7. Основные свойства генетического кода.

Генетический код - система зашифровки наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот. На основе закодированной информации гены управляют синтезом белков, и в первую очередь ферментов, поскольку последние контролируют все процессы обмена веществ и энергии. Специфичность строения и функции отдельных белков в свою очередь определяются тем, из каких структурных единиц (аминокислот) они состоят и в какой последовательности эти аминокислоты расположены в молекуле белка.

Св-ва ген.кода:

1)триплетность кода (каждая аминокислота кодируется тройкой нуклеотидов)

2)специфичность кода(кажд. ам.к-е соотв-т только опр-ые кодоны, к-ые не могут исп-ся для др. ам.к-ы)

3)вырожденность или избыточность(отдел. ам.к-ы им. неск. кодонов. Правило вырожденности: если 2 кодона им. 2 одинак. первых нукл-да, а их 3-ьи нукл-ды принадлежат к одному классу, то они код-ют одну и ту же ам.к-у)

4)коллинеарность кода(послед-ть ам.к-т в ППЦ соотв-т послед-ти кодонов в мРНК)

5)непрерывность кода(кодоны в мРНК распол-ся др. за др. без «знаков препинания», т.е. без сигналов, показ-щих конец одного кодона и начало след-его)

6)неперекрываемость кода(ни один из нукл-дов одного кодона не является составн. частью соседн. кодона, т.е. кодоны независимы)

7)универсальность кода

8)Среди триплетов ген.кода есть такие, которые не кодируют аминокислот. Они яв-ся терминаторами. В ДНК: АТТ, АЦТ, АТЦ; в РНК: УАА, УГА, УАГ.

Доказательства триплетности кода, неперекрываемости кодонов, коллинеарности кода.

Каждая аминокислота кодируется последовательностью из 3-х нуклеотидов.

Триплет или кодон - последовательность из трех нуклеотидов, кодирующая одну аминокислоту.

Код не может быть моноплетным, поскольку 4 (число разных нуклеотидов в ДНК) меньше 20. Код не может быть дуплетным, т.к. 16 (число сочетаний и перестановок из 4-х нуклеотидов по 2) меньше 20. Код может быть триплетным, т.к. 64 (число сочетаний и перестановок из 4-х по 3) больше 20.

Важнейшими характеристиками генетического кода являются его непрерывность и неперекрываемость кодонов при считывании. Это означает, что последовательность нуклеотидов считывается триплет за триплетом без пропусков, при этом соседние триплеты не перекрывают друг друга, т.е. каждый отдельный нуклеотид входит в состав только одного триплета при заданной рамке считывания. Доказательством неперекрываемости генетического кода является замена только одной аминокислоты в пептиде при замене одного нуклеотида в ДНК. В случае включения нуклеотида в несколько перекрывающихся триплетов его замена влекла бы за собой замену 2-3 аминокислот в пептидной цепи.

Неперекрываемость - одно и то же основание не может одновременно входить в два соседних кодона.

Коллинеарность - свойство, обусловливающее соответствие между последовательностью кодонов нуклеиновых кислот и аминокислот полипептидных цепей. Иными словами, кол-ть - свойство, благодаря которому в белке воспроизводится та же последовательность аминокислот, в какой соответствующие кодоны располагаются в гене. Это означает, что положение каждой аминокислоты в ППЦ зависит от особого участка гена. Генетический код считается коллинеарным, если кодоны нуклеиновых кислот и соответствующие им аминокислоты в белке расположены в одинаковом линейном порядке.

Явление кол-ти доказано экспериментально. Установлено, что серповидноклеточная анемия, при которой нарушено строение молекулы гемоглобина, обусловлено дефектами расположения нуклеотидов в гене, ответственном за синтез гемоглобина.

Благодаря концепции кол-ти можно определить примерный порядок нуклеотидов внутри гена и информационной РНК, если известен состав полипептидов. Наоборот, определив состав нуклеотидов ДНК, можно предсказать аминокислотный состав белка. Из этой концепции также следует, что изменение порядка нуклеотидов внутри гена (мутация) приводит к изменению аминокислотного состава белков.

Расшифровка структуры кодонов (генетический словарь).

К 1961 году стало ясно, что код триплетный, вырожденный и неперекрывающийся (то есть считывание происходит кодон за кодоном) и что он содержит инициирующие и терминирующие кодоны. Дело было лишь за тем, чтобы установить соответствие каждого аминокислотного остатка конкретным кодонам и узнать, какие кодоны обозначают начало и конец синтеза белковой цепи. Было совершенно ясно, что именно для этого требуется. Нужно "только" прочесть параллельно два текста - ДНК-овый (или РНК-овый) текст гена и аминокислотный текст соответствующего этому гену белка. Затем сличить эти два текста - и дело в шляпе. Вспомним, что именно так были когда-то расшифрованы египетские письмена. Но беда в том, что если белковые последовательности к этому времени умели расшифровывать, то ни последовательности ДНК, ни последовательности РНК читать не умели. Поэтому пришлось пойти по иному пути.

Представьте себе, что вместо Розеттского камня, на котором один и тот же текст был написан египетскими иероглифами и по-гречески, откопали бы во время наполеоновского похода в Египет живого древнего египтянина. Тогда не потребовался бы гений Шампольона, чтобы составить французско-древнеегипетский словарь. Достаточно было бы показывать египтянину различные предметы, а он рисовал бы соответствующие иероглифы.

Именно этим принципом дешифровки кода и воспользовались М. Ниренберг и Дж. Маттеи в 1961 году. Ведь клетки-то знают код! Значит, надо предложить клеткам распознавать разные последовательности нуклеотидов, лишь бы было точно известно, что это за последовательности. К этому времени как раз научились синтезировать кое-какие искусственные РНК (но отнюдь еще не любые!). Но, конечно, живой клетке такую РНК предлагать бесполезно - она ее просто-напросто съест, то есть расщепит до отдельных нуклеотидов, а их использует для строительства собственных РНК. Поэтому Ниренберг и Маттеи использовали не живые клетки, а клеточные экстракты, которые сохраняли способность синтезировать белок на РНК, но не содержали ферментов, расщепляющих РНК. Эти экстракты не умели, разумеется, многого другого, что умеет делать клетка, но важно лишь одно - они были способны синтезировать белок по внесенной извне РНК. Такие экстракты назвали бесклеточной системой.

Ниренберг и Маттеи получили экстракт из кишечной палочки и добавили к нему гомополимер, состоящий только из урацилов. Так бесклеточной системе был задан первый вопрос: какой аминокислоте соответствует кодон УУУ? Ответ был однозначен: кодону УУУ отвечает фенилаланин. Этот ответ произвел настоящую сенсацию. Путь к расшифровке кода был открыт!

Очень быстро удалось сделать подобный перевод для многих аминокислот. Однако определять последовательность нуклеотидов в искусственных кодонах было довольно трудно. В то время еще не умели синтезировать даже короткие фрагменты с заданной последовательностью. Умели лишь получать полинуклеотиды со случайной последовательностью из смеси мономеров, да и то не из любой смеси. Начали думать, как попытаться иными способами расшифровывать кодоны. Но неожиданно произошел новый прорыв, и ситуация резко изменилась.

Мы видели, что у истоков проблемы кода стоял физик, общие свойства кода были выяснены генетическими методами, после чего за дело взялись биохимики. Окончательно проблема была решена, когда на помощь биохимикам пришли химики-синтетики.

К 1965 г. Хар Гобинд Корана научился синтезировать короткие фрагменты РНК с заданной последовательностью - сначала двойки (динуклеотиды), а потом тройки (тринуклеотиды).

Для Кораны эта работа была первым шагом на долгом пути, приведшем в конечном счете к синтезу гена. Теперь его методы, значительно продвинутые вперед усилиями многих химиков, очень широко используются для получения искусственных генов в генной инженерии. Наиболее впечатляющим успехом на этом пути стал синтез гена инсулина человека. Этот ген содержит около 200 нуклеотидов, расположенных в строго заданной последовательности. Но пятнадцать лет назад об этом никто не мог и мечтать.

Сенсацией тех лет, быстро завершившейся полной расшифровкой кода, был синтез ди- и тринуклеотидов. Из таких двоек и троек биохимическими методами, с помощью ферментов, синтезировали длинные полинуклеотиды, в которых эти двойки или тройки повторялись много-много раз. Затем полинуклеотиды со строго определенной и известной последовательностью добавляли в бесклеточную систему и определяли их соответствие белковым цепям.

К 1967 году расшифровка генетического кода была окончательно завершена. А где же инициирующие кодоны? Специальных инициирующих кодонов не- существует. Эту роль в определенных условиях играют кодоны АУГ и ГУГ, обычно отвечающие аминокислотам метионину и валину.

Вырожденность (избыточность) кода.

Так как на 20 аминокислот, входящих в состав белков, приходится 61 кодон, некоторые аминокислоты кодируются более чем одним кодоном (т. н. вырождённость кода), исключение — метионин и триптофан.

Такая избыточность повышает надёжность кода и всего механизма биосинтеза белка.

Универсальность кода.

У животных и растений, у грибов, бактерий и вирусов один и тот же триплет кодирует один и тот же тип аминокислоты, то есть генетический код одинаков для всех живых существ. Универсальность кода ДНК подтверждает единство происