10. Спонтанные и индуцированные мутации

Спонтанные– это мутации, которые возникают самопроизвольно, без участия со стороны экспериментатора.

Индуцированные– это те мутации, которые вызваны искусственно, с использованием различных факторовмутагенеза.

Вообще, процесс образования мутаций называется мутагенезом,а факторы, вызывающие мутации, –мутагенами.

Мутагенные факторыподразделяются нафизические,химическиеибиологические.

Частота спонтанных мутацийодного гена составляет, для каждого гена каждого организма она своя.

Причины спонтанных мутацийне совсем ясны. Раньше считали, что их вызываетестественный фон ионизирующих излучений. Однако оказалось, что это не так. Например, у дрозофилы естественный радиационный фон вызывает не более 0,1% спонтанных мутаций.

С возрастомпоследствия от воздействия естественного радиационного фона могутнакапливаться, и у человека от 10 до 25% спонтанных мутаций связаны с этим.

Второй причинойспонтанных мутаций являютсяслучайные повреждения хромосом и геновво время деления клетки и репликации ДНК вследствиеслучайных ошибокв функционировании молекулярных механизмов.

Третьей причинойспонтанных мутаций являетсяперемещениепо геномумобильных элементов, которые могут внедриться в любой ген и вызвать в нем мутацию.

Американский генетик М. Грин показал, что около 80% мутаций, которые были открыты как спонтанные, возникли в результате перемещения мобильных элементов.

Индуцированнные мутации впервые обнаружили в 1925 г. Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов в СССР. Они облучали рентгеновскими лучами культуры плесневых грибов Mucor genevensis и получили расщепление культуры «на две формы или расы, отличающиеся не только друг от друга, но и от исходной (нормальной) формы». Мутанты оказались стабильными, так как после восьми последовательных пересевов сохраняли приобретенные свойства. Их статья была опубликована только на русском языке, к тому же в работе не использовались какие-либо методы количественной оценки действия рентгеновских лучей, поэтому она осталась малозамеченной.

В 1927 г. Г. Мёллер сообщил о действии рентгеновских лучей на мутационный процесс у дрозофилы и предложил количественный метод учета рецессивных летальных мутаций в Х-хромосоме (ClB), который стал классическим.

В 1946 г. Мёллеру была присуждена Нобелевская премия за открытие радиационного мутагенеза. В настоящее время установлено, что практически все виды излучений (в том числе ионизирующая радиация всех видов – , , ; УФ-лучи, инфракрасные лучи) вызывают мутации. Их называют физическими мутагенами.

Основные механизмы их действия:

1) нарушение структуры генов и хромосом за счет прямого действия на молекулы ДНК и белков;

2) образование свободных радикалов, которые вступают в химическое взаимодействие с ДНК;

3) разрывы нитей веретена деления;

4) образование димеров (тиминовых).

В 30-х гг. был открыт химический мутагенез у дрозофилы: В. В. Сахаров (1932), М. Е. Лобашев и Ф. А. Смирнов (1934) показали, что некоторые соединения, такие как йод, уксусная кислота, аммиак, способны индуцировать рецессивные летальные мутации в Х-хромосоме.

В 1939 г. Сергей Михайлович Гершензон (ученик С.С. Четверикова) открыл сильный мутагенный эффект экзогенной ДНК у дрозофилы. Под влиянием идей Н.К. Кольцова о том, что хромосома является гигантской молекулой, С.М. Гершензон решил проверить свое предположение, что именно ДНК является такой молекулой. Он выделил ДНК из тимуса и добавил ее в корм личинкам дрозофилы. Среди 15 тыс. контрольных мух (т.е. без ДНК в корме) не было ни одной мутации, а в опыте среди 13 тыс. мух было обнаружено 13 мутантов.

В 1941 г. Шарлоттта Ауэрбах и Дж. Робсон показали, что азотистый иприт индуцирует мутации у дрозофилы. Результаты работы с этим боевым отравляющим веществом были опубликованы только в 1946 г., после окончания Второй мировой войны. В том же 1946 г. Рапопорт (Иосиф Абрамович) в СССР показал мутагенную активность формальдегида.

В настоящее время к химическим мутагенам относят:

а) природные органические и неорганические вещества;

б) продукты промышленной переработки природных соединений – угля, нефти;

в) синтетические вещества, ранее не встречавшиеся в природе (пестициды, инсектициды и т.д.);

г) некоторые метаболиты организма человека и животных.

Химические мутагены вызывают преимущественно генные мутации и действуют в период репликации ДНК.

Механизмы их действия:

1) модификация структуры оснований (гидроксилирование, дезаминирование, алкилирование);

2) замена азотистых оснований их аналогами;

3) ингибиция синтеза предшественников нуклеиновых кислот.

В последние годы используют так называемые супермутагены:

1) аналоги оснований;

2) соединения, алкилирующие ДНК (этилметансульфонат, метилметансульфонат и др.);

3) соединения, интеркалирующие между основаниями ДНК (акридины и их производные).

Супермутагены повышают частоту мутаций на 2-3 порядка.

К биологическим мутагенам относятся:

а) вирусы (краснухи, кори и др.);

б) невирусные инфекционные агенты (бактерии, риккетсии, простейшие, гельминты);

в) мобильные генетические элементы.

Механизмы их действия:

1) геномы вирусов и мобильных элементов встраиваются в ДНК клеток хозяина;

2) продукты жизнедеятельности паразитов – возбудителей болезней действуют как химические мутагены.

Индуцированный мутагенез, начиная с конца 20-х годов XX века, используют для селекции новых штаммов, пород и сортов. Наибольшие успехи достигнуты в селекции штаммов бактерий и грибков – продуцентов антибиотиков и других биологически активных веществ.

Так, удалось повысить активность продуцентов антибиотиков в 10-20 раз, что позволило значительно увеличить производство соответствующих антибиотиков и резко снизило их стоимость. Активность лучистого гриба – продуцента витамина В₁₂ удалось повысить в 6 раз, а активность бактерии – продуцента аминокислоты лизина – в 300-400 раз.

Использование мутаций карликовости у пшеницы позволило в 60-70 годах резко увеличить урожай зерновых культур, что было названо «зеленой революцией». Пшеница карликовых сортов имеет укороченный толстый стебель, устойчивый к полеганию, он выдерживает повышенную нагрузку от более крупного колоса. Использование этих сортов позволило существенно увеличить урожаи (в некоторых странах в несколько раз).

Автором «зеленой революции» считают американского селекционера и генетика Н. Борлауга, который в 1944 г., в возрасте 30 лет, поселился и стал работать в Мексике. За успехи в выведении высокопродуктивных сортов растений в 1970 году ему была присуждена Нобелевская премия мира.