4. Генні мутації та процеси репарації

Структурні зміни функціональних ділянок ДНК називають генними, або точковими мутаціями. Внаслідок таких мутацій змінюється нормальна послідовність нуклеотидів у гені. Під час генних мутацій відбуваються такі зміни:

а) транзиції – такі заміни пар нуклеотидів АТ↔ГЦ, які не міняють орієнтації пурин-піримідин в межах пари;

б) трансверсії – заміни пар нуклеотидів (АТ↔ЦГ, АТ↔ТА, ГЦ↔ЦГ), які міняють орієнтацію – пурин на піримідин і навпаки.

Транзиції і трансверсії можуть призводити до так званих „міссенс"-мутацій, заміни однієї амінокислоти на іншу, та „нонсенс”-мутацій – заміни смислового кодона на термінуючий.

Прикладом „місенс”-мутацій є хвороби людини, які викликаються заміною однієї амінокислоти (глютамін-валін) в 6-ій позиції обох β-ланцюгів гемоглобіну. Така заміна викликає зниження здатності гемоглобіну переносити кисень, морфологічно виявляється у набутті еритроцитами форми „серпа” і смерть гомозиготних за цією мутацією організмів. (рисунок).

Але мутації зсуву рамки зчитування приводять до ще більш фатальних наслідків.

в) вставка зайвої пари нуклеотидів;

г) випадання пари нуклеотидів.

Два останні види генних мутацій супроводжуються „зсувом рамки зчитування” і мають більш негативні наслідки, ніж заміни пари нуклеотидів. Приклад ТТА АТТ ЦЦГ А → Випадання нуклеотиду приведе до зміни послідовних нуклеотидів ТТА ТТЦ ЦГА. Спостерігається зсув рамки зчитування.

Необхідно відмітити, що генні мутації виникають спочатку у вигляді передмутаційних пошкоджень ДНК. У прокаріотичних і еукаріотичних організмів існують різноманітні системи репарації ДНК. До таких систем належать процеси фотореактивації – репарації під дією видимого світла тимінових димерів, які виникають при короткохвильовому УФ-опроміненні. Система ексцизійної, або темнової репарації видаляє пошкодженого ланцюга ділянки ДНК з наступною реплікацією цієї ділянки на матриці неушкодженого ланцюга ДНК.

Найбільш ефективною вважають постреплікативну або рекомбінаційну репарацію, яка відбувається після реплікації ДНК. Пошкоджені ділянки ДНК не реплікуються утворюючи „прогалини”. Такі прогалини заповнюються вирізаними частинами реплікованої ДНК із аналогічного ланцюга сестринської молекули ДНК, тобто прогалина „латається”. Нарешті, при індукції великої кількості мутацій, певним мутагенним чинником може вмикатися система SOS-репарації. Ця система забезпечує реплікацію ДНК, тобто виживання клітини, але відбувається з багатьма помилками, таким чином зберігає мутаційні пошкодження.

Ефективність роботим репараційних систем підтверджується тим, що у штаму Salmonella typhymurium, дефектного за однією із систем репарації, спостерігається у 100 разів більша частота виникнення мутацій.

5. Мутагенні фактори середовища.

Що призводить до виникнення мутацій?

Незважаючи на існування ефективної системи репарації перед мутаційних пошкоджень, в нормі спостерігаються так звані спонтанні мутації з частотою 10^-5-10^-8 на ген. (таблиця). Довгий час причини, які викликають мутації, були невідомі. Вони стали з’ясовуватись тільки після того, як були розроблені методи кількісного обліку мутацій і вперше у 1927 р. Г. Мюллер показав, що мутації у дрозофіли можна викликати штучно дією рентгенівських променів, Г.А. Надсон і Г.С. Філіпов – повідомили про мутагенну дію рентгенівських променів на грибах – нейроспорі.

Це відкриття послужило поштовхом до наступних досліджень (щодо виявлення і вивчення) фізичних і хімічних мутагенних факторів тих, які індукують (викликають) мутації.

Найбільшою мутагенною активністю володіють різні види іонізуючого випромінювання, серед яких більше досліджені рентгенівське і гамма-випроменювання.

Для дії іонізуючої радіації характерно:

• відсутність порогової дози;

• прямо пропорційна залежність частоти мутацій від дози;

• мутагенна дія не залежить від часу, за який була отримана доза;

• іонізуюче випромінювання у більшій степені підвищує частоту перебудов хромосом, ніж частоту генних мутацій.

Крім іонізуючого випромінювання до сильних фізичних мутагенів відносяться УФ-промені з довжиною хвилі λ=265 нм (дія яких залежить від довжини хвилі на відміну від іонізуючого випромінювання), для яких характерно утворення ти мінових димерів. Набагато менший мутагенний ефект виявляє підвищена температура, вологість та елементи живлення.

Високою мутагенною активністю володіють деякі хімічні сполуки, серед яких є так звані супермутагени, які за мутагенним ефектом наближаються або перевищують іонізуюче випромінювання. Серед хімічних мутагенів виділяють алкілуючі сполуки, здатні переносити алкільні радикали, анологи азотистих основ, акриди нові барвники, які утворюють комплекси з ДНК, заважаючи нормальній реплікації, а також деякі інші сполуки, такі як азотиста кислота, гідроксиламін, пероксиди тощо.

Хімічні мутагени викликають більше генних мутацій, ніж хромосомних перебудов.

В наш час кожний рік синтезують нові хімічні речовини, які використовуються у харчовій, фармацевтичній, будівельній промисловості, у побутовій хімії, сільському господарстві (пестициди). Усі новосинтезовані речовини, які пропонуються для широкого вжитку повинні проходити перевірку на мутагенну активність. Розроблені тест-системи і системи тестів генетичної активності на різних об’єктах, але ця робота вимагає значних коштів і часу, тому часто проводиться у недостатній мірі.

До біологічних мутагенних факторів відносяться віруси, плазміди, чужорідна ДНК, які подібно МГЕ, здатні вбудовуватись в ДНК хазяїна і вирізатися із нього, блокуючи функціонування окремих генів.

Висновки. В природних умовах і під дією штучних чинників в організмах виникають різноманітні зміни генетичного матеріалу, які передаються в ряду поколінь. Мутаційні зміни переважно шкідливі для живих організмів. Певний рівень мутаційної мінливості забезпечує еволюцію органічного світу, пристосування видів до умов середовища, яке змінюється. В останні півстоліття значно посилився антропогенний вплив на біосферу, який призводить до появи мутагенних чинників: хімічних речовин – ксенобіотиків, важких металів, підвищеного рівня радіації. Зростання рівня мутацій непомітне в одному поколінні, може протягом декількох поколінь викликати руйнування генетичної структури (генофондів) різних видів рослин, тварин і людини. Прискорення темпу мутування хвороботворних мікроорганізмів і вірусів приведе до виникнення більш небезпечних інфекцій, до яких організм хазяїна не встигає адаптуватися. Ця друга небезпека вже виявляється: майже кожен рік повідомляється про виникнення небезпечних штамів вірусів і мікроорганізмів, які раніше не вражали людину: СНІД, лихоманка Ебола, губчасті енцефалопатії, атипова пневмонія, пташиний грип та інші. Така загроза зумовлює необхідність ретельного генетичного моніторингу всіх нових хімічних сполук, які потрапляють в оточуюче середовище та зменшення антропогенного навантаження на біосферу.