МУТАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

 

1. Понятия о мутациях и их классификация. Изменчивость организмов является одним из главных факторов эволюции. Биологи различают наследственную и ненаследственную изменчивость. К наследственной изменчивости относят комбинационную и мутационную, а к ненаследственной – модификационную.

Комбинационная форма изменчивости представляет собой новое сочетание генов, которые были раньше у родителей и более далеких предков. При комбинациях не происходит образование новых и исчезновение старых признаков.

Мутационная форма изменчивости связана с изменением наследственных структур организма. В результате мутаций возникают новые варианты генов и изменения в структуре хромосом. При мутациях проявляются новые наследственные признаки организма.

При модификациях система наследственных задатков остается без изменений. Признаки и свойства организмов изменяются под действием условий среды. Например, при недокорме животных продуктивность их снижается, но при хорошем кормлении этот показатель в следующих поколениях восстановится до исходного значения.

Ниже мы более подробно остановимся на мутационной форме изменчивости, так как источником появления новых наследственных особенностей организмов служат в основном мутации. Мутации – это резкие, скачкообразные изменения наследственности, связанные с перестройкой генетического аппарата клетки, ее генетической информации, что приводит к наследственным изменениям признаков и свойств организма. Впервые термин «мутация» был предложен Г. де-Фризом. Процесс возникновения мутаций называет мутагенезом. Особи с новыми свойствами, появившимися в результате мутаций, получили название мутантов.

Мутации возникают в любом периоде жизни организма, начиная с гаметы и зиготы и кончая старостью. Они обнаруживаются по проявлению наследственных изменений признаков и свойств организма и служат основой наследственной изменчивости. Мутации могут изменять хозяйственно-полезные, морфологические, физиологические и биохимические особенности организма (изменение продуктивности и окраски, внутренних органов, антигенов крови, активности ферментов и др.). Изменения генетического аппарата, т.е. генов и хромосом, могут произойти в половых или соматических клетках. Мутации, которые затрагивают половые клетки, называются генеративными, а мутации, произошедшие в соматических клетках, – соматическими. Примером соматических мутаций являются раковые опухоли. Эти мутации не передаются по наследству и прекращают свое существование со смертью организма.

Возникающие при мутациях изменения могут быть полезными, нейтральными или вредными для организма. В большинстве случаев они являются вредными, так как нарушают сложившийся в процессе эволюции и приспособленный к условиям среды генотип. Мутации бывают доминантными (комолость скота, курчавость кур и т.д.) и рецессивными. Рецессивные мутации проявляются в потомстве не сразу, а через несколько поколений, когда перейдут в гомозиготное состояние. Примером рецессивных мутаций у животных служат карликовость, коротконогость у анконских овец, платиновая окраска у лисиц, бесшерстность, альбинизм и др.

Мутации, появляющиеся в дикой природе и у домашних животных без видимых причин, называются спонтанными. Мутации могут быть вызваны и воздействием на организм физических или химических факторов. Такие мутации называют индуцированными.

Существует много типов классификаций мутаций. Однако более полно отражает сущность мутационного процесса классификация по характеру изменений генотипа. По этой классификации мутации разделяют на три типа: геномные, хромосомные и генные.

Геномные мутации. Эти мутации связаны с количественными изменениями в хромосомных наборах (геномах). Они подразделяются на два типа: изменение в числе наборов хромосом (полиплоидия) и изменение в числе хромосом одного набора (гетероплоидия).

Полиплоиды – это организмы, все клетки которого содержат кратно увеличенное число хромосом. В зависимости от кратности увеличения их числа выделяют несколько типов полиплоидов. Если обозначить гаплоидный набор хромосом буквой n, то обычный организм имеет в соматических клетках диплоидный набор – 2n. При полиплоидии же возникают формы 3n – триплоиды, 4n – тетраплоиды, 5n – пентаплоиды, 6n – гексаплоиды и т.д. Полиплоидные формы возникают в результате мутаций, связанных с нарушением расхождения хромосом при делении клетки. Мутация типа полиплоидии типична для растительных организмов. У животных увеличением числа хромосом приводит к серьезным нарушениям и летальному исходу. Наблюдается эта мутация среди соматических клеток. Более часто встречаются полиплоидные клетки в интенсивно работающих органах и тканях и при старении организма.

