УСР №9 Ненаследственная изменчивость

УСР №9 Спонтанный и индуцированный мутагенез

Голуб Сергей

гр. 23БХ-1

Мутаген – соединение химической, биологической или физической природы, способное прямо или косвенно повреждать наследственные структуры клетки.

Мутация – в широком смысле слова внезапно возникающее наследуемое изменение. Другими словами, мутация – любое структурное или композиционное изменение в ДНК организма (в последовательности нуклеотидов, хромосом, генома), произошедшее спонтанно или индуцированное мутагенами.

По происхождению мутагены можно разделить на экзогенные (многие факторы внешней среды) и эндогенные (образуются в процессе жизнедеятельности организма).

Индуцированные мутации – это мутации, вызванные направленным воздействием факторов внешней или внутренней среды. Индуцированный мутационный процесс может быть контролируемым (например, в эксперименте с целью изучения механизмов действия и/или их последствий) и неконтролируемым (например, в результате облучения при выбросе радиоактивных элементов в среду обитания).

Спонтанные мутации возникают самопроизвольно, в ходе естественного метаболизма клеток и организма без видимого дополнительного воздействия на организм внешних факторов. Спонтанные мутации могут возникать, например, в результате действия химических соединений, образующихся в процессе метаболизма, воздействия естественного фона радиации или УФ-излучения, ошибок репликации и т.д.

Спонтанные мутации будут возникать даже в том случае, если удастся исключить влияние факторов внешней среды.

Существуют две основные гипотезы, объясняющие происхождение спонтанных мутаций. Первая утверждает, что в системе генотипа, как и во всякой системе, заложена возможность ошибки. Вторая гипотеза объясняет возникновение спонтанных мутаций как стремление популяции к высокой степени генетической изменчивости, и как следствие этого разнообразия.

Генные мутации – нарушения последовательности нуклеотидов. Генные (точковые) мутации затрагивают, как правило, один или несколько нуклеотидов, при этом один нуклеотид может превратиться в другой, может выпасть (делеция), продублироваться, а группа нуклеотидов может развернутся на 180 градусов. Например, широко известен ген человека, ответственный за серповидно-клеточную анемию, который может привести к летальному исходу. Соответствующий нормальный ген кодирует одну из полипептидныз цепей гемоглобина. У мутантного гена нарушен всего один нуклеотид (ГАА на ГУА). В результате в цепи гемоглобина одна аминокислота заменена на другую (вместо глутамина - валин). Казалось бы, ничтожное изменение, но оно влечет за собой роковые последствия: эритроцит деформируется, приобретая серповидно-клеточную форму, и уже не способен транспортировать кислород, что и приводит к гибели организма. Генные мутации приводят к изменению аминокислотной последовательности белка. Наиболее вероятное мутация генов происходит при спаривание тесно связанных организмов, которые унаследовали мутантный ген у общего предка. По этой причине вероятность возникновения мутации повышается у детей, чьи родители являются родственниками. Генные мутации приводят к таким заболеваниям, как амавротическая идиотия, альбинизм, дальтонизм и др.

Интересно, что значимость нуклеотидных мутаций внутри кодона неравнозначна: замена первого и второго нуклеотида всегда приводит к изменению аминокислоты, третий же обычно не приводит к замене белка. К примеру, молчащая мутация – изменение нуклеотидной последовательности, которая приводит к образованию схожего кодона, в результате аминокилотная последовательность белка не меняется.

По характеру изменений в составе гена различают следующие типы мутаций:

Делеции – утрата сегмента ДНК размером от одного нуклеотида до гена.

Дупликации – удвоение или повторное дублирование сегмента ДНК от одного нуклеотида до целых генов.

Инверсии – поворот на 180 градусов сегмента ДНК размером от двух нуклеотидов до фрагмента, включающего несколько генов.

Инсерции – вставка фрагментов ДНК размером от одного нуклеотида до целого гена.

Трансверсии – замена пуринового основания на пиримидиновое или наоборот в одном из кодонов.

Транзиции – замена одного пуринового основания на другое пуриновое или одного пиримидинового на другое в структуре кодона.

Точковые мутации можно разделить на несколько типов в зависимости от характера молекулярного изменения в гене:

1. Missense-мутация. К этому типу принадлежит мутация, описанная в предыдущем разделе. В одном из триплетов происходит замена одного основания (например, ЦТТ→ГТТ), в результате чего измененный триплет кодирует аминокислоту, отличную от той, которую кодировал прежний триплет.

2. Мутация со сдвигом рамки. Если в последовательность ДНК включается новое основание или пара оснований, то все лежащие за ними триплеты изменяются, что влечет за собой изменение синтезируемого полипептида. Возьмем, например, последовательность АТТ–ТАГ–ЦГА, перед которой включилось основание Т. В результате получится новая последовательность ТАТ–ТТА–ГЦГ–А. К такому же результату приведёт утрата одного из имеющихся оснований.

3. Nonsense-мутация. В результате замены одного основания возникает новый триплет, представляющий собой терминирующий кодон. В генетическом коде имеется три таких триплета. При такой замене синтез полипептидной цепи прекращается в новой (т. е. другой) точке, и соответственно эта цепь отличается своим свойствам от полипептида, который синтез прежде.

4. Синонимическая missence-мутация. Генетический код обладает значительной избыточностью: два или несколько его триплетов кодируют одну и ту же аминокислоту. Поэтому можно ожидать, что в некоторых случаях при замене оснований один триплет заменяется другим – синонимическим, кодирующим ту же аминокислоту. В этом случае, вследствие избыточности кода мы имеем дело с молекулярным изменением в пределах данного гена, которое не вызывает фенотипического эффекта. Такие синонимические мутации, вероятно, довольно обычны.

Пострепликативная SOS-репарация активируется в клетках при массивных повреждениях ДНК, например, после воздействия ультрафиолетового (УФ) излучения, которое вызывает образование тиминовых димеров - ковалентных сшивок между соседними остатками тимина в одной цепи ДНК Эти димеры искажают структуру ДНК и блокируют движение репликационной ДНК-полимеразы, что приводит к образованию разрывов или "брешей" в дочерней цепи напротив повреждений

- SOS-система запускается при накоплении одноцепочечных участков ДНК, которые активируют белок RecA.

- Активированный RecA стимулирует автокаталитическое расщепление репрессора LexA, что приводит к экспрессии генов SOS-ответа, включая гены, кодирующие специализированные ДНК-полимеразы с пониженной точностью (например, UmuC и UmuD в E. Coli)

Механизм образования мутаций

1. Обход тиминовых димеров и синтез de novo

- При репликации ДНК-полимераза останавливается перед тиминовым димером.

- Для продолжения репликации используются специальные низкоточные ДНК-полимеразы (например, Pol V), которые способны синтезировать ДНК через поврежденный участок (транслязионный синтез).

- Эти полимеразы часто встраивают ошибочные нуклеотиды напротив димера, поскольку не могут корректно распознать поврежденные основания.

2. Влияние таутомерных форм

- При образовании тиминовых димеров возможно появление оснований в редких таутомерных формах, что изменяет их способность к спариванию и способствует ошибкам при синтезе новой цепи.

- В результате напротив тиминового димера может быть вставлен не комплементарный, а ошибочный нуклеотид.

3. Типы мутаций

- В зависимости от структуры димера и таутомерного состояния оснований могут возникать:

- Транзиции - замена пурина на пурин или пиримидина на пиримидин (например, А↔Г или Т↔Ц).

- Трансверсии - замена пурина на пиримидин или наоборот (например, А↔Т или Г↔Ц)

- Это связано с тем, что при обходе димера и синтезе de novo ДНК-полимераза может ошибочно вставить любой из четырех нуклеотидов, если поврежденное основание не может обеспечить правильное спаривание.

4. Роль рекомбинации

- В некоторых случаях пробелы, образующиеся напротив димеров, могут быть заполнены за счет рекомбинации с интактной сестринской хроматидой, что иногда позволяет избежать мутаций, но чаще приводит к ошибкам, если репарация идет по SOS-пути.

SOS-репарация - это вынужденный, аварийный механизм, который спасает клетку от гибели, но ценой увеличения частоты мутаций. Наиболее частые мутации - замены оснований (транзиции и трансверсии) напротив мест, где в материнской цепи находились тиминовые димеры. Ключевым фактором мутагенеза является низкая точность специализированных ДНК-полимераз и невозможность корректного спаривания поврежденных оснований.

