Какие мутации называют спонтанными? Если перевести термин на доступный язык, то это естественные ошибки, возникающие в процессе взаимодействия генетического материала с внутренней и/или внешней средой. Такие мутации, как правило, случайны. Они наблюдаются и в половых, и в других клетках тела.
Экзогенные причины мутаций
Спонтанная мутация может возникнуть под воздействием химических веществ, радиации, под действием высоких или низких температур, разреженного воздуха или высокого давления. Ежегодно человек в среднем поглощает около одной десятой рада ионизирующего излучения, что составляет естественный радиационный фон. В это число входит гамма-излучения ядра Земли, солнечный ветер, радиоактивность элементов, залегающих в толще земной коры и растворенных в атмосфере. Полученная доза зависит также от того, где именно находится человек. Четверть всех спонтанных мутаций случается именно по вине этого фактора.
Ультрафиолетовое излучение, вопреки расхожему мнению, играет незначительную роль в возникновении поломок ДНК, так как не может проникнуть глубоко внутрь тела человека. Но кожа часто страдает от избыточной инсоляции (меланома и другие виды рака). Однако одноклеточные организмы и вирусы мутируют под воздействием солнечного света. Слишком высокие или низкие температуры тоже способны вызывать изменения в генетическом материале.
Эндогенные причины мутаций
Основными причинами, при которых может возникнуть спонтанная мутация, остаются эндогенные факторы. К ним относятся побочные продукты метаболизма, ошибки в процессе репликации, репарации или рекомбинации и другие.
- спонтанные транзиции и инверсии азотистых оснований;
- неправильное устройство нуклеотидов из-за ошибок ДНК-полимераз;
- химическая замена нуклеотидов, например, гуанин-цитозина на аденин-гуанин.
- мутации в генах, ответственных за репарации отдельных участков цепи ДНК после их разрыва под воздействием внешних факторов.
- сбои в процессах кроссинговера при мейозе или митозе приводит к выпадению и достраиванию оснований.
Это основные факторы, вызывающие спонтанные мутации. Причины сбоев могут заключаться в активации генов-мутаторов, а также преобразования безопасных химических соединений в более активные метаболиты, которые влияют на ядро клетки. Кроме того, существуют структурные факторы. К ним относятся повторы последовательности нуклеотидов вблизи от места перестройки цепи, наличие дополнительных участков ДНК, схожих по структуре с геном, а также подвижные элементы генома.
Патогенез мутации
Спонтанная мутация возникает в результате влияния всех перечисленных выше факторов, влияющих вместе или раздельно в определенный период жизни клетки. Существует такой феномен, как скользящее нарушение спаривания дочерней и материнской нитей ДНК. В результате этого часто образуются петли из пептидов, которые не смогли адекватно встроиться в последовательность. После удаления лишних участков ДНК с дочерней цепи петли могут как резецироваться (делеции), так и встраиваться (дупликации, инсерции). Появились изменения закрепляются в последующих циклах деления клетки.
Скорость и количество возникающих мутаций зависят от первичной структуры ДНК. Некоторые ученые считают, что абсолютно все последовательности ДНК обладают мутагенностью, если они образуют изгибы.
Наиболее распространены спонтанные мутации
Почему же чаще всего проявляются в генетическом материале спонтанные мутации? Примеры подобных состояний – это потеря азотистых оснований и удаления аминокислот. Особенно чувствительными к ним считаются цитозиновые остатки. Доказано, что на сегодняшний день более чем у половины позвоночных животных является мутация цитозиновых остатков. После дезаминирования метилцитозин меняется на тимин. Дальнейшее копирование этого участка повторяет ошибку или удаляет ее или удваивает и мутирует в новый фрагмент. Еще одной причиной частых спонтанных мутаций, считают большое количество псевдогенов. Из-за этого в процессе мейоза могут образовываться неровные гомологичные рекомбинации. Следствием этого являются перестройки в генах, повороты и удвоение отдельных нуклеотидных последовательностей.
