Понятие мутаций, классификация и значение для эволюции

 Захист здійснюється  на декількох рівнях. Перш за  все, організм намагається не  допустити потрапляння хімічних  мутагенів у життєво важливі  локуси свого геному. Це досягається двома шляхами. По-перше, надлишкові послідовності нуклеотидів ДНК, екрануючи кодуючі послідовності нуклеотидів в геномі еукаріот, приймають удар більшої частини хімічних мутагенів на себе. Ті ж цілі можуть бути досягнуті за рахунок особливої ​​просторової організації ДНК у конкретних ділянках генома. По-друге, в клітинах є численні високо- і низькомолекулярні пастки мутагенів, найважливішими з яких є: маніт, енкефаліни, індоли, жовчні кислоти та їх похідні, альфа-токоферол, аскорбінова кислота, тирозин, серотонін, а також ряд інших сполук екзогенного і ендогенного походження. На жаль, обидві системи захисту не мають 100%-ї ефективності. Те ж можна сказати і про точність функціонування ферментних систем, що здійснюють відтворення генетичної інформації. Тому порушення первинної структури ДНК неминучі, але більшість первинних пошкоджень не перетворюється в мутації завдяки функціонуванню систем репарації ДНК [1, 13].

Найбільш відомі системи  репарації мутаційних порушень, що виникають при транскрипції і  трансляції, що працюють в клітинах як прокаріотів, так і еукаріот (фотореактивації, відщеплення метильної групи, SOS репарація, дія ферментів – лігази і т. д.). Системи репарації захищають клітини від багатьох мутацій, але не можуть зробити цього щонайменше в двох випадках: якщо не розпізнають мутації в ланцюжку ДНК, і якщо мутація вражає саму систему репарації. У другому випадку частота мутацій різко зростає. В епоху, що передувала молекулярній генетиці, вважалося, що існують «гени-мутатори», що підсилюють мутагенез. Тепер пишуть про «мутаторний фенотип», що виникає в результаті мутацій генів, відповідальних за системи репарації [1, 13].

Не так давно було показано (Галактіонов, 1995), що специфічний імунітет вищих тварин, системи Т і В лімфоцитів, точно розпізнають чужорідні білки і знищують клітини – джерела цих білків (антигенів), служить не тільки для захисту від бактеріальної інфекції, а й від мутантних клітин власного організму [1].

До механізмів, що захищають організм від мутацій, можна віднести також виродженість генетичного коду. Синонімічні мутації, тобто мутації, що перетворюють один кодон в інший, що кодує ту ж амінокислоту, не впливають на структуру білків і, таким чином, є нейтральними мутаціями. Крім того, цілий ряд мутацій, що призводять до заміни амінокислот у поліпептидних ланцюгах, не впливають на конформацію і функціональні властивості білкових молекул. Такі заміни і мутації, що викликають їх, називаються селективно-нейтральними. Наприклад, 3 ланцюга гемоглобіну людини і коня різняться 17 амінокислотними замінами, що не впливають на спорідненість гемоглобіну з киснем [15].

 Відомо, що більшість  виникаючих мутацій рецесивні. Тому, диплоїдний (або поліплоїдний) генотип еукаріот захищає фенотип від ефекту експресії мутантних генів. У цьому полягає одна з кардинальних відмінностей механізмів еволюції прокаріот і еукаріот. У прокаріотів кожна мутація проявляється у фенотипі і за адаптацію прокаріоти платять колосальної загибеллю потенційно безсмертних клітин – організмів. У еукаріотів геном захищений, що має вирішальне значення для існування багатоклітинних організмів. Однак рецесивність генеративних мутацій є основою формування генофонду популяцій, тобто створює матеріал еволюції, з яким працює відбір [15].

Отже, захист організму від мутагенних факторів здійснюється на декількох рівнях.

 

 

РОЗДІЛ 2

РОЛЬ МУТАЦІЙ В РІЗНИХ ГАЛУЗЯХ

 

2.1. Мутаційний процес і спадкові захворювання

 

Багато мутацій є причиною спадкових захворювань, яких налічується близько 2000. Вивчення і можливий запобігання наслідків генетичних дефектів людини – предмет медичної генетики. Це так званий «генетичний вантаж» популяцій людей [6, 16].

Залежно від виду первинно уражених клітин виділені наступні групи  захворювань:

1. Хвороби внаслідок мутацій в статевих клітинах – «гаметичні», тобто власне спадкові хвороби (наприклад, фенілкетонурія, гемофілії); ці хвороби передаються у спадщину;

2. Хвороби внаслідок мутацій в соматичних клітинах – «соматичні» (наприклад, пухлини, деякі хвороби імунної аутоагресії). Ці захворювання не передаються у спадок;

3. Хвороби внаслідок комбінації мутацій в статевих і соматичних клітинах (наприклад, сімейна ретинобластома) [4, 8].

Спадкових хвороб, викликаних генними мутаціями, налічується  близько 1500. Їх умовно поділяють на: хвороби обміну речовин і молекулярні хвороби [10, 20].