Причины генных мутаций

В наше время ученые обнаружили главные факторы, приводящие к мутациям – мутагены

МУТАГЕННЫЕ ФАКТОРЫ

ФИЗИЧЕСКИЕ ХИМИЧЕСКИЕ БИОЛОГИЧЕСКИЕ ь 9 классов: – вирусы;

– ионизирующее 1 – алкилирующие – токсины;

излучение; соединения; плесневых

– рентгеновские 2 – пероксиды; грибов и

лучи; 3 – альдегиды; бактерий;

– УФО; 4 – азотистая кислота;

– α; – β; – γ – лучи; 5 – соли тяжелых металлов;

– температура и др. 6 – гидроксиламины;

7 – антиметаболиты, в т.ч.

аналоги оснований ДНК;

8 – красители, обладающие;

основными свойствами;

9 – ряд др. веществ, преимущественно

ароматического ряда;

(канцерогены, алкалоиды,

некоторые лекарственные

вещества, гербициды инсектициды и др.)

3. Значимость генных мутаций для жизнедеятельности организма

1. Генные мутации увеличивают количество генетического материала и тем самым открывают возможность возникновения новых генов с новыми свойствами.

2. Хромосомные и генные мутации оказывают разнообразные воздействия на организм. Во многих случаях эти мутации летальны, так как нарушают развитие; у человека, например, около 20% беременностей заканчиваются естественным выкидышем в сроки до 12 недель, и в половине таких случаев можно обнаружить хромосомные аномалии.

3. Генная мутация может привести к тому, что в определенном локусе окажется несколько аллелей. Это увеличивает как гетерозиготность данной популяции, так и ее генофонд, и ведет к усилению внутрипопуляционной изменчивости.

Некоторые из генных мутаций увеличивают дискретную изменчивость, и это может оказать на популяцию более глубокое влияние. Большинство генных мутаций рецессивны по отношению к «нормальному» аллелю, который, успешно выдержав отбор на протяжении многих поколений, достиг генетического равновесия с остальным генотипом. Будучи рецессивными, мутантные аллели могут оставаться в популяции в течение многих поколений, пока им не удастся встретиться, т. е. оказаться в гомозиготном состоянии и проявиться в фенотипе. Время от времени могут возникать и доминантные мутантные аллели, которые немедленно дают фенотипический эффект.

Мутагенез играет значительную роль в селекции, особенно в области сельского хозяйства, растениеводства и животноводства. Мутационная селекция — это метод селекции, при котором используются мутации для получения новых признаков у организмов.

Роль мутагенеза в селекции:

1. Создание вариативности: Мутации являются основным источником генетического разнообразия. Они могут приводить к появлению новых признаков, что открывает новые возможности для селекции.

2. Ускорение селекционного процесса: Мутационная селекция позволяет быстрее получать новые сорта или породы, так как можно использовать методы, которые стимулируют мутагенез (например, радиация или химические мутагены).

3. Получение устойчивости: Мутации могут привести к появлению признаков, связанных с устойчивостью к различным заболеваниям, вредителям или неблагоприятным экологическим условиям.

4. Коррекция нежелательных признаков: Мутационный селекционный подход позволяет исправить нежелательные характеристики, такие как низкая урожайность, плохие вкусовые качества и др.

Мутационная селекция включает несколько этапов:

1. Индукция мутаций: Использование мутагенов (физических или химических) для создания мутаций в генетическом материале организмов.

2. Отбор: Выбор особей с желаемыми признаками из мутантных вариантов, которые возникают после мутационного воздействия.

3. Размножение: Разводят отобранные особи для получения потомства с улучшенными свойствами.

4. Закрепление признаков: Проводится дальнейшее оценивание и закрепление желаемых признаков в новых линиях или сортах через последующее скрещивание и отбор.

Мутационная селекция активно используется в сельском хозяйстве для получения новых сортов растений (например, злаковые, овощные культуры) и пород животных. Примеры успешного применения включают создание устойчивых к болезням сортов и улучшение вкусовых качеств.