Полимеразная модель мутагенеза
Согласно этой модели, спонтанные мутации возникают в результате случайных ошибок молекул, синтезируют ДНК. В первый раз подобная модель была представлена Бреслером. Он высказал предположение, что мутации появляются в результате того, что полимеразы в некоторых случаях встраивают в последовательность некомплиментарные нуклеотиды. Спустя годы, после длительных проверок и экспериментов, эта точка зрения была одобрена и принята в научном мире. Были даже выведены определенные закономерности, которые позволяют ученым контролировать и направлять мутации, подвергая воздействию ультрафиолета определенные участки ДНК. Так, например, выяснили, что напротив поврежденного триплета чаще всего встраивается аденин.
Таутомерная модель мутагенеза
Еще одна теория, которая объясняет спонтанные и искусственные мутации, была предложена Уотсоном и Криком (первооткрывателя структуры ДНК). Они предположили, что в основе мутагенеза лежит способность некоторых оснований ДНК превращаться в таутомерные формы, которые изменяют способ соединения оснований.
После опубликования гипотеза активно разрабатывалась. Были обнаружены новые формы нуклеотидов после облучения ультрафиолетом. Это дало ученым новые возможности для исследований. Современная наука до сих пор дискутирует о роли таутомерных форм в спонтанный мутагенез и его влияние на количество выявленных мутаций.
Другие модели
Спонтанная мутация возможна при нарушении узнавания ДНК-полимеразами нуклеиновых кислот. Полтаевым и соавторами был выяснен механизм, который обеспечивает соблюдение принципа комплементарности при синтезе дочерних молекул ДНК. Эта модель позволила изучить закономерности появления спонтанного мутагенеза. Ученые объяснили свое открытие тем, что главной причиной изменения структуры ДНК является синтез неканонических пар нуклеотидов. Они предположили, что замета оснований происходит через дезаминирование участков ДНК. Это приводит к изменению цитозина на тимин или урацил. Из-за таких мутаций образуются пары несовместимых нуклеотидов. Поэтому при следующей репликации происходит транзиция (точечная замена нуклеотидных оснований).
Классификация мутаций: спонтанные
Есть различные классификации мутаций в зависимости от того, какой именно критерий лежит в их основе. Существует деление по характеру изменения функции гена: - гипоморфные (мутированные аллели синтезируют меньше белков, но они похожи на оригинальные);
- аморфные (ген полностью утратил свои функции);
- антиморфные (мутированный ген полностью меняет тот признак, который представляет);
- неоморфные (появляются новые признаки). Но более распространена классификация, которая делит все мутации пропорционально переменной структурой. Выделяют: 1. Геномные мутации. К ним относятся полиплоидия, то есть образование генома с тройным и более набором хромосом и анеуплоидия – число хромосом в геноме не кратное гаплоидному.
2. Хромосомные мутации. Наблюдаются значительные перестройки отдельных участков хромосом. Различают потерю информации (делецию), удвоение (дупликацию), изменение направленности нуклеотидных последовательностей (инверсию), а также опрокидывания участков хромосом на другое место (транслокацию).
3. Генная мутация. Наиболее часто встречается мутация. В цепи ДНК происходит замена нескольких случайных азотистых оснований.
Последствия мутаций
Спонтанные мутации - причины возникновения опухолей, болезней накопления, дисфункций органов и тканей человека и животных. Если мутировавшая клетка располагается в большом многоклеточном организме, то с большой долей вероятности она будет уничтожена путем запуска апоптоза (запрограммированная смерть клетки). Тело контролирует процесс сохранения генетического материала и с помощью иммунной системы, избавляется от всех возможных поврежденных клеток. В одном случае из сотен тысяч Т-лимфоциты не успевают распознать пораженную структуру, и она дает клон клеток, которые также содержат мутированный ген. Конгломерат клеток имеет уже другие функции, вырабатывает токсичные вещества и негативно влияет на общее состояние организма. Если мутация произошла не в соматической, а в половой клетке, то изменения будут наблюдаться у потомков. Они оказываются врожденными патологиями органов, уродствами, нарушениями обмена и болезнями накопления.