У растений известно много полиплоидных форм. Увеличение плоидности приводит к изменению фенотипа. Обычно увеличиваются размеры ядер и клеток, поэтому с повышением уровня плоидности часто увеличиваются размеры растений и отдельных органов. Каждому биологическому виду растений присущ оптимальный уровень плоидности, которому соответствует более высокий урожай биомассы. Для большинства растений оптимальным является три- и тетраплоидный уровень. Рожь, кукуруза, просо, гречиха дают высокий урожай на тетраплоидном уровне. Полиплоиды могут также отличаться повышенной устойчивостью, например к полеганию, или более высоким содержанием полезных веществ. Отрицательной чертой многих полиплоидов является снижение их семенной продуктивности.

У растений полиплоидные формы получают, воздействуя на точки роста в период прорастания семян 0,01 – 0,3% раствором колхицина. Колхицин – это алкалоид, выделенный из безвремянника осеннего. Проникая в ткани, колхицин разрушает ахроматиновое веретено делящейся клетки, дочерние хромосомы не расходятся к полюсам, цитокенез не осуществляется, и в результате образуются полиплоидные клетки.

Гетероплоиды отличаются от диплоидных организмов тем, что у них нормальный диплоидный набор хромосом увеличен или уменьшен на одну, реже – на две или несколько хромосом. Особей, имеющих одну хромосому в тройном количестве (2n+1), называются трисомиками, а в гаплоидном числе (2n-1) – моносомиками.

Добавление или утеря хромосомы вносит заметные изменения в соотношение синтезируемых веществ, необходимых для нормального развития организма. У животных, особенно высших, гетероплоидия вносит серьезные изменения в процессы развития. Гетероплоиды у животных встречаются обычно только в случаях уменьшения или увеличения числа мелких хромосом. Добавление или утеря крупных хромосом обычно приводит к летальному исходу.

Типичной формой гетероплоидии у человека является синдром Дауна. Эта мутация связана с добавлением к нормальному набору мелких хромосом 21 пары. Появление лишней хромосомы приводит к значительным нарушениям в организме человека. У людей с этим дефектом наблюдается умственная отсталость, снижение продолжительности жизни и другие дефекты. Синдром Дауна – одно из распространенных тяжелых наследственных заболеваний; он встречается примерно у одного из каждых 700 живых новорожденных. Вероятность рождения ребенка с синдромом Дауна увеличивается с возрастом матери. У женщин старше 40 лет дети с синдромом Дауна рождаются в 40 раз чаще, чем у двадцатилетних.

Хромосомные мутации. Мутации этого рода связаны с перестройками хромосом и нарушением их структуры. Различают следующие типы хромосомных мутаций: нехватки, делеции, дупликации, инверсии, транслокации и др.

Делеции. В этом случае теряется участок в середине хромосомы. Делеции легко установить при изучении конъюгации хромосом в мейозе по наличию петель, соответствующих выпавшим участкам. Делециям свойственны примерно те же особенности, что и нехваткам. Крупные делеции обычно приводят к летальному исходу.

Дупликации. При дупликации происходит удвоение какого-либо участка хромосомы. При удвоении участка изменяются и признаки, контролируемые этими генами. Обычно дупликация не оказывает сильного влияния на фенотип особи. Вместе с тем увеличение дозы одного и того же гена может вызвать фенотипические изменения характера проявления признака, как это имеет место у дрозофилы при дупликации гена Ваг (полосковидные глаза). При дупликации данного гена уменьшается число фасеток в глазах насекомого и усиливается деформация глаз.

Инверсии. Возникают при разрыве хромосом одновременно в двух местах с сохранением внутреннего участка, который воссоединяется с этой же хромосомой после поворота на 180⁰. В этом случае изменяются группы сцепления генов. Инверсия не влияет на фенотип особи, но при этом нарушается конъюгация гомологичных хромосом в профазе мейоза.

