61. Генные мутации, их частота, механизм.
Генные (точковые) мутации - это изменения числа и/или последовательности нуклеотидов в структуре ДНК (вставки, выпадения, перемещения, замещения нуклеотидов) в пределах отдельных генов, приводящие к изменению количества или качества соответствующих белковых продуктов.
Различают два типа замен оснований:
1) замены пурина на другой пурин или пиримидина на пиримидин. Их называют транзитами: А = G, Т = С (т.е. такие замены пар нуклеотидов, которые не изменяют ориентации: AT = GC; ТА = CG);
2) замены пурина на пиримидин или пиримидина на пурин. Их называют трансверсиями: А = Т, А = С, G = С, G = Т (т.е. такие замены пар нуклеотидов, которые изменяют ориентацию: AT = ТА, AT = CG).
62. Мутагены. Мутагенез
Мутагены (от мутация и др.-греч. γεννάω — рождаю) — химические и физические факторы, вызывающие наследственные изменения — мутации. Впервые искусственные мутации получены в 1925 году Г. А. Надсеном и Г. С. Филипповым у дрожжейдействием 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.
Классификация.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 иэкзогенные — 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;
модулированное радиоизлучение и электромагнитные поля[1][2];
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.
Мутагенез — это внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (мутаций). Различают естественный (спонтанный) и искусственный (индуцированный) мутагенез.
Естественный мутагенез
Естественный, или спонтанный, мутагенез происходит вследствие воздействия на генетический материал живых организмов мутагенных факторов окружающей среды, таких как ультрафиолет, радиация, химические мутагены.
Мутационная теория Х. Де Фриза и С. И. Коржинского
Мутационная теория составляет одну из основ генетики. Она зародилась вскоре после переоткрытия Т. Морганом законов Менделя в начале 20 столетия. Можно считать, что она почти одновременно зародилась в умах голландца Хуго Де Фриза[1](1903) и отечественного ученого-ботаника С. И. Коржинского[2] (1899). Однако приоритет в первенстве и в большем совпадении изначальных положений принадлежит российскому ученому[3]. Признание основного эволюционного значения за дискретной изменчивостью и отрицание роли естественного отбора в теориях Коржинского и Де Фриза было связано с неразрешимостью в то время противоречия в эволюционном учении Ч. Дарвина между важной ролью мелких уклонений и их «поглощением» при скрещиваниях. Основные положения мутационной теории Коржинского-Де Фриза можно свести к следующим пунктам[4]:
Мутации внезапны, как дискретные изменения признаков.Новые формы устойчивы.
В отличие от наследственных изменений, мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. Они являют собой качественные скачки изменений
Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследуемых особей. Сходные мутации могут возникать неоднократно.
Механизм мутагенеза
Последовательность событий приводящая к мутации (внутри хромосомы) выглядит следующим образом:
Происходит повреждение ДНК.
В случае, если повреждение произошло в незначащем (интрон) фрагменте ДНК, то мутации не происходит.
В случае если повреждение произошло в значащем фрагменте (экзон), и произошла корректная репарация ДНК, или вследствие вырожденности генетического кода не произошло нарушения, то мутации не происходит.
Только в случае такого повреждения ДНК, которое произошло в значащей части, которое не было корректно репарированно, которое изменило кодировку аминокислоты, или которое привело к выпадению части ДНК и соединению ДНК вновь в единую цепь — то оно приведет к мутации.
Мутагенез на уровне генома также может быть связан с инверсиями, делециями, транслокациями, полиплоидией, и анеуплоидией, удвоением, утроением (множественной дупликацией) и т. д. некоторых хромосом.
Точечные мутации
Миссенс-мутация
Мутация сдвига рамки считывания
Нонсенс-мутация
Синонимическая сеймсенс-мутация.
Хромосомные мутации
Инверсии
Реципрокные транслокации
Делеции
Дупликации и инсерционные транслокации
Геномные мутации
Анеуплоидия
Полиплоидия
Ядерные и цитоплазматические мутации. Ядерные мутации — геномные, хромосомные, точечные. Цитоплазмотические мутации — связанные с мутациями неядерных генов находящихся в митохондриальной ДНК и ДНК пластид — хлоропластов.
Искусственный мутагенез
Искусственный мутагенез широко используют для изучения белков и улучшения их свойств (направленной эволюции).
Ненаправленный мутагенез
Методом ненаправленного мутагенеза в последовательность ДНК вносятся изменения с определенной вероятностью. Мутагенными факторами (мутагенами) могут быть различные химические и физические воздействия — мутагенные вещества,ультрафиолет, радиация. После получения мутантных организмов производят выявление (скрининг) и отбор тех, которые удовлетворяют цели мутагенеза. Ненаправленный мутагенез более трудоемок и его проведение оправдано, если разработана эффективная система скрининга мутантов.
Направленный мутагенез
В направленном (сайт-специфическом) мутагенезе изменения в ДНК вносятся в заранее известный сайт. Для этого синтезируют короткие одноцепочечные молекулы ДНК (праймеры), комплементарные целевой ДНК за исключением места мутации.
Мутагенез по Кункелю
Для бактериальной плазмиды (внехромосомной кольцевой ДНК) получают уридиновую матрицу, то есть такую же молекулу, в которой остатки тимина заменены на урацил. Праймер отжигают на матрице, проводят его достройку in vitro с помощью полимеразы до кольцевой ДНК, комплементарной уридиновой матрице. Двухцепочечной гибридной ДНК трансформируют бактериальные клетки, внутри клетки уридиновая матрица разрушается как чужеродная, и на мутантной одноцепочеченой кольцевой ДНК достраивается вторая цепь. Эффективность такого способа мутагенеза менее 100 %.