Спонтанные мутации:
В некоторых случаях, которые раньше казались бесполезными мутации могут быть полезные для приспособления к новым условиям жизни. Это представляет мутацию как мерило естественного отбора. Животные, птицы и насекомые имеют камуфляжную окраску, соответствующую местности проживания, чтобы защитить себя от хищников. Но если меняется их ареал обитания, то с помощью мутаций природа пытается защитить вид от вымирания. В новых условиях выживают наиболее приспособленные и передают эту способность другим. Мутация может происходить в неактивных участках генома, и тогда видимых изменений фенотипа не наблюдается. Выявить «поломку» можно только с помощью специфических исследований. Это необходимо для изучения происхождения и родственных видов животных и их составление генетических карт.
Проблема спонтанности мутаций
В сороковые годы прошлого века существовала теория, что мутации вызываются исключительно влиянием внешних факторов и помогают к ним приспособиться. Для того чтобы проверить эту теорию, был разработан специальный тест и метод повторений. Процедура заключалась в том, что небольшое количество бактерий одного вида высевали в пробирки и после нескольких прививаний добавляли к ним антибиотики. Часть микроорганизмов выживала, и их переносили на новую среду. Сравнение бактерий из разных пробирок показало, что устойчивость возникала спонтанно, как до контакта с антибиотиком, так и после него. Метод повторений заключался в том, что на ворсистую ткань переносились микроорганизмы, а затем переносились на несколько чистых сред. Новые колонии культивировали и обрабатывали антибиотиком. В результате в разных пробирках выживали бактерии, расположенные на одинаковых участках среды.
· Спонтанные (самопроизвольные)
· Индуцированные (известен фактор)
Хромосомная аберрация - мутация, изменяющая структуру хромосом. При хромосомных аберрациях происходят внутри хромосомные перестройки:
Теряется участок хромосомы; или
Удваивается участок хромосомы (ДНК-дупликация); или
Переносится участок хромосомы с одного на другое место; или
Сливаются участки разных (негомологичных) хромосом или целые хромосомы.
Генные мутации – изменение в структуре гена.
· Мутации по типу замены азотистых оснований.
· Мутации со сдвигом рамки считывания.
· Мутации по типу инверсии нуклеотидных последовательностей в гене.
Геномные мутации – изменение числа хромосом. (Полиплоидия - увеличение диплоидного числа хромосом, путем добавления целых хромосомных наборов; автоплоидия – умножение хромосом одного генома, алаплоидия – умножение числа хромосом двух разных геномов, гетероплоидия – число хромосом может измениться и становиться некратным гаплоидному набору (трисомия – хромосома вместо того, чтобы быть парной становиться в тройном числе, моносомия – утрата хромосомы из пары)).
Генетическая инженерия (генная инженерия) - совокупность приёмов, методов и технологий получения рекомбинантных РНК и ДНК, выделения генов из организма (клеток), осуществления манипуляций с генами и введения их в другие организмы. Генетическая инженерия не является наукой в широком смысле, но является инструментом биотехнологии.
Цитоплазматическая наследственность - внеядерная наследственность, которая осуществляется с помощью молекул ДНК, расположенных в пластидах и митохондриях. Генетическое влияние цитоплазмы проявляется, как следствие взаимодействия плазмона с ядерными генами. Признак, определяемый цитоплазмой, передается только по материнской линии.
Наследственность и среда. В генетической информации заложена способность развития определенных свойств и признаков. Эта способность реализуется лишь в определенных условиях среды. Одна и та же наследственная информация в измененных условиях может проявляться по-разному. Наследуется не готовый признак, а определенный тип реакции на воздействие внешней среды. Диапазон изменчивости в пределах которой в зависимости от условий среды один и тот же генотип способен давать различные фенотипы называется нормой реакции .
Аллели - различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологичных (парных) хромосом; определяют варианты проявления одного и того же признака. В диплоидном организме может быть два одинаковых аллеля одного гена, в этом случае организм называется гомозиготным, или два разных, что приводит к гетерозиготному организму.
Взаимодействие аллельных генов
1. Доминирование - это такое взаимодействие аллельных генов, при котором проявление одного из аллелей не зависит от присутствия в генотипе другого аллеля, и гетерозиготы не отличаются фенотипически от гомозигот по этому аллелю.
2. Промежуточное наследование - (отсутствие доминирования) потомство F 1 сохраняет единообразие, но не является похожим полностью ни на одного из родителей, а обладает признаком промежуточного характера.