Транслокации – обмен участками внутри хромосомы или между негомологичными хромосомами. Транслокации не изменяют числа генов в генотипе и не всегда проявляются фенотипически, но у гетерозиготных по транслокации особей нарушается конъюгация гомологичных хромосом и образуются нежизнеспособные гаметы. Известны случаи, когда две акроцентрические хромосомы соединяются в области центромер в одну хромосому. Такую мутацию называют транслокацией робертсоновского типа. Эта транслокация довольно часто встречается у сельскохозяйственных животных и приводит к бесплодию.

Генные мутации. Генными или точковыми мутациями называют изменения структуры молекулы ДНК. Эти мутации могут происходить в результате выпадения, вставки или замены одного или нескольких азотистых оснований. Генные мутации изменяют структуру белка и, как следствие, биохимические, физиологические, иммунные и другие признаки организма. Генные мутации имеют большое значение в эволюционном процессе как поставщик наследственной изменчивости.

Точковые мутации могут быть доминантными и рецессивными. Чаще встречаются рецессивные мутации. В результате длительной эволюции в каждом организме создалась определенная система взаимодействия ферментов и других белков в процессе онтогенеза. Всякая мутация в той или иной степени нарушает эту систему, в результате жизнеспособность ее носителя снижается.

Примером может служить мутация, приводящая к появлению серповидноклеточной анемии – наследственного заболевания, как правило, приводящего детей и подростков к смерти. В этом случае в эритроцитах вместо нормального гемоглобина А содержится аномальный гемоглобин S. Нарушение вызывает генная мутация в шестом нуклеотидном триплете ДНК гена гемоглобина, что приводит к замене в молекуле белка глутаминовой аминокислоты на валин.

Репарирующие системы клетки. Повреждения в ДНК, возникающие спонтанно или индуцировано, не всегда реализуются в виде мутаций. Часть из них устраняется или исправляется с помощью специальных репарирующих ферментов. Процесс восстановления первоначальной структуры и исправление повреждений молекулы ДНК называется репарацией. Наиболее изучены фотореактивация и темновая репарация.

Фоторепарация. В результате исследований было установлено, что при воздействии на молекулу ДНК бактерий ультрафиолетовыми лучами в ней образуются димеры тимина. Руперт открыл и выделил фермент, под влиянием которого димеры тимина разрушались. Причем оказалось, что активность этого фермента значительно увеличивается на свету. В последующем фотореактивирующие ферменты были открыты в клетках многих других организмов. Таким образом, под процессом фотореактивации понимают разрушение димеров тимина под действием ферментов, активных на свету, что в итоге приводит к исправлению структуры ДНК.

Темновая репарация. При темновой репарации исправляются повреждения в ДНК, вызванные химическими и физическими мутагенами. Темновая репарация протекает в несколько этапов. При этом участвуют четыре типа ферментов, последовательное действие которых исправляет повреждение одной из цепей ДНК.

1. Фермент эндонуклеаза «обследует» молекулу ДНК, узнает место повреждения и удаляет поврежденный участок.

2. Фермент экзонуклеаза расширяет поврежденный участок, удаляя из нити ДНК 500 – 1000 нуклеотидов, примыкающих к поврежденному участку.

3. Фермент ДНК-полимераза застраивает удаленный участок одной из цепей ДНК, располагая нуклеотиды комплементарно второй неповрежденной нити.

4. Фермент лигаза скрепляет вновь синтезированный участок с исходной цепью ДНК. Таким образом, осуществляется полное восстановление поврежденного участка ДНК, и она приобретает первоначальную структуру.

Репарация молекулы ДНК, как правило, протекает в период G₁ митотического цикла.

Если в молекуле ДНК на одном и том же участке одновременно повреждаются обе комплементарные нити, то это повреждение не восстанавливается и проявляется в виде генной мутации.

Закон гомологичных рядов наследственной изменчивости Н.И. Вавилова.

Н.И. Вавилов при изучении коллекций диких и культурных растений пришел к выводу о том, что, несмотря на колоссальное разнообразие видов, наследственные изменения многих их признаков происходят не бессистемно, не хаотично, а подчиняются определенной закономерности. На основании наблюдений и исследований он сформулировал закон гомологичных рядов в наследственной изменчивости. Основные положения этого закона сводятся к следующему:

1. Генетически близкие виды и роды характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть существование параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и виды, тем полнее сходство в рядах их изменчивости.

