Понятие мутаций, классификация и значение для эволюции

Генні мутації

Генні мутації являють  собою спадкові зміни в хромосомах, що мікроскопічно не виявляються. Істинно генні мутації пов'язані або із заміною пари азотистих основ у полінуклеотидному ланцюзі ДНК, що було вперше встановлено для серповидно-клітинної анемії у людини, або з вставкою, або випаданням декількох окремих нуклеотидів, характерних для мутацій типу зсуву «рамки зчитування». Велика частина точкових мутацій повністю рецесивна, менша ж частина їх частково проявляється у гетерозиготному стані, і дуже рідко зустрічаються домінантні мутації [9, 15].

 Генні мутації призводять  до зміни амінокислотної послідовності  білка. Найбільш ймовірна мутація генів відбувається при спарюванні тісно пов'язаних організмів, які успадкували мутантний ген у спільного предка. З цієї причини ймовірність виникнення мутації підвищується у дітей, чиї батьки є родичами. Генні мутації призводять до таких захворювань, як амавротична ідіотія, альбінізм, дальтонізм та ін. [10].

 Цікаво, що значимість  нуклеотидних мутацій всередині  кодона нерівнозначна: заміна першого і другого нуклеотиду завжди призводить до зміни амінокислоти, третій зазвичай не призводить до заміни білка. Приміром, "мовчазна мутація" – зміна нуклеотидної послідовності, яка призводить до утворення схожого кодона, в результаті амінокислотна послідовність білка не змінюється [10].

 Мутації, пов'язані  із заміною однієї пари нуклеотидних  залишків в ДНК, називають точковими. Серед них прийнято розрізняти:

1) прості заміни (транзиції), коли відбувається заміна однієї пуринової (піримідинової) основи в нуклеотиді на іншу пуринову (піримідинову) основу (наприклад, А на Г або Т на Ц);

2) складні, або перехресні  заміни (трансверсії), коли пуринова основа заміщується на піримідинову і назад (наприклад, А на Ц, А на Т, Г на Ц, Г на Т) [6, 15].

 Крім замін, в ДНК  можуть відбуватися випадання  (делеції) або вставки одного  або декількох нуклеотидних залишків. У цьому випадку виникають мутації зі зсувом рамки (рамкові мутації). При цій мутації, починаючи з кодону, в якому втрачено або придбано нуклеотид, уся подальша амінокислотна послідовність білка при трансляції повністю змінюється, що приводить до повного виключення функції ферменту [6].

Частота мутацій, що оцінюється за фенотипічними проявами, коливається в дуже широких межах, від 1•10^-4 до 3•10^-9. Ці відмінності зумовлені і таксономічними (еволюційними) відмінностями досліджених об'єктів, і особливостями мутантних генів даного виду. Для простоти зазвичай приймають, що середня частота мутації складає 1•10⁶, тобто одна мутація на 1 млн генів. Цією цифрою часто користуються в математичних моделях популяційної генетики. Рідкість кожної окремої мутації не означає рідкості генеративних мутацій в перерахунку на геном. Наприклад, беручи середню частоту мутації у Drosophila melanogaster 1•10^-5 і припускаючи, що геном цього виду (In) містить 104 структурних гени, частота мутації на генотип (2n) складе 2•10⁴•10^-5 = 0,2, тобто кожна п'ята муха несе нову мутацію. Цей розрахунок можна порівнювати з оцінками реальних частот мутацій дрозофіли, отриманих генетичним аналізом [13].

В Х-хромосомі виникає за покоління 0,15% нових летальних мутацій, а в другій і третій хромосомах близько 0,5% леталей. Леталі легко виявляються, оскільки у гомозиготному стані їх частота дорівнює смертності мух. Решта мутацій не враховувалися. Отже, будь-яка популяція відчуває постійний і досить сильний тиск мутаційного процесу. Так як загальна кількість генів у людини дорівнює в середньому 100 000, то в кожній клітині (індивіді) протягом онтогенезу з'являється одна нова мутація [13].