3. Неполное доминирование - у гибридов F 1 признак занимает не среднее положение, а уклоняется в сторону родителя с доминирующим признаком.
4. Сверхдоминирование - у гибридов F 1 проявляется гетерозис (превосходство над родителями по жизнеспособности, энергии роста, плодовитости, продуктивности).
5. Аллельное дополнение (межаллельная комплементация) - дополняющее друг друга действие двух аллелей одного гена или разных генов одного хромосомного набора. Относится к редким способам взаимодействия аллельных генов.
6. Аллельное исключение - такой вид взаимодействия аллельных генов в генотипе организма, при котором происходит инактивация (инактивация - частичная или полная потеря биологически активным веществом или агентом своей активности) одного из аллелей в составе хромосомы.
Таким образом, даже процесс формирования элементарного признака зависит от взаимодействия, по меньшей мере, двух аллельных генов, и конечный результат определяется конкретным сочетанием их в генотипе.
Взаимодействие неаллельных генов
Комплементарность - одна из форм взаимодействия неаллельных генов. Она заключается в том, что для развития каких-либо признаков необходимо наличие в генотипе 2 доминантных генов из разных неалльных пар. При этом каждый из комплементарных генов не обладает возможностью обеспечить развитие данного признака. (В таких случаях в поколении F2 расщепление идет в соотношении 9:7, что является модификацией менделеевской формулы расщепления 9:3:3:1)
Эпистаз - взаимодействие генов, при котором активность одного гена находится под влиянием вариаций других генов. Ген, подавляющий фенотипические проявления другого, называется эпистатичным; ген, чья активность изменена или подавлена, называется гипостатичным.
Полимерия - (аддитивное взаимодействие генов) - тип взаимодействия генов, при котором степень развития количественного признака определяется влиянием нескольких генов, действующих сходным образом (полимерные гены).
Экспрессивность - степень выраженности признака, зависящую от дозы соответствующих аллелей.
Пенетрантность - показатель фенотипического проявления аллеля в популяции особей, являющихся его носителями. Выражается в процентах.
Полигенность - наличие нескольких неаллельных близкосцепленных генов, белковые продукты которых сходны в структурном отношении и выполняют идентичные функции.
Плейотропия - явление множественного действия гена. Выражается в способности одного гена влиять на несколько фенотипических признаков. Таким образом, новая мутация в гене может оказать влияние на некоторые или все связанные с этим геном признаки. Этот эффект может вызвать проблемы при селективном отборе, когда при отборе по одному из признаков лидирует одна из аллелей гена, а при отборе по другим признакам - другая аллель этого же гена.
Фенокопии - изменения фенотипа (похожие на мутации) под влиянием неблагоприятных факторов среды. В медицине фенокопии - ненаследственные болезни, сходные с наследственными.
Мать во время беременности болела краснухой, то у ребенка расщелина губы и неба. Это пример фенокопии, т.к. этот признак развивается при отсутствии мутантного гена, определяющего данную аномалию. Этот признак не будет наследоваться.
Лица, страдающие диабетом, но регулярно, аккуратно принимающие инсулин- фенокопия здоровых людей.
Генокопии - сходные изменения фенотипа, обусловленные мутациями разных неаллельных генов. С наличием генокопий связана генетическая неоднородность (гетерогенность) наследственных заболеваний. Пример - различные виды гемофилии, клинически проявляющиеся понижением свертываемости крови на воздухе. Эти разные по генетическому происхождению формы, связанные с мутациями неаллельных генов.
Гемофилия А вызвана мутацией гена, контролирующего синтез фактора 8 (антигемофильного глобулина), а причиной гемофилии В является дефицит фактора 9 свертывающей системы крови
10 Близнецовый метод в генетике. Виды монозиготных близнецов. Родословные карты и стратегия их анализа. Наследственная предрасположенность к заболеваниям. Роль наследственности и среды в формировании фенотипических признаков
Монозиготные близнецы – две плаценты и два зародышевых мешка 20-30% от всех. Минимальные нарушения
Плацента общая но у каждого свой зародышевый мешок
Mono mono
Общая плацента общий зародышевый мешок. Наибольший процент нарушений, т.к. высока конкуренция между ними.
