Причины мутаций и их искусственное вызывание

1. Физические мутагены

2. Химические мутагены

3. Другие мутагенные факторы

4. Причины спонтанных мутаций

5. Теоретическое и практическое значение работ по искусственному вызыванию мутаций

Мутациям уделялось много внимания с первых же лет развития генетики, но их причины долгое время оставались неизвестными. Они стали проясняться только после того, как были разработаны методы точного количественного учёта мутаций и Меллер, используя эти методы, в 1927 г. впервые доказал в опытах по воздействию рентгеновских лучей на дрозофилу, что мутации можно вызывать искусственно. Это откры­тие послужило толчком к широкому развертыванию работ по эксперимен­тальному мутагенезу, т.е. по выявле­нию и изучению вызывающих мутации физических и химических факторов (мутагенов) и исследованию их дейст­вия у разных форм жизни. В результа­те были получены ценные сведения о причинах мутаций и разработаны эф­фективные методы их искусственного получения.

Физические мутагены. Среди физи­ческих мутагенов наибольшее значение имеют ионизирующие излучения. Они делятся на электромагнитные (волновые), к которым принадлежат рентгеновские лучи (длина волны от 0,005 до 2 нм) и более коротковолновые гамма-лучи и космические лучи, и на корпускулярные, такие как бета-частицы (электроны и позитроны), протоны, нейтроны (быстрые, обладающие высо­кой энергией, и так называемые тепло­вые, энергия которых гораздо ниже), альфа-частицы (ядра атома гелия) и др. Все виды ионизирующих излуче­ний мутагенны, но для искусственного вызывания мутаций используются поч­ти исключительно рентгеновские и гамма-лучи. Источники их (рентгеновс­кие трубки, радиоактивные элементы) удобны в обращении, а сами эти лучи значительно лучше проникают в ткани организма, чем большинство корпус­кулярных излучений (за исключением нейтронов).

Проходя через живое вещество, рентгеновские лучи, гамма-лучи или ядерные частицы на своем пути выры­вают электроны из внешней оболочки атомов или молекул, что превращает их в положительно заряженные ионы. Это же продолжают делать и вырванные таким образом электроны, но в конце концов энергия излучения оказывается исчерпанной и все освободившиеся электроны присоединяются к другим атомам и молекулам, от чего они стано­вятся отрицательно заряженными ио­нами, число которых, таким образом, равно числу образовавшихся положи­тельно заряженных ионов. В результа­те нейтральные атомы или молекулы приобретают заряд, что ведет к даль­нейшим химическим превращениям ве­щества, в состав которого они входят.

Для измерения доз ионизирующих излучений применяются две единицы: рентген (сокращенно обозначается р) и рад. Один рентген — это доза радиации, которая вызывает образование около двух .миллиардов (2,1 Х 10⁹) пар ионов проходя через 1 см³ сухого возду­ха при температуре 0° и давлении 760 мм рт. ст. Один рад — это доза ра­диации, соответствующая поглощению 100 эргов энергии в 1 г вещества. В воз­духе и в мягких тканях организма значение этих единиц очень близко: 1 рад равен 1,07 рентгена.

Разные формы живых существ ха­рактеризуются очень различной чувствительностью к ионизирующим излуче­ниям — смертельная доза может коле­баться от нескольких сотен рентгенов у млекопитающих (600—р для мыши, 700 р для человека) до сотен тысяч и миллионов рентгенов для бактерий и ви­русов. Биологическое действие ионизи­рующих излучений обязано в первую очередь вызываемым ими изменениям генетического аппарата — хромосом и генов, гораздо более чувствительных к этим излучениям, чем цитоплазма. Эти изменения выражаются в мутациях, а при облучении организма дозами, пре­восходящими определенный предел, происходит столь сильное нарушение функций генетического аппарата клеток, что наступает лучевая болезнь, которая может привести к смертельному исходу.

Изучение мутагенного действия иони­зирующих излучений показало, что у всех разнообразных исследованных в этом отношении организмов они вызывают многочисленные генные мутации и перестройки хромосом и что частота индуцированных таким образом мута­ций зависит в основном от дозы радиа­ции. При этом не имеет боль­шого значения, в один ли прием дана та или иная доза или она разбита на дробные порции, разделенные во вре­мени — мутагенный эффект грубо соот­ветствует общей дозе облучения, хотя он несколько выше при однократном облучении. Не играет роли и интенсивность радиации, т.е. время, за которое дается полная доза. Так, если одна рентгеновская трубка излучает 100 р в минуту, а другая — 10 000 р в минуту, то облучение организма первой труб­кой в течение 10 минут вызовет при­близительно столько же мутаций, сколь­ко возникает при облучении второй трубкой в течение 0,1 минуты, так как в обоих случаях общая доза одинакова (1000 р.) Такая закономерность сохра­няется и при еще более резких разли­чиях в интенсивности радиации, напри­мер, когда один источник дает излу­чение в 1000 раз или даже в 100 000 раз более интенсивное, чем другой: одинаковые дозы радиации обоих источников вызывают мутации с приблизительно одинаковой частотой.

Многочисленные опыты, проведенные с вирусами, бактериями, низшими и высшими растениями, насекомыми и лабораторными млекопитающими позволили сделать вывод, что частота генных мутаций и мелких перестроек хромосом (нехваток, микроделеций), вызываемых ионизирующими излуче­ниями, прямо пропорциональна дозе последних. Другими словами, при уве­личении дозы вдвое возникает в два раза больше таких мутаций, тройная доза облучения индуцирует мутаций втрое больше и т.д. Такая прямолиней­ная зависимость описывается уравне­нием у= (к + ad, где у — общая частота наблюдаемых мутаций, к — частота спонтанно возникших мутаций, а — коэффициент пропорциональности (т.е. вероятность возникновения мутаций у данного объекта в результате облучения дозой 1 р), d — доза в рентгенах.

То обстоятельство, что частота генных мутаций линейно зависит от дозы излучений, привело к предположению что каждая такая мутация представляет результат единичной ионизации и сопутствующего ей возбуждения атома. Это же относится к мелким перестройкам хромосом — к нехваткам, обязанным одиночным разрывам хромосомы, и к микроделециям. Линейная зависимость частоты возникновения последних от дозы, согласно этому предположению, объясняется тем, что два разрыва, происходящие в хромосоме очень близко друг к другу, вызываются одной и той же причиной, т.е. тоже единичной ионизацией. Если это предположение правильно, то следует ожидать иной зависимости частоты крупных хромосомных перестроек от дозы облучения: такие перестройки происходят в результате двух далеко отстоящих друг от друга разрывов хромосом и поэтому частота этих перестроек должна была бы быть пропорциональной не дозе облучения, а квадрату этой дозы.

Изложенная выше концепция (так называемая теория мишени), согласно которой вызываемые радиацией мута­ции обязаны единичным актам иониза­ции, повреждающим чувствительные структуры («мишени») наследствен­ного аппарата.

Главное положение теории мишени состоит в том, что ионизирующие излучения непосредственно действуют на гены и хромосомы. Несомненно, что тако прямое действие радиации действительно играет основную роль в индукции мутаций. Это видно, например, из того, что облучение яйцеклеток не ведет к сколько-нибудь заметному возрастанию числа мутаций в хромосомах, получаемых зиготой от отца, хотя эти хромосомы попадают при оплодотворении в подвергнутую облучению цитоплазму яйцеклетки. Тем не менее существуют факты, указывающие на то, что ионизирующие излучения действуют на генетический аппарат не только прямо, но и косвенно. При прохождении их через цитоплазму они вызывают там наряду с ионизацией образование короткоживущих свободных радикалов, которые могут реагировать с химическими ком­понентами хромосом. В частности, большое значение в этом смысле имеют свободные радикалы водорода (Н) и гидроксила (ОН), возникающие в ре­зультате радиолиза воды, которой бога­та всякая клетка. Эти радикалы сейчас же соединяются в трех возможных сочетаниях, давая либо воду (Н + ОН = Н₂О), либо атомарный водород (Н + Н = Н₂), либо химически очень ак­тивную перекись водорода (ОН + ОН =

= Н₂0₂).