Хвороб обміну речовин  налічується близько 600, вони зачіпають  зміни амінокислотного, вуглеводного і ліпідного складу клітини. Деякі мутації викликають виникнення навіть злоякісних утворень [10, 20].

За домінантним типом передається нейрофіброматоз, – хронічне захворювання, що характеризується множинним утворенням пухлин нервових стовбурів. Такі пухлини можуть локалізуватися в будь-яких органах і тканинах (у тому числі і в ЦНС), але найчастіше вони зустрічаються на шкірі, де мають вигляд пігментованих бородавок з надмірним зростанням волосся [4].

За рецесивною ознакою передається фенілкетонурія (хвороба Феллінга) – різке підвищення вмісту в крові і лікворі амінокислоти фенілатіна і перетворення її в ряд продуктів, наприклад в фенілпіровиноградну і фенілмолочну кислоти [9].

Галактоземія – порушення вуглеводного обміну. Вона зумовлена порушенням діяльності печінки, накопиченням в тканинах (у тому числі і крові) галактози. Носійство гена, що викликає захворювання, тобто число гетерозигот, складає в середньому 1:70 000 [10].

Аномалії, пов'язані з  порушеннями розпаду деяких вуглеводовмісних сполук, викликають розвиток мукополісахаридозів (гаргоїлізми) [10].

Порушення ліпідного обміну – амавротична ідіотія (хвороба Тея-Сакса), пов'язана з відсутністю ферменту гексосаміндази А – важкий розлад нервової системи [16].

Молекулярні хвороби найкраще вивчені на елементах крові. Відомо близько 50 спадкових хвороб крові. Деякі  з них успадковуються за типом  неповного домінування. Наприклад два види гемоглобінопатій: серповидноклітинна анемія і таласемія (хвороба Кулі). Гемоглобінопатії виражаються в гемолізі – у розпаді аномальних еритроцитів [10].

 Деякі генні захворювання  зчеплені зі статтю. Прикладом такого роду наслідування є гемофілія, агаммаглобулінемія, нецукровий діабет, дальтонізм і облисіння [16].

Хромосомні хвороби. Відомо близько 300 хромосомних синдромів, які можуть бути зумовлені зміною числа хромосом – аутосом (синдром Дауна) або статевих хромосом (синдроми: Шерешевського-Тернера, Клайнфельтера). Якщо виявляється одна зайва хромосома (46 +1), то це трисомія [4].

Найчастішою і досить відомою серед лікарів та населення є трисомія по хромосомі 21, або хвороба Дауна. На другому місці за частотою знаходиться трисомія по хромосомі 18, або синдром Едвардса. Вона зустрічається в 10 разів рідше хвороби Дауна, пороки розвитку важчі; такі немовлята гинуть в основному на першому році життя. Ще рідше, з частотою 7:100 000, народжуються живі діти з трисомією по хромосомі 13 (синдром Патау). Дуже рідкісні також трисомії по аутосомам 8 і 9 [3].

Синдром Дауна характеризується зменшеним розміром черепа, плоскою потилицею, косим розташуванням очей, відсталістю у зростанні, невідповідністю розмірів тулуба з розміром кінцівок, недорозвиненням статевих ознак, непроявом вторинних статевих ознак, значною затримкою розумового розвитку [3].

У деяких випадках при народженні дітей з хворобою Дауна у матерів  знайдено 46 хромосом замість 47 типових  для цього захворювання. Одна з  аутосом в цих випадках виявляється  зміненою (подовженою). Спостереження за близнюками підтверджують суто спадковий характер цього захворювання [3].

Синдром Клайнфельтера –  це група клінічно подібних відхилень у статевому, соматичному і психічному розвитку, які розвиваються у індивідуумів чоловічої статі при повних чи часткових Х- або Y-полісомах. Його сумарна частота 2,5 на 1000 живонароджених хлопчиків [3].

Якщо однієї хромосоми не вистачає (46-1=45) – це моносомія. Якщо моносомія у жінок за статевими хромосомами, то її позначають ХО [6].

Х-моносомія – моносомія по всій Х-хромосомі або якійсь її складовій частині, яка лежить в основі статевого недорозвинення у жінок. Сумарна частота Х-моносомія становить 0,7:1000 новонароджених дівчаток [6].

Основною клініко-цитогенетичною формою Х-моносомії є синдром Шерешевського-Тернера. Постановка діагнозу цього синдрому можлива лише в тому випадку, якщо у хворої є три групи відхилень: недорозвинення статевих ознак; вроджені вади розвитку соматичні; низький зріст [6].

Геномні мутації 

Геномні мутації – поліплоїдія – у людини рідкісне явище. Описано рідкісні триплоїди і тетраплоїди в основному серед спонтанно абортованих ембріонів чи плодів і серед мертвонароджених. Новонароджені з такими порушеннями живуть кілька днів (не більше 10) [8].