Хромосомні мутації 

Хромосомні мутації (хромосомні аберації) поділяють на внутрішньохромосомні і міжхромосомні.

До внутрішньохромосомних мутацій відносять делецію (втрату частини хромосоми), дуплікацію (подвоєння частини хромосоми) і інверсію (зміна послідовності розташування генів по довжині хромосоми за рахунок перевертання – інверсії – ділянки хромосоми на 180°). Розрізняють парацентричну інверсію, при якій інвертується ділянка хромосоми всередині одного її плеча, не зачіпаючи центромери, і перицентричну інверсію, коли інвертована ділянка захоплює центромеру [18].

До міжхромосомних мутацій відносять транслокації – обмін ділянками між двома хромосомами. Якщо при цьому відбувається злиття двох залишків хромосом, кожен з яких містить центромеру, виникає дицентрична хромосома (дицентрік). При обміні ділянками двох плечей однієї і тієї ж хромосоми зі злиттям її проксимальних кінців утворюється кільцева хромосома [18].

Міжхромосомні перебудови діляться на:

1. Реципрокні – обмін ділянками негомологічних хромосом;
2. Нереципрокні – зміна положення ділянки хромосоми;
3. Дицентричні – злиття фрагментів негомологічних хромосом;
4. Центричні – злиття центромер негомологічних хромосом [18].

 Хромосомні мутації  виявляються у 1% новонароджених. Однак дослідження показали, що  нестабільність соматичних клітин  здорових донорів не виняток,  а норма. У зв'язку з цим була висловлена ​​гіпотеза про те, що нестабільність соматичних клітин слід розглядати не тільки як патологічний стан, але і як адаптивну реакцію організму на змінені умови внутрішнього середовища. Хромосомні мутації можуть володіти фенотипічними явищами. Найбільш поширений приклад – синдром "котячого крику" (плач дитини нагадує нявкання кішки). Зазвичай носії такої делеції гинуть в дитинстві [3].

Хромосомні мутації часто  призводять до патологічних порушень в організмі, але в той же час  хромосомні перебудови зіграли одну з провідних ролей в еволюції. Так, у людини 23 пари хромосом, а у мавпи – 24. Таким чином, різницю становить всього одна хромосома. Вчені припускають, що в процесі еволюції відбулася хоча б одна перебудова. Підтвердженням цього може служити і той факт, що 17 хромосома людини відрізняється від такої ж хромосоми шимпанзе лише однієї перицентричною інверсією. Такі міркування багато в чому підтверджують теорію Дарвіна [4, 17].

Геномні мутації 

Геномні мутації полягають у зміні числа хромосом в каріотипі. Збільшення числа хромосом, кратне гаплоїдному набору хромосом, називають поліплоїдією. Відсутність або надмірна кількість окремих хромосом об'єднують поняттям «анеуплоїдія», яку поділяють на гіперплоїдію (збільшення числа хромосом) і гіпоплоїдію (втрату окремих хромосом хромосомного набору). Гаплоїди – замість 2 наборів хромосом є лише один. Геномні мутації виникають за рахунок ушкоджень в процесі мейозу, що ведуть до нерозходження хромосом або хроматид по дочірнім клітинам. Загальна частота геномних та хромосомних мутацій в соматичних клітинах людини становить близько 1%, а в зародкових – близько 0,5% [1].

Еуплоідія – це зміна числа хромосом, кратне гаплоїдному. Розрізняють автополіплоїдів (подвоєння числа хромосом одного генома) і аллополіплоїдію (збільшення числа хромосом шляхом поєднання геномів різних видів). Подвоєння хромосом може відбуватися спонтанно в мітозі, хоча і досить рідко. З більш високою частотою подвоєння хромосом відбувається після обробки колхіцином точки росту рослин, що призводить до руйнування ниток ахроматинового веретена в клітинах, що діляться, і нерозбіжності хромосом до полюсів в анафазі мітозу. У мейозі нерозбіжність хромосом викликає формування диплоїдних нередукованних гамет, злиття яких з гаплоїдних дає початок триплоїдним організмам [1].