Хорошее доказательство существо­вания косвенного генетического дейст­вия ионизирующих излучений дали опы­ты, показавшие, что облучение жидкой питательной среды делает ее мутагенной для помещаемых в нее затем бак­терий. Это свойство придают ей сво­бодные радикалы и перекиси, образо­вавшиеся в результате облучения. На косвенное мутагенное действие ионизи­рующих излучений указывает также так называемый кислородный эффект, заключающийся в том, что облучение организма, проводимое в атмосфере, богатой кислородом, приводит к возникновению большего числа мутации, чем проводимое в атмосфере, бедной кислородом.

Ионизирующие излучения в боль­шей степени увеличивают частоту пере­строек хромосом, чем частоту генных мутаций, поэтому среди мутаций, ин­дуцируемых радиацией, перестройки хромосом гораздо многочисленнее, чем среди спонтанных мутаций. По мере по­вышения дозы облучения доля перест­роек хромосом еще возрастает; касает­ся это, в первую очередь, крупных пе­рестроек, возникающих в результате двух разрывов (инверсии, большие делеции, транслокации). Особенно много таких перестроек индуцируют корпус­кулярные излучения. Это объясняется тем, что они создают на своем пути более плотную ионизацию среды, неже­ли электромагнитные излучения, а чем плотнее ионизация, тем чаще рвет она хромосомы.

Не все повреждения генетической аппарата, производимые ионизирующими излучениями, реализуются в виде мутаций. Многие из них исправляются с помощью особых репарирующих ферментов, имеющихся в клетках. Существование этого явления репарации четко обнаруживается при изучении ин­дукции фракционированным облуче­нием крупных перестроек хромосом. Выше отмечалось, что мутагенный эф­фект радиации определяется только суммарной дозой и не зависит от того, дана ли эта доза в один прием или же разбита на меньшие порции разделен­ные промежутками времени. Это положение верно для генных мутаций и для мелких перестроек, обязанных единичным ионизациям, т.е. для большинства индуцируемых облучением мутаций, но оно не вполне справедливо в отношении крупных перестроек хромосом, вызываемых двумя или более разрывами. Если вся доза дается сразу, то в клетках одновременно присутствуют многочисленные концы, образовавшиеся при разных разрывах хромосом, и эти концы могут соединяться в новых сочетаниях, что приводит к появлению инверсии, транслокаций и больших делеций. Если же доза дается в несколько приёмов, то часть ранее возникших разрывов успевает репарироваться до того, как следующая порция облучения вызовет новые разрывы. В результате та же суммарная доза, но разбитая на несколько фракций, приводит к меньшему числу крупных перестроек хромосом, чем когда она дана сразу. Такой же результат и по той же причине получается, если кратковременное высокоинтенсивное облучение заменить тождественнои дозой растянутого во времени менее интенсивного облучения.

Чувствительность разных типов клеток к мутагенному действию ионизирующих излучений может довольно сильно отличаться. Так, у дрозофилы рентгеновские лучи вызывают сравнительно мало мутаций в сперматогониях, много —в сперматоцитах и сперматидах, меньше — в зрелых спермиях, много - в дробящихся яйцах. Подобная дифференциальная воспри­имчивость разных клеток к мутагенному воздействию радиации обнаруже­на и у других организмов. Эти различия связаны, по-видимому, с разным состоя­нием хромосом в разных типах клеток (различная степень спирализации хро­мосом, неодинаковая плотность упаков­ки их в ядре) и с разной митотической активностью клеток, что важно вследст­вие большей повреждаемости хромо­сом во время митоза. Играет роль, ве­роятно, и разное содержание репарирующих ферментов и ферментов, уча­ствующих в воссоединении разорван­ных концов хромосом, а также различ­ная вероятность образования в клетке под влиянием облучения мутагенных свободных радикалов и перекисей, что связано, в частности, с большим или меньшим содержанием воды в прото­плазме.

