10. Спонтанные и индуцированные мутации

Спонтанные – это мутации, которые возникают самопроизвольно, без участия со стороны экспериментатора.

Индуцированные – это те мутации, которые вызваны искусственно, с использованием различных факторов мутагенеза.

Вообще, процесс образования мутаций называется мутагенезом, а факторы, вызывающие мутации, – мутагенами.

Мутагенные факторы подразделяются на физические, химические и биологические.

Частота спонтанных мутаций одного гена составляет , для каждого гена каждого организма она своя.

Причины спонтанных мутаций не совсем ясны. Раньше считали, что их вызывает естественный 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 могут накапливаться, и у человека от 10 до 25% спонтанных мутаций связаны с этим.

Второй причиной спонтанных мутаций являются случайные повреждения хромосом и генов во время деления клетки и репликации ДНК вследствие случайных ошибок в функционировании молекулярных механизмов.

Третьей причиной спонтанных мутаций является перемещение по геному мобильных 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. Шарлотта 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. Иосиф Абрамович Рапопорт 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;

2) продукты жизнедеятельности паразитов – возбудителей болезней действуют как химические мутагены.

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 В₁₂ 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 (предки – из Норвегии, из семьи фермера) Нормана Эрнеста Борлоуга, который в 1944 г., в возрасте 30 лет, поселился и стал работать в Мексике. Прожил там 12 лет. Он скрещивал местные сорта с карликовыми сортами из Японии, широко применял удобрения, гербициды, пестициды (в том числе ДДТ). Полученные им высокопродуктивные сорта пшеницы были переданы и нашли применение в Пакистане, Индии, В Африке. По аналогии с методом Борлоуга на Филиппинах были выведены карликовые сорта риса. За успехи в выведении высокопродуктивных сортов растений в 1970 году ему была присуждена Нобелевская премия мира.