Отже, мутації – це стрибкоподібні зміни у структурі генотипу. Мутації класифікують на основі різноманітних критеріїв.

2. Мутагенез. Мутагени. Причини мутацій

 Мутагенез [мутація  (від лат. Mutatio – зміна) + грец. gennaō народжувати, робити] – виникнення мутацій – раптових якісних змін генетичної інформації. Як синонім поняття «мутагенез» часто використовують поняття «мутаційний процес». Однак зміст останнього терміну більш широкий. Під мутаційним процесом, як правило, мають на увазі не тільки процес виникнення мутацій, але і їх накопичення, поширення та елімінацію. Нові мутації є джерелом мутаційної мінливості і надзвичайно важливі з точки зору профілактики та лікування спадкових хвороб [5].

Причини хромосомних перебудов  і найбільш важливої ​​категорії мутацій – генних – довгий час залишалися невідомими. Це давало привід для помилкових автогенетичних концепцій, згідно з якими спонтанні генні мутації виникають в природі нібито без участі дій навколишнього середовища. Лише після розробки методів кількісного обліку генних мутацій з'ясувалася можливість викликати їх різними фізичними і хімічними факторами. Індукований мутагенез виникає при впливі на організм мутагенами – факторами, що викликають мутації [13].

Існує три групи мутагенів: фізичні, хімічні та біологічні [11].

До фізичних мутагенів  відносять нагрівання, різні види іонізуючих випромінювань (рентгенівське, a-, b- і g-промені, нейтрони, мезони і інші елементарні частинки й іони високих енергій), а також ультрафіолетове і мікрохвильове випромінювання. Мутагенна дія характерна для УФ-променів з довжиною хвилі від 250 до 280 нм. Первинний ефект іонізуючих та ультрафіолетових випромінювань полягає в утворенні одиночних або подвійних розривів в молекулі ДНК. Мутагенна дія іонізуючої радіації та електромагнітного випромінювання зумовлена збудженням атомів, що складають молекулу ДНК, в результаті чого відбуваються розриви ковалентних і (або) водневих зв'язків. Дія фізичних мутагенів підчиняється правилу «доза-ефект» – чим вище доза опромінення, тим більше виникає мутацій. Це правило витримується як при посиленні інтенсивності опромінення, так і при збільшенні його тривалості без збільшення інтенсивності. Тому гранично допустимі концентрації радіоактивного опромінення мають значення лише з точки зору їх патогенного, але не мутаційного ефекту [11].

До хімічних мутагенів  відносяться найрізноманітніші  речовини (алкілуючі з'єднання, перекис  водню, альдегіди і кетони, азотна кислота і її аналоги, різні антиметаболіти, солі важких металів, барвники, що володіють  основними властивостями, речовини ароматичного ряду), інсектициди (від лат. insecta – комахи, cida – вбивця), гербіциди (від лат. herba – трава), наркотики, алкоголь, нікотин, деякі лікарські речовини та багато інших [11].

Хімічні мутагени ділять на мутагени прямої дії, що безпосередньо взаємодіють з генетичним матеріалом клітини, і мутагени непрямої дії, вплив яких на генетичний матеріал клітини відбувається опосередковано, після ряду метаболічних перетворень. Встановлено, що мутагенну активність має кілька тисяч хімічних сполук. Однак на відміну від іонізуючого та ультрафіолетового випромінювань для хімічних мутагенів характерна специфічність дії, що залежить від природи об'єкта і стадії розвитку клітини. При взаємодії хімічних мутагенів з компонентами спадкових структур (ДНК і білками) виникають первинні ушкодження останніх. Надалі ці первинні ушкодження ведуть до виникнення мутацій [11].