Как уже отмечалось выше, очень различна и чувствительность разных организмов к мутагенному действию ионизирующих излучений. Так, разными исследователями установлено, что одинаковая доза рентгеновских лучей индуцирует у дрозофилы в 4—18 раз меньше генных мутаций, чем у мыши. У бактерий и вирусов радиация вызы­вает еще гораздо меньше генных мута­ций, нежели у дрозофилы. В общем наблюдается грубое соответствие между восприимчивостью организма к генному действию ионизирующих из­лучений и суммарной длиной молекул ДНК в его хромосомном наборе. Так, бактериальная хромосома, состоящая из ДНК, имеет длину порядка 1000-1500 микронов, а общая длина молекул ДНК в гаплоидном наборе хромосом млекопитающих (в том числе челове­ка) составляет почти два метра, т.е. на три с лишним порядка больше, чем у бактерий, что довольно хорошо согла­суется с разницей в частоте мутаций, индуцируемых у этих организмов облучением.

Кроме ионизирующих излучений сильным физическим мутагенам прнадлежат ультрафиолетовые лучи. Они характеризуются значительно большей длиной волны (до 400 нм) и меньшей энергией, чем рентгеновские лучи.

В отличие от рентгеновских лучей мутагенность которых не зависит от длины волны, ультрафиолетовые лучи с разной длиной волны очень разнятся своими мутагенными свойствами. Наиболее мутагенны ультрафиолетовые лучи с длиной волны около 260 нм; мутагенность их резко падает как при меньшей, так и при большей длине волны. Высокая мутагенная эффективность этой части спектра ультрафиолетовых лучей связана с тем, что дезоксирибопуклеиновая кислота (ДНК), составляющая основу хромосом, поглощает ультрафиолетовые лучи именно с длиной волны 260 нм.

Кроме такого прямого действия на ДНК, ультрафиолетовые лучи индуцируют мутации и косвенно, вызывая образование в клетках свободных радикалов и перекисей, обладающих мутагенными свойствами. Такие же мутагенные вещества возникают под влиянием ультрафиолетового света и в жидких, питательных средах, применяемых для культивирования бактерий у бактерий помешенных в облученную среду, заметно возрастает частота мутаций.

Многие повреждения генетического аппарата, вызываемые ультрафиолето­выми лучами, репарируются подобно тому, как это происходит при действии ионизирующих излучений. Добавим, что при ультрафиолетовом облучении на­блюдается еще явление фотореактива­ции, состоящее в том, что более длин­новолновые лучи (в диапазоне от 365 до 490 нм, куда относятся наиболее длинноволновые ультрафиолетовые лу­чи и примыкающие к ним видимые си­ние лучи) частично подавляют мутагенное действие более коротковолновой части ультрафиолетового света. Это осуществляется с помощью особого фотореактивирующего фермента, исправ­ляющего дефекты, возникающие в ДНК хромосом при поглощении ультрафио­летовых лучей.

Гораздо более слабым физическим мутагеном, чем ионизирующая радиация и ультрафиолетовые лучи, является повышенная температура. У изученных в этом отношении организмов по­вышение температуры на каждые 10 градусов увеличивает частоту мутаций приблизительно в 3-5 раз. При этом возникают почти исключительно ген­ные мутации. Характер их не отличает­ся от спонтанных. Перестройки хромо­сом начинают индуцироваться только при приближении температуры к верх­нему переносимому организмом преде­лу. Повышение температуры также уси­ливает действие других физических и химических мутагенов. Понятно, что все это не относится к теплокровным животным и человеку, у которых тем­пература тела практически постоянна.