Химеризация хромосом (мозаизм) – в образовании зародыша принимает участие 4 клетки: 2 слившихся в раннем эмбриогенезе зиготы. Часть тканей имеет гены одной зиготы, часть – другой.
Полуидентичные близнецы – одна яйцеклетка, два сперматозоида. Суперфетация – 2 яйцеклетки оплодотворены 2 разными спермиями (Вероятность разного отцовства – гетеросуперфетация. В межрасовом браке возможно рождение микс-близнезов.)
Близнецовый метод.
Этот метод используют в генетике человека для выяснения степени наследственной обусловленности исследуемых признаков. Близнецы могут быть однояйцовыми (образуются на ранних стадиях дробления зиготы, когда из двух или реже из большего числа бластомеров развиваются полноценные организмы). Однояйцовые близнецы генетически идентичны. Когда созревают и затем оплодотворяются разными сперматозоидами две или реже большее число яйцеклеток, развиваются разнояйцовые близнецы. Разнояйцовые близнецы сходны между собой не более чем братья и сестры, рожденные в разное время. Частота появления близнецов у людей составляет около 1% (1/3 однояйцовых, 2/3 разнояйцовых); подавляющее большинство близнецов является двойнями.
Так как наследственный материал однояйцовых близнецов одинаков, то различия, которые возникают у них, зависят от влияния среды на экспрессию генов. Сравнение частоты сходства по ряду признаков пар одно- и разнояйцовых близнецов позволяет оценить значение наследственных и средовых факторов в развитии фенотипа человека.
Монозиготные близнецы образуются из одной зиготы, разделившейся на стадии дробления на две (или более) части. Они обладают одинаковыми генотипами. Монозиготные близнецы всегда одного пола.
Особую группу среди однояйцевых близнецов составляют необычные типы: двухголовые (как правило, нежизнеспособные) и ксифопаги («сиамские близнецы»). Наиболее известный случай - родившиеся в Сиаме (ныне Таиланд) сиамские близнецы - Чанг и Энг. Они прожили 63 года, были женаты на сестрах-близнецах. Когда от бронхита умер Чанг, спустя 2 часа умер и Энг. Их связывала тканевая перемычка от грудины до пупка. Позднее было установлено, что соединявшая их перемычка содержала печеночную ткань, связывающую две печени. Разделить близнецов на тот момент не представлялось возможным. В настоящее время разъединяют и более сложные связи между близнецами.
Изучение однояйцевых близнецов помогает понять, что и как в человеке определяется генами, а что - нет.
Дизиготные близнецы развиваются в том случае, если одновременно две яйцеклетки оплодотворены двумя сперматозоидами. Естественно, дизиготные близнецы имеют различные генотипы. Они сходны между собой не более, чем братья и сестры, т.к. имеют около 50 % идентичных генов.
Родословная (синоним генеалогия) - описание родственных отношений изучаемого лица, представленное, как правило, в виде схемы с использованием общепринятых условных обозначений.
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 факторы подразделяются нафизические ,химические ибиологические .
Частота спонтанных мутаций одного гена составляет, для каждого гена каждого организма она своя.
Причины спонтанных мутаций не 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 возрастом последствия от воздействия естественного радиационного фона могутнакапливаться, и у человека от 10 до 25% спонтанных мутаций связаны с этим.
Второй причиной спонтанных мутаций являютсяслучайные повреждения хромосом и генов во время деления клетки и репликации ДНК вследствиеслучайных ошибок в функционировании молекулярных механизмов.
Третьей причиной спонтанных мутаций являетсяперемещение по 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;
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 В 12 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.
До сих пор речь шла о спонтанных мутациях, т.е. происходящих без какой-либо известной причины. Возникновение мутаций – процесс вероятностный, и, соответственно, существует набор факторов, которые на эти вероятности влияют и изменяют их. Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенами, а процесс изменения вероятностей появления мутации – индуцированном. Мутации, возникающие под влиянием мутагенов, называют индуцированными мутациями.
В современном технологически сложном обществе люди подвергаются воздействию самых разных мутагенов, поэтому изучение индуцированных мутаций приобретает все большее значение.
К физическим мутагенам относятся все виды ионизирующих излучений (гамма- и рентгеновские лучи, протоны, нейтроны и др.), ультрафиолетовое излучение, высокие и низкие температуры; к химическим – многие алкилирующие соединения, аналоги азотистых оснований нуклеиновых кислот, некоторые биополимеры (например, чужеродные ДНК и РНК), алкалоиды и многие другие химические агенты. Некоторые мутагены увеличивают частоту мутаций в сотни раз.
К числу наиболее изученных мутагенов относятся радиация высоких энергий и некоторые химические вещества. Радиация вызывает такие изменения в геноме человека, как хромосомные аберрации и потерю нуклеотидных оснований. Частота встречаемости мутаций половых клеток, индуцированных радиацией, зависит от пола и стадии развития половых клеток. Незрелые половые клетки мутируют чаще, чем зрелые; женские половые клетки – реже, чем мужские. Кроме того, частота мутаций, индуцированных радиацией, зависит от условий и дозы облучения.
Соматические мутации, возникающие в результате радиации, представляют собой основную угрозу населению, поскольку часто появле ние таких мутаций служит первым шагом на пути образования раковых опухолей. Так, одно из наиболее драматических последствий Чернобыльской аварии связано с возрастанием частоты встречаемости разных типов онкологических заболеваний. Например, в Гомельской области было обнаружено резкое увеличение числа детей, больных раком щитовидной железы. По некоторым данным, частота этого заболевания сегодня по сравнению с доаварийной ситуацией увеличилась в 20 раз.
В начале 50-х годов ХХ века была обнаружена возможность замедления или ослабления темпов мутирования с помощью некоторых веществ. Такие вещества назвали антимутагенами. Выделено около 200 природных и синтетических соединений, обладающих антимутагенной активностью: некоторые аминокислоты (аргинин, гистидин, метианин), витамины (токоферол, аскорбиновая кислота, ретинол, каротин), ферменты (пероксидаза, НАДФ-оксидаза, каталаза и др.), комплексные соединения растительного и животного происхождения, фармокологические средства (интерферон, оксипиридины, соли селена и др.).
Подсчитано, что с пищей человек получает в день несколько граммов веществ, способных вызвать генетические нарушения. Такие количества мутагенов должны вызывать существенные поражения в наследственных структурах человека. Но этого не происходит, т. к. антимутагены пищи нейтрализуют эффекты мутагенов. Соотношение антимутагенов и мутагенов в продуктах зависит от способа приготовления, консервирования и сроков хранения. Антимутагенами бывают не только компоненты, но и пищевые продукты в целом: экстракты различных видов капусты уменьшают уровень мутаций в 8 – 10 раз, экстракт яблок – в 8 раз, винограда – в 4 раза, баклажана – в 7, зелёного перца – в 10, а мятного листа – в 11 раз. Среди лекарственных трав отмечено антимутагенное действие зверобоя.
Вопросы для обсуждения:
1. Участок гена, кодирующий полипептид, имеет в норме следующий порядок основания: ААГСААСААТТАГТААТГААГЦААЦЦЦ. Какие изменения произойдут в белке, если во время репликации в шестом кодоне появилась вставка тимина между вторым и третьим нуклеотидами?
2. На участке гена, кодирующего полипептид последовательность нуклеотидных оснований следующая: ГААЦГАТТЦГГЦЦАГ. Произошла инверсия на участке второго – седьмого нуклеотида. Определите структуру полипептидной цепи в норме и после мутации.
Мутации могут возникать спонтанно или в результате индуцирования. В селекционных программах могут использоваться оба типа наследственной изменчивости.
Имеющаяся у кукурузы огромная естественная изменчивость возникла вследствие спонтанных мутаций, происходивших в течение бесчисленных поколений в прошлом. Значительная часть селекционной работы по кукурузе основана на использовании спонтанных мутаций, имеющих хозяйственное значение. В их число входят мутации, изменяющие набор аминокислот, например opaque-2, floury-2, и мутации, изменяющие тип крахмала - waxy и sugary 2 и т. д. Хотя у кукурузы накоплено большое число спонтанных мутаций, они обычно появляются недостаточно часто для того, чтобы обеспечить количество и типы изменчивости, необходимые в селекционных программах. Поэтому при попытке получения высокой частоты благоприятных индуцированных мутаций используются различные мутагенные агенты.