2. Целые семейства растений в общем характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, составляющие семейство.

Этот закон, как показали дальнейшие исследования ученых, имеет универсальный характер. Обнаружено сходство мутаций не только у растений, но и у животных. Так, например, у разных классов позвоночных животных встречаются сходные мутации: альбинизм, бесшерстность, карликовость, мозговая грыжа, крипторхизм и др.

Исходя из закона гомологичных рядов следует принять, что если обнаруживается ряд спонтанных или индуцированных мутаций у одного вида животного или растения, то можно ожидать сходных мутаций и у других видов этого рода. Причиной этого является сходство генотипов близких видов, так как они произошли от общего предка.

Наиболее вероятное объяснение происхождения гомологичных рядов наследственной изменчивости сводится к следующему. Родственные виды внутри одного рода, роды внутри одного отряда или семейства могли возникнуть в процессе отбора различных полезных мутаций отдельных общих генов, отбора форм с различными полезными хромосомными перестройками. Следовательно, у близких родов и видов имеется большое число одинаковых генов, а одинаковые гены изменяются сходным образом. Исследования по определению гомологичности ДНК у разных видов показали, что у человека имеется 78% сходных генов с обезьяной, 33% – с мышью, 16,7% – с кроликом и даже 2% – с кишечной палочкой.

Знание закона гомологичных рядов в наследственной изменчивости позволяет предсказать возможность появления той или иной мутации, если подобная мутация обнаружена у близкого вида.

Индуцированный мутагенез. Различают спонтанный и индуцированный мутационные процессы. Индуцированные мутации – это мутации, вызванные действием на организм известных факторов или веществ. Возникновение мутаций без установленных причин принято называть спонтанным мутационным процессом.

Впервые индуцированные мутации были получены в 1925 году Г. Надсоном и Г. Филипповым на дрожжевых грибах в результате воздействия на них лучами радия. В 1927 году Г. Меллер получил индуцированные мутации у дрозофилы. С этого времени начались интенсивные исследования проблемы целенаправленного получения мутаций. В настоящее время установлено, что мутации можно получить, воздействуя на организм физическими, химическими и биологическими мутагенами.

Физические мутагены. К этой группе относят ионизирующее излучение, ультрафиолетовые лучи, экстремальные температуры и др. Среди физических мутагенных факторов наибольшее значение имеет ионизирующее излучение (рентгеновские лучи, протоны, гамма-лучи, альфа и бета-частицы). В больших дозах ионизирующее излучение вызывает гибель клеток или всего организма. Установлено, что частота мутаций у живых организмов прямо пропорциональна дозе облучения. Кроме этого, дозы облучения имеют суммирующий эффект. Так, два облучения организма в дозе 50 Р (рентген) по количеству мутаций будут равны одинарной дозе в 100 Р. Разные формы живых существ имеют различную чувствительность к ионизирующему излучению. Доза, убивающая организм того или иного вида, называется летальной. Летальная доза облучения для человека – 600 Р, для мыши – 900 Р, а для амебы – 100000 Р.

Радиационное излучение вызывает мутации всех типов, но главным образом хромосомные аберрации и точковые мутации.

Способность ультрафиолетовых лучей (УФ) вызывать мутации была обнаружена в начале 30-х годов в исследованиях на дрозофиле и растениях. Ультрафиолетовые лучи вызывают мутации у тех организмов, которые лишены защитных приспособлений. УФ-лучи являются сильным мутагеном для одноклеточных организмов. Для высших организмов, в том числе для животных и человека, УФ-лучи не опасны, так как они не способны проникать вглубь тканей. Наибольшей мутагенной активностью обладают УФ-лучи с длиной волны 250 – 280 А. Установлено, что частота мутаций зависит от дозы облучения.

Облучение среды УФ-лучами вызывает в ней образование активных соединений типа перекиси водорода и органических перекисей, которые оказываются мутагенами. Облученная среда в данном случае действует как мутаген даже спустя несколько часов после облучения.