Химические мутагены. Химические мутагены, открытые позже физических, насчитывают множество разнообразных веществ и каждый год список их попол­няется вновь описываемыми. Наиболее хорошо изученные химические мутаге­ны могут быть разбиты на перечислен­ные ниже группы.

Самые сильные химические мутаге­ны принадлежат к группе так называе­мых алкилирующих соединений — высо­коактивных веществ, способных пере­носить алкильные группировки (СН₃, С₂Н₅ и т. д.) в другие молекулы. К чис­лу алкилирующих соединений, мутагенное действие которых исследовано луч­ше других, относятся диметилсульфат, диэтилсульфат, горчичный газ (иприт) и его производные, этиленимин, N-нитрозоалкилмочевина, нитрозометилмо­чевина, нитрозоэтилмочевина, 1,4-бисдиазоацетилбутан, этилметансульфонат, диэтилнитрозомочевина. Послед­ние пять из них (а также некоторые другие, здесь не упомянутые), получи­ли название супермутагенов из-за их особенно высокой мутагенности. Самый сильный из известных супермутагенов, диэтилнитрозомочевина, повышает час­тоту мутаций у мышей (по сравне­нию со спонтанной) почти в 90 раз, т.е. в пять раз больше, чем максималь­но переносимая мышами доза рентге­новских лучей. Многие мутагены, при­надлежащие к группе алкилирующих соединений, обладают еще и канцеро­генными свойствами, т.е. могут вызывать возникновение злокачественных опухолей.

Во вторую группу можно отнести ве­щества, по своей химической структуре близкие к азотистым основаниям, вхо­дящим в состав нуклеиновых кислот. Такие аналоги азотистых оснований представлены 5-бромурацилом, 5-бромдезоксиуридином, 5-фтордезоксиуридином, 8-азагуанином, 2-аминопурином, кофеином и рядом других.

Третью группу химических мутагенов составляют акридиновые красите­ли, например акридин желтый, акридин оранжевый, 5-аминоакридин, профлавин.

По своей химической природе эти три группы веществ очень различны, но в пределах каждой из них соединения химически родственны. Как мы увидим в главе 15, это находит отражение в мо­лекулярных механизмах, посредством которых эти группы веществ вызывают мутации: механизмы эти довольно раз­личны и специфичны для каждой из трех групп, но одинаковы или очень близки для соединений, принадлежащих к одной и той же группе.

Четвертая группа — сборная; к ней можно отнести вещества, мутагенные свойства которых изучены сравнительно хорошо, но которые весьма разнообраз­ны по своему химическому строению, почему различаются и молекулярные механизмы их действия. Сюда принад­лежат азотистая кислота, гидроксиламин, разные перекиси, уретан и его про­изводные, формальдегид.

Химические мутагены всех этих че­тырех групп способны индуцировать как генные мутации, так и перестройки хро­мосом, но соотношение этих двух типов мутаций очень различно в случае при­менения разных химических мутагенов, в среднем же они вызывают относитель­но меньше перестроек хромосом и боль­ше генных мутаций, чем ионизирующие излучения и ультрафиолетовый свет. Общая частота мутаций, индуцируемых химическими мутагенами, довольно часто значительно превышает достижимую посредством физических мутаге­нов, а некоторые супермутагены на­столько эффективны, что общая частота вызываемых ими мутаций приближается к 100%.

У эукариотов химические мутагены рассмотренных групп повышают часто­ту мутаций более или менее одинаково для всех генов, так что соотношение сравнительно часто и относительно ред­ко мутирующих генов («спектр» генных мутаций) остается примерно таким же, как при спонтанном мутационном про­цессе или при индукции мутаций радиа­цией. Однако у прокариотов и вирусов некоторые химические мутагены в большей мере действуют на определен­ные гены (так называемые «горячие точки» хромосом), чем на остальные, так что «спектр» генных мутаций не­сколько изменяется, причем по-разному в случае разных химических мутагенов.