Серед екзогенних, по відношенню до організму, хімічних мутагенів виділяють  кілька класів речовин, що безпосередньо порушують структуру нуклеїнових кислот. Мутації часто викликають алкілуючі агенти, наприклад, іприт S(CH₂CH₂C1)₂ та його похідні. Ці речовини роблять неферментативним перенесення алкільних груп на біологічні макромолекули, наприклад, алкілують кисень у шостій позиції в гуанін і в четвертій позиції в тимін і ряд атомів азоту в пуринів і піримідинів. Подібні мутації зазвичай репаруються. Тому пряма залежність між кількістю мутагену і частотою мутацій в даному випадку відсутня [11].

 Одним з класів мутагенів,  які мають опосередковану дію, є нітрити, що накопичуються в овочах при передозуванні азотних добрив. В організмі нітрити (KNО₂ і NaNО₂) перетворюються в азотисту кислоту HNО₂, яка дезамінує гуанін до ксантину, аденін до гіпоксантину, цитозин до урацилу. Мутагенною активністю володіють багато пероксидів та вільних радикалів, що виникають як при екзогенних, так і при ендогенних порушеннях метаболізму. Особливо активні вільні радикали кисню, що виникають при відновних реакціях. Це гідроксили, супероксид і синглетний кисень. Слід додати, що джерелом мутагенів служить метаболізм мікрофлори, яка присутня в організмах багатоклітинних, ряд проміжних сполук, що виникають при бактеріальному метаболізмі жовчних кислот, холестерину і амінокислот [11].

 Біологічні мутагени. До них відносять ДНК- і РНК-віруси, деякі поліпептиди і білки, наприклад О-стрептолізин і ряд ферментів рестриктаз, а також препарати деяких ДНК і певні плазміди. Механізми утворення мутацій при дії різних біологічних факторів не цілком ясні, проте агенти, що містять нуклеїнові кислоти, можуть викликати порушення процесів рекомбінації, що призводить до виникнення мутацій. Дія рестриктаз зводиться до «розрізання» ланцюгів ДНК в місці (локусі) певної послідовності нуклеотидів, специфічному для кожної рестріктази. Таким чином, віруси – не тільки збудники багатьох хвороб тварин і людини, рослин і мікроорганізмів, але й одне з джерел їх спадкової мінливості [11].

 У результаті досліджень  з'ясувалося, що всі мутаційні  фактори можна розділити на  дві великі групи: 

1) викликають точкові  мутації і хромосомні мутації  з приблизно однаковою частотою;

2) викликають переважно  або виключно точкові мутації [13].

 У першу групу входять  різні форми іонізуючої радіації  і з числа хімічних мутагенів  іприт (гірчичний газ) та ін., а в другу групу – ультрафіолетові промені і більшість хімічних мутагенів [13].

Сильні фізичні і хімічні  мутагени збільшують частоту виникнення генних мутацій і хромосомних  перебудов у багато десятків разів, а найбільш потужні хімічні мутагени (так звані супермутагени, багато з яких відкриті і вивчені І. А. Рапопортом з працівниками) – навіть у сотні разів порівняно з частотою виниканих природно спонтанних мутацій [13].

Отже, мутагенез викликають мутагени різної природи.

3. Захист від мутацій

 Будь-який організм  перебуває під постійним впливом  безлічі мутагенних факторів. Тому  і багатоклітинним, і одноклітинним організмам надзвичайно важливий захист від мутацій. Важливий він і для прокаріотів, оскільки мутації в більш-менш стабільних умовах знижують їх пристосованість. Рідкість виникнення мутацій – наслідок не відсутності викликаючих їх впливів, а вироблення в процесі еволюції захисних механізмів. Генетична інформація будь-якого організму захищена від мутаційних ушкоджень, що робить мутації в життєво важливих локусах геному дуже рідкісними. Існує ряд систем, що захищають організм від мутацій. Ці системи досить автономні одна від одної і діють за принципом – якщо не спрацює одна, то спрацює інша [1].