Способность УФ-лучей вызывать летальные мутации у микроорганизмов используется на практике в животноводстве и медицине. В животноводческих помещениях применяют ультрафиолетовые лампы для уничтожения болезнетворных микроорганизмов.

У растительных организмов и хладнокровных животных на возникновение мутаций оказывает влияние и экстремальная (очень низкая или высокая) температура. Под влиянием повышенной температуры возникают обычно точковые мутации и хромосомные перестройки. На способность низких температур вызывать мутации указывает тот факт, что 80% растений на острове Шпицберген (зона вечной мерзлоты) являются полиплоидами.

Химические мутагены. Изучение мутагенного эффекта химических веществ было начато давно. Первые экспериментальные работы были проведены в нашей стране В. Сахаровым и М. Лобашовым в начале 30-х годов и Ш. Ауэрбах в Англии. К химическим мутагенам относят несколько классов веществ, таких как алкирующие соединения, перекиси, альдегиды, гидроксиламины, азотистую кислоту, соли тяжелых металлов, акридиновые красители и др. Наиболее сильными из них являются алкирующие соединения (диметил- и диэтилсульфат, иприт и его производные, нитрозоэтилмочевину, фотрин). Мутагенный эффект алкирующих соединений связан с введением в ДНК метиловых, этиловых и других радикалов. Сильно выраженным мутагенным эффектом обладают аналоги азотистых оснований (5-бромурацил, аминопурин, кофеин и др.).

Мутагенным действием обладают некоторые пестициды, гербициды и другие активные препараты. Химические мутагены индуцируют как генные, так и хромосомные мутации. Они широко используются в селекционном процессе с растениями и микроорганизмами.

Считается, что мутации могут вызывать вещества, обладающие одним из следующих свойств:

1. подавлять синтез предшественников нуклеиновых кислот – пуринов или пиримидинов;

2. включаться в ДНК и РНК как аналоги азотистых оснований, замещая природные.

Биологические мутагены. Простейшие живые организмы, вызывающие мутации у животных, составляют класс биологических мутагенов. К ним относятся вирусы, бактерии, а также гельминты, актиномицеты, растительные экстракты и др. Мутагенными свойствами обладают и живые вакцины. Мутагенное действие этих организмов связано с проникновением в клетки чужеродной ДНК. Биологические мутагены вызывают широкий спектр мутаций в живых клетках. Например, при изучении кариотипа клеток телят, ягнят и поросят, зараженных вирусом свиной лихорадки, были обнаружены различные типы хромосомных перестроек. Установлено, что количество мутаций зависело от дозы и продолжительности действия вируса.

Мутагены окружающей среды. В настоящее время перед жителями нашей планеты очень остро стоит вопрос загрязнения окружающей среды. Ежегодно в атмосферу выбрасываются сотни миллионов тонн углерода, углеводородов, окиси серы и азота. Концентрация углекислоты за последние 50 лет возросла на 10 – 12%, количество твердых частиц – на 12%. В связи с переводом энергетики на ядерное топливо и дальнейшим совершенствованием атомного оружия увеличился риск загрязнения среды радиоактивными изотопами и радионуклидами. Идет серьезное загрязнение среды продуктами химии.

Опасными загрязнителями среды в последние годы стали радиоактивные вещества, количество которых в биосфере заметно увеличилось в результате ядерных взрывов (за время испытания ядерного оружия их проведено около 1500), развития ядерной промышленности и энергетики, использование радиоактивных изотопов в биологии и медицине. По данным американских ученых, доза радиации от искусственных источников оценивается в 118 мбэр, в то время как естественный радиационный фон составляет 130 мбэр. Таким образом, в настоящее время население и животный мир в США и других странах живут на фоне удвоенной дозы радиации.