Для многих химических мутагенов характерно их продленное действие, чего не наблюдается при индукции мутаций физическими мутагенами. Под влиянием физических факторов мута­ции возникают либо сразу же в момент воздействия, либо в течение некоторого, но все же очень короткого времени (так бывает при перестройках, представляю­щих результат хромосомных разрывов и последующего воссоединения фраг­ментов).

Несколько особняком стоит еще одна группа химических мутагенов, до­вольно сильно отличающаяся по харак­теру своего действия от всех других как химических, так и физических мутагенных факторов. Это — природные нуклеиновые кислоты, прежде всего ДНК. Введение в организм дрозофилы препаратов ДНК, выделенной из разных источников — из тканей млекопитающих, птиц, рыб, насекомых, растений и из вирусов, вызывает большое числе видимых и летальных мутаций, однако мутации эти представлены только генными мутациями и микроделециями; крупные перестройки хромосом, обычно имеющие место среди мутаций, индуцированных другими мутагенами, по-видимому, полностью отсутствуют среди мутаций, вызываемых ДНК. Другое важное отличие мутагенного эффекта чужеродных (экзогенных) ДНК от прочих химических и физических мутаге­нов состоит в высоко избирательном действии ДНК на определенные гены и участки хромосом: частота мутаций некоторых генов возрастает очень силь­но (на два-три порядка), а мутабильность других генов не превышает наблюдаемую без воздействия или воз­растает в небольшой мере. Поэтому «спектр» мутаций, индуцируемых ДНК у дрозофилы, сильно отличается от «спектра» спонтанных мутаций или му­таций, вызываемых другими мутагена­ми, ни один из которых не проявляет подобной избирательности при действии на эукариотов. Еще одно отличие за­ключается в очень продленном мутагенном эффекте ДНК — мутации инду­цируются не только в потомстве подвер­гавшихся воздействию мух, но и в нескольких последующих поколениях потомков, т.е. охватывают период в десятки клеточных поколений. Такого длительного действия не описано ни для одного другого мутагена. Мутагенность чужеродных ДНК отмечена и для некоторых других организмов, у кото­рых проводились такие исследования (бактерий, синезеленых водорослей, ку­курузы). Очень вероятно. что мутагенное действие препаратов ДНК обязано хотя бы отчасти тому, что фрагменты вводимых в организм молекул чужерод­ных ДНК включаются в хромосомы по типу транспозиций, о которых шла речь в предыдущей лекции.

Другие мутагенные факторы. За по­следние годы выяснилось, что мутагенными свойствами обладают вирусы. Изучение патологических изменений, происходящих в зараженных вирусами клетках человека и животных, показа­ло, что там гораздо чаще встречаются аберрации хромосом, главным образом хромосомные и хроматидные разрывы, чем в здоровых клетках. Иногда эти повреждения настолько резко выраже­ны, что хромосомы оказываются разор­ванными на несколько частей (фрагментация) или даже на мелкие кусочки (пульверизация). Многие из хромосомных аберраций в заражен­ных вирусами клетках напоминают индуцируемые радиацией и другими мутагенами, и это дало повод предположить, что вирусы способны вызывать мута­ции. Подтверждение этому получено в последние годы. Показано, что зара­жение культур клеток человека и хо­мячка вирусом ОВ40 обезьян и неко­торыми другими вирусами вызывает в них не только хромосомные перестрой­ки, но и генные мутации. Особенно яркие доказательства тому, что вирусы в са­мом деле имеют мутагенные свойства, были получены при инъекции дрозофилам разных инфекционных для этого насекомого вирусов, т.е. таких, которые не размножаются в организме дрозофилы и не вызывают там патологи­ческих явлений. Выяснилось, что все испытывавшиеся вирусы человека, жи­вотных и растений индуцируют у дрозофилы мутации, причем их мутагенное действие характеризуется теми же осо­бенностями, которые были отмечены для ДНК. Вероятно, именно молекулы нуклеиновой кислоты, содержащиеся в вирусных частицах, представляют мутагенный элемент вирусов; в пользу этого свидетельствуют и результаты некоторых опытов, показавших, что мутагенными свойствами обладает нуклеи­новая кислота вирусных частиц, а не их белковая оболочка. Способность ви­русов вызывать мутации была обнару­жена также у бактерий и актиномицетов.