Отже, мутаційний процес є причиною різноманітних спадкових захворювань.

 

2. . Значення мутацій для практики сільського господарства і селекції

 

Застосування досягнень  генетичної інженерії в сільському господарстві дуже широке. Це виробництво харчового і кормового білка, утилізація речовин, шкідливих для навколишнього середовища, створення технологій безвідходного виробництва, отримання біогазу, виведення високопродуктивних порід тварин, нових сортів рослин, стійких до хвороб, гербіцидів, комах, стресових впливів [18].

 Селекціонери завжди  шукали мутантів з якимись  корисними ознаками, відбирали і  розмножували їх. Однак спонтанні  мутації виникають дуже рідко.  Використання мутагенів дозволило  прискорити виникнення різноманітних  мутантів в сотні разів. Це  дає багато нового матеріалу  для роботи селекціонера. Наприклад, використання іонізуючих випромінювань в селекції сільськогосподарських рослин дозволило отримати нові сорти невилягаючих ячменю, пшениці, гороху, квасолі, томатів та ін. [14]

 При використанні мутагенів  у рослин обробляють певну  частину рослини. Так, опромінюють  зазвичай насіння. Для більшості культурних рослин дози встановлені [13].

Отримання нових сортів інтенсивного типу можливе, зокрема, за допомогою  хімічних мутагенів. Вплив мутагенними  факторами на вихідні форми збільшує частоту мутацій і дозволяє створити багатий селекційний матеріал, що володіє комплексом цінних господарських  ознак і властивостей [13].

Яскравий приклад використання хімічних мутагенів – створення поліплоїдних сортів рослин. Люди завжди намагалися розводити ті рослини, які мали особливо великі плоди або давали великий урожай. У багатьох випадках такими властивостями володіють поліплоїди. Як виявилося, до них відноситься багато культурних рослин: пшениця, овес, картопля, цукровий очерет, слива, вишня та ін. Хімічні мутагени дозволили отримувати поліплоїди штучно. Так, наприклад, В. В. Сахаров одержав тетраплоїдну гречку, високоврожайний сорт з великими насінням [7].

Можливість отримання  поліплоїдів важлива ще тому, що дозволяє здійснювати схрещування рослин, що відносяться до різних видів і мають різне число хромосом. Цим методом було отримано безліч нових сортів різних рослин. Так, наприклад, існують дикі сорти картоплі, стійкі до різних захворювань, але дають маленький урожай. Оскільки у них інше число хромосом, вони не схрещуються з культурними сортами [1].

 Н. А. Лебедєва отримала штучні поліплоїди картоплі, що дозволило схрестити дикі сорти з культурними і одержати картоплю, що стійка до багатьох видів захворювань (викликаних паразитичними грибами, вірусами) і в той же час дає великий урожай, володіє високими смаковими якостями і добре зберігається [18].

 Штучно отримані поліплоїди були використані і в селекції декоративних рослин. Так отримані нові сорти тюльпанів, троянд, хризантем та інших рослин з особливо великими і яскравими квітами і тривалим терміном цвітіння [18].

В даний час в сільському господарстві використовуються поліплоїди, штучно отримані більш ніж у 500 видів рослин, зокрема у цукрових буряків, жита, люцерни, конюшини, кавуна, яблуні, груші та ін. [18].

Вивчення мутацій дозволило  з'ясувати мутагенну дію різних видів радіації і хімічних речовин, розробити норми допустимого  вмісту мутагенів у навколишньому  середовищі і вести цілеспрямований  пошук захисних засобів від мутагенів [11].

 Еуплоідія – це зміна числа хромосом, кратна 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 нередукованих гамет, злиття яких з гаплоїдними дає початок триплоїдним організмам [12].

Наведемо один з багатьох можливих прикладів використання хромосомних мутацій для практичних цілей сільського господарства. Відомо, що кокони самців шовковичного шовкопряда дають приблизно на 30% більше шовку, ніж кокони самок. Якщо можна було б відібрати гусениць, з яких потім виведуться самці, і вигодовувати тільки їх, то збільшилася б отримання шовку. Це завдання було вирішено В. А. Струнниковим. Яйця шовкопряда, з яких виводяться гусениці і чоловічої і жіночої статі, мають темний колір. Був знайдений домінантний алель білого забарвлення яєць. За допомогою опромінення Струнников домігся того, що шматочок аутосома з домінантним алелем відокремився від своєї хромосоми. Цей уламок або губився при діленнях клітини, або приклеювався до якої-небудь хромосоми. Струнников вибрав тих метеликів, у яких цей уламок приклеївся до статевої хромосомі W (нагадаємо, що у самців шовкопряда дві статеві хромосоми ZZ, а у самок - ZW). Таким чином, яйця, які містили хромосому W і з яких повинні були виводитися самки, мали білий колір, а яйця з хромосомами ZZ - темний. Це дало можливість відбирати яйця, з яких розвивалися гусениці тільки чоловічої статі [14].