Кроме ядерных взрывов значительную дозу радиоактивного загрязнения дают ядерные реакторы и заводы по обогащению и переработке ядерного топлива. В настоящее время в мире работает около 400 ядерных реакторов. Однако и мирный атом таит в себе немалую опасность. Об этом свидетельствуют последствия аварий на ядерных реакторах. В мире уже зафиксировано более 150 аварий на АЭС с утечкой радиоактивности. Наиболее серьезные аварии произошли в Уиндскейле (Англия) и Чернобыле (СССР). Анализ радиационной обстановки при авариях реакторов показывает, что основная опасность радиоактивного загрязнения внешней среды связана с выбросом долгоживущих радионуклидов стронция, цезия и трития.

Установлено, что различные биологические объекты обладают неодинаковой устойчивостью к действию радиации. Даже одни и те же клетки в зависимости от стадии клеточного цикла имеют разную чувствительность. Так, например, ЛД – 50 (доза облучения, от которой погибает 50% облученных организмов) составляет для вирусов 4500 – 7000 Гр, для простейших – 1000 Гр, для насекомых – 950 Гр, для кур – 10 - 15 Гр, для грызунов – 5 – 9 Гр и для обезьяны – 3 - 5 Гр. Как видим, диапазон устойчивости к радиации в живой природе необычайно широк. Наиболее устойчивы к действию ионизирующих излучений микроорганизмы. Для беспозвоночных животных диапазон летальных доз на порядок ниже, для позвоночных он составляет десятки грэй. При поглощении энергии ионизирующего излучения в организме млекопитающих наблюдаются разнообразные морфологические и функциональные нарушения, приводящие к развитию острой или хронической форм лучевой болезни. Наиболее чувствительны к облучению клетки костного мозга, некоторых отделов кишечника и селезенки.

Кроме радиации в среду обитания попадают различные химические вещества. Уже сейчас нет уголка Земли, где бы человек не подвергался действию этих веществ. Оказалось, что некоторые химические вещества в малых дозах не токсичны для человека, но обладают сильным мутагенным эффектом, например нитрозосоединения. По мутагенной активности такие вещества в 10 – 100 раз превосходят ионизирующее излучение; они вызывают мутации отдельных генов и хромосомные нарушения. Одно из веществ отравляющего действия – иприт – является одновременно и ядом, и мутагеном. Генетические последствия его были обнаружены через 40 лет у потомков солдат, воевавших на германском фронте в первую мировую войну.

Однако не только сильнодействующие органические и ядовитые вещества обладают мутагенным эффектом. Мутации могут вызывать и многие сравнительно обычные соединения, такие, как акридиновые красители, перекиси, азотистая кислота, уретан, формальдегид, кофеин и ряд лекарственных препаратов.

Анализ на мутагенную активность гербицидов показал, что из 126 обследованных веществ мутагенный эффект вызывали 90 или 71,5%. Поэтому не удивительно, что там, где широко применяются пестициды, очень высок процент наследственных пороков у детей.

К сильным мутагенам биосферы относят нитросоединения: окислы азота, нитраты и нитриты. Последние два вещества при избыточном внесении азотистых удобрений аккумулируются в растениях в большом количестве. Эти вещества применяются также в консервной промышленности. В связи с выявлением мутагенных свойств этих веществ в ряде стран были введены ограничения на использование нитрата натрия в качестве консерванта при производстве ветчины, колбас и других мясных и растительных продуктов. Подавляющее большинство этих веществ не только вызывает мутации, но и способствует образованию злокачественных опухолей.

Свинец относится к наиболее известным ядам, он же обладает и мутагенным эффектом. Таким же опасным ядом и мутагеном является кадмий, содержащийся в большом количестве в мазуте и дизельном топливе. Эти вещества вызывают различные хромосомные перестройки, изменяющие наследственность.

В последние годы значительно увеличилось применение различных лекарственных препаратов. Однако некоторые из них, такие, как азасерин, биомицин, стрептомицин, обладают сильными мутагенными свойствами. Среди других лекарственных средств, выпускаемых фармацевтической промышленностью, выделяются препараты, в состав которых входят алкалоиды высших растений.

Мутагенным эффектом обладают и некоторые вещества, входящие в состав продуктов. Примером является кофеин, входящий в состав кофе, чая, безалкогольных напитков, шоколада и других продуктов. Мутагенный эффект кофеина показан на микроорганизмах, дрозофиле и клетках высших организмов.

 

Лекция 9