Выше уже упоминалось, что частота индуцированных мутаций бывает различной в половых клетках, находящихся на разных стадиях развития. Влияние физиологического состояния клеток на мутационный процесс подтверждают и данные об увеличении спонтанной мутабильности по мере их старения. Так, у семян львиного зева, хранившихся в течение 10 лет, частота спонтанных мутаций (14,03%) была почти в 10 раз больше, чем у семян пятилетнего хранения (1,50%).

Причины спонтанных мутаций. Ра­боты по экспериментальному мутагенезу пролили некоторый свет на при­чины спонтанных мутаций, хотя далеко не все здесь еще ясно, и вопрос о фак­торах, вызывающих спонтанные мута­ции, остается в значительной мере не­решенным.

Вполне очевидно, что к числу таких факторов относится естественный фон ионизирующих излучений, образуемый доходящими до поверхности земли кос­мическими лучами, гамма-излучениями земли и радиоактивными веществами (главным образом калием-40, углеро­дом-14 и радоном), поступающими в очень малых количествах в организмы из окружающей среды (в основном с пищей). Однако действием естествен­ной радиации можно объяснить только относительно небольшую часть спон­танных мутаций. По оценкам разных авторов, у человека от 1/4 до 1/10 спонтанных мутаций может быть отнесено за счет естественного фона ионизирующей радиации. Известное значение в спонтанном мутагенезе у челове­ка, животных, растений и микроорга­низмов имеют, очевидно, поражающие их вирусы.

Однако представляется несомненным, что главной причиной спонтанных мутаций являются случайные повреждения хромосом и генов в ходе нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке. Многочисленные данные, полученные на вирусах, бактериях, низших растениях, дрозофиле и на клетках млекопитающих, показывают, что большинство спонтанных мутаций возникает во время деления хромосом и удвоения (репликации) генов. По-видимому, все мутагены, как фи­зические, так и химические, в принципе универсальны, т.е. могут вызывать му­тации у любых форм жизни — от виру­сов и бактерий до высших растений, животных и человека при условии, что не будет препятствий к достижению данным мутагеном генетического аппа­рата. Однако фактически чувствитель­ность разных видов к разным мутагенам далеко не одинакова. Эти различия объясняются в большой мере именно разной доступностью хромосом и генов для того или иного мутагена.

До сих пор мы рассматривали способность мутагенов вызывать перестройки хромосом и генные мута­ции. Но многие физические и химические мутагены кроме того в той или иной мере повреждают и цитоплазматический митотический аппарат, след­ствием чего бывает либо нерасхожде­ние всех разделившихся хромосом, либо неправильное их распределение между дочерними клетками; в первом случае возникает полиплоидия, во втором — анеуплоидия. Известны химические ве­щества, специфически действующие та­ким образом. Например, как уже упо­миналось, алкалоид колхицин особенно эффективно индуцирует полиплоидные мутации.

Теоретическое и практическое зна­чение работ по искусственному вызыва­нию мутаций. Установление факторов, вызывающих мутации, и исследование их действия позволили вскрыть ряд закономерностей мутационного процес­са, важных для выяснения тонкой структуры и функционирования хромо­сом и генов, а также для понимания роли мутаций в эволюции. В то же вре­мя знание этих закономерностей послу­жило основой для использования мето­дов искусственного вызывания мута­ций в практической селекции и для раз­работки мер, ограждающих генотип человека от повреждающего действия разных мутагенных факторов.

Работы по экспериментальному мутагенезу наглядно и на очень больше фактическом материале показали, мутации не являются однозначно реакцией на вызывающее их воздействие: один и тот же мутаген приводит к возникновению самых разнообразных мутаций, затрагивающих различные признаки организма и изменяющих их в разных направлениях. Такое отсутствие избирательности генетического действия свойственно почти всем изученным мутагенным факторам и соответствует тому, что известно о ненаправленном характере спонтанных мутаций. Из этого вытекает, что сами по себе мутации не имеют приспособительного значения, хотя и служат тем источником наследственной изменчивости, который позволяет естественному отбору перестраивать наследственные признаки организмов, приспосабливая их к изменяющимся условиям среды. Иными словами, адаптивность эволюционных изменений есть следствие сохранения естественным отбором тех мутаций и их сочетаний, которые оказываются полезными в данной обстановке.

Разработка способов искусственного вызывания мутаций открыла возможность значительного ускорения селекции путем применения мутагенов, что дает селекционеру больший исходный материал для отбора, чем при использовании одних только гораздо более редких спонтанных мутаций. Со­четанием обычных селекционных методов с искусственным вызыванием генных и сегментных мутаций ионизирующими излучениями были выведены многие новые высокоурожайные сорта ряда сельскохозяйственных растений ценные штаммы микроорганизмов — продуцентов антибиотиков. В последние годы с этой же целью в селекции все шире и с большим успехом при­меняются химические мутагены и супермутагены. Используется в селекции растений и искусственное получение полиплоидных мутаций. Результаты работ по искусственно­му вызыванию мутаций нашли приме­нение и в такой важной практической области, как борьба с вредными насе­комыми, наносящими большой урон сельскому и лесному хозяйству или являющимися переносчиками возбудителей болезней человека и животных. Принципы таких генетических методов борьбы с вредными насекомыми были разработаны еще в 1940 г. Серебровским, однако испытания и внедрение этих методой в ряде стран начались только в последние годы, причем до­стигнуты успехи в сокращении числен­ности локальных популяций некоторых видов вредителей. Суть этого метода заключается в выпускании в природу большого числа самцов подлежащего уничтожению вида, подвергнутых до этого сильному действию радиации или химических мутагенов.

Хромосомные аберрации и генные мутации вызывают многочисленные врожденные уродства и наследственные болезни человека. Поэтому насущной задачей является ограждение людей от действия мутагенов, повышающих в большинстве своем частоту вредных мутаций. Очень важно тщательное соблюдение мер защиты людей от радиации в атомной индустрии, при использовании радиоактив­ных изотопов, рентгеновских лучей и т.п. Необходимо изучение возможного мутагенного действия различных новых лекарственных средств, инсектицидов, гербицидов, химических препаратов, применяемых в промышленности, а так­же запрещение производства тех из них, которые окажутся мутагенными. Профилактика вирусных инфекций имеет значение не только для борьбы с вызываемыми вирусами болезнями человека, но и для защиты потомства от мутагенного действия вирусов.

Для предотвращения генетического вреда, причиняемого человеку мутагенными факторами, могут найти применение вещества, снижающие эффект действия мутагенов. Такие вещества, которых за последние годы обнаружено довольно много, получили название антимутагенов. К их числу относятся разнообразные по своей химической природе соединения, например, цистеамин, хинакрин, некоторые сульфаниламиды, производные пропионовой и галловой кислот и многие другие. Разные антимутагены в различной степени тормозят действие разных мутагенов и кроме того эффективность их очень различна у разных организмов. Исследование антимутагенов помимо своего практического значения представляет также интерес для понимания молекулярных механизмов мутагенеза.

Вопросы

1. Что такое мутация спонтанная и индуцированная?

2. Какие мутагены Вам известны?

3. Какие изменения вызывают физические мутагены?

4. На какие группы разделяют химические мутагены?

5. Каково практическое и теоретическое значение работ по искусственному вызыванию мутаций?

6. Какие соединения обладают антимутагенным свойством?

ЛЕКЦИЯ 13