Спонтанные и индуцированные хромосомные аберрации в основном одинаковы. Однако для селекционера из всех типов мутаций наибольшую ценность имеют истинные изменения молекулярной структуры или истинно генные мутации. Несмотря на тщательно проведенные эксперименты, абсолютно убедительных доказательств появления индуцированных истинно генных мутаций у кукурузы не обнаружено.
Меллер в Техасе и Стадлер в Миссури, первыми исследуя действие рентгеновского облучения на растениях и животных, установили, что частота мутирования может быть резко увеличена. У растений мутации индуцировались путем обработки пыльцы, молодых зародышей или семян. Обработка включала рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, радий, температуру, электричество, иприт, химические вещества, гамма-облучение и старение семян.
Мутабильные системы могут использоваться в качестве инструментов для селекции растений. Мутабильная система содержит подобный гену компонент или контролирующий элемент, который модифицирует и контролирует действие генов. Доллингер разработал метод, который позволяет использовать мутабильную систему для селекции растений. Мутации могут быть доминантными или рецессивными. Он обрисовал метод для отбора устойчивых к стеблевой гнили растений в сбзданных инбредных линиях кукурузы и предположил, что этот же общий метод может быть использован для изменения действия генов в локусах, контролирующих другие признаки.
Рассел и др. получили сравнимые величины скоростей мутирования в длительно инбридируемых линиях, полученных и поддерживаемых при непрерывном самоопылении и отборе. В каждой из шести групп исследований материал состоял из 31 потомства, представляющего пять размножаемых по дихотомической схеме поколений. Оценка скорости мутирования была 2,8 мутаций на 100 исследованных гамет.
Балинт и Сутка сообщили об индуцированных мутантах инбредных линий кукурузы. Об изменениях среди длительно инбридируемых линий кукурузы сообщали Флеминг и др., Флеминг, Эль-Эрьяни и Флеминг, Хиггс и Рассел, Гроген и Франсис. О фенотипической стабильности систематических серий генотипов кукурузы-сообщили Роу и Эндрю. Гибридная выраженность мутаций, влияющих на количественные признаки в инбредных линиях, обсуждалась Бушем и Расселом.
Селекционеры кукурузы исследовали большое количество комбинаций генных мутаций, влияющих на свойства семян. О фенотипах зерен с несколькими генными мутациями и их взаимодействии сообщали Крамер, Пфалер и Вистлер и Крич. Гарвуд и Крич описали фенотипы зерен кукурузы, несущих от одного до четырех мутантных генов.
Смит и фон Борстель сообщали об индуцированных и генетически созданных механизмах получения доминантных летальных мутаций и о путях их использования для уничтожения или регулирования популяций вредителей. В их статье обсуждаются:
1. Индуцированная радиацией доминантная летальность.
2. Создаваемая доминантная летальность.
3. Контроль популяции при помощи индуцированной доминантной летальности.
4. Контроль популяции посредством создаваемой доминантной летальности.
5. Контроль популяции на базе индуцированной наследственной стерильности.
6. Контроль популяции на основе искусственной наследственной частичной стерильности.
7. Рецессивные условно летальные мутации.
8. Доминантные условно летальные мутации.
9. Условно летальные мутации: генетическая «бомба замедленного действия».
10. Кинетика уменьшения популяции при помощи мужской стерильности.
11. Специальные проблемы и условия.
Индуцирование генетических изменений улучшается при совместном использовании двух факторов: чувствительности методов обнаружения и выявления и эффективного применения вызывающих мутации агентов или мутагенов.
Первые эксперименты показали, что частота индуцируемых мутаций сильно зависит от дозы облучения: чем выше доза, тем больше частота мутаций. Эта связь между облучением и мутированием была интерпретирована в том смысле, что ген является «мишенью», а его мутации вызываются отдельными «попаданиями» радиации. Существуют доказательства того, что только одна теория мишеней далее не может удовлетворительно-объяснять эффекты радиации.
Мутагенные агенты и интерпретацию их действия обсуждали Сперроу, Ауэрбах, Хаас, Доудни и Када.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .