напротив него в цепь ДНК может включаться урацил (образуется пара У-Г вместо канонической пары Ц-Г). При репликации ДНК напротив урацила в новую цепь включается аденин, образуется пара У-А, а при следующей репликации она заменяется на пару Т-А, то есть происходит транзиция (точечная замена пиримидина на другой пиримидин или пурина на другой пурин).
Классификации мутаций [ | ]
Существует несколько классификаций мутаций по различным критериям. Мёллер предложил делить мутации по характеру изменения функционирования гена на гипоморфные (измененные аллели действуют в том же направлении, что и аллели дикого типа; синтезируется лишь меньше белкового продукта), аморфные (мутация выглядит, как полная потеря функции гена, например, мутация white у Drosophila), антиморфные (мутантный признак изменяется, например, окраска зерна кукурузы меняется с пурпурной на бурую) и неоморфные .
В современной учебной литературе используется и более формальная классификация, основанная на характере изменения структуры отдельных генов, хромосом и генома в целом. В рамках этой классификации различают следующие виды мутаций:
- геномные ;
- хромосомные ;
- генные .
Точечная мутация, или единственная замена оснований, - тип мутации в ДНК или РНК, для которой характерна замена одного азотистого основания другим. Термин также применяется и в отношении парных замен нуклеотидов. Термин точечная мутация включает так же инсерции и делеции одного или нескольких нуклеотидов. Выделяют несколько типов точечных мутаций.
Встречаются также сложные мутации. Это такие изменения ДНК, когда один её участок заменяется участком другой длины и другого нуклеотидного состава .
Точечные мутации могут появляться напротив таких повреждений молекулы ДНК, которые способны останавливать синтез ДНК. Например, напротив циклобутановых пиримидиновых димеров. Такие мутации называются мишенными мутациями (от слова «мишень») . Циклобутановые пиримидиновые димеры вызывают как мишенные мутации замены оснований , так и мишенные мутации сдвига рамки .
Иногда точечные мутации образуются на, так называемых, неповрежденных участках ДНК, часто в небольшой окрестности от фотодимеров. Такие мутации называются немишенными мутациями замены оснований или немишенными мутациями сдвига рамки .
Точечные мутации образуются не всегда сразу же после воздействия мутагена. Иногда они появляются после десятков циклов репликаций. Это явление носит название задерживающихся мутаций . При нестабильности генома, главной причине образования злокачественных опухолей, резко возрастает количество немишенных и задерживающихся мутаций .
Возможны четыре генетических последствия точковых мутаций: 1) сохранение смысла она из-за вырожденности генетического а (синонимическая замена нуклеотида), 2) изменение смысла она, приводящее к замене аминокислоты в соответствующем месте полипептидной цепи (миссенс-мутация), 3) образование бессмысленного она с преждевременной терминацией (нонсенс-мутация). В генетическом е имеются три бессмысленных она: амбер - UAG, охр - UAA и опал - UGA (в соответствии с этим получают название и мутации, приводящие к образованию бессмысленных триплетов - например амбер-мутация), 4) обратная замена (стоп-она на смысловой он).
По влиянию на экспрессию генов мутации разделяют на две категории: мутации типа замен пар оснований и типа сдвига рамки считывания (frameshift) . Последние представляют собой делеции или вставки нуклеотидов, число которых не кратно трём, что связано с триплетностью генетического а.
Первичную мутацию иногда называют прямой мутацией , а мутацию, восстанавливающую исходную структуру гена, - обратной мутацией , или реверсией. Возврат к исходному фенотипу у мутантного организма вследствие восстановления функции мутантного гена нередко происходит не за счет истинной реверсии, а вследствие мутации в другой части того же самого гена или даже другого неаллельного гена. В этом случае возвратную мутацию называют супрессорной. Генетические механизмы, благодаря которым происходит супрессия мутантного фенотипа, весьма разнообразны.
Почковые мутации (спорты) - стойкие соматические мутации, происходящие в клетках точек роста растений. Приводят к клоновой изменчивости . При вегетативном размножении сохраняются. Многие сорта культурных растений являются почковыми мутантами .
Последствия мутаций для клетки и организма [ | ]
Мутации, которые ухудшают деятельность клетки в многоклеточном организме, часто приводят к уничтожению клетки (в частности, к программируемой смерти клетки, - апоптозу). Если внутри- и внеклеточные защитные механизмы не распознали мутацию, и клетка прошла деление, то мутантный ген передастся всем потомкам клетки и, чаще всего, приводит к тому, что все эти клетки начинают функционировать иначе.
Кроме того, закономерно различается частота мутирования разных генов и разных участков внутри одного гена. Также известно, что высшие организмы используют «целенаправленные» (то есть происходящие в определённых участках ДНК) мутации в механизмах иммунитета [ ] . С их помощью создаётся разнообразие клонов лимфоцитов , среди которых в результате всегда находятся клетки, способные дать иммунный ответ на новую, неизвестную для организма болезнь. Подходящие лимфоциты подвергаются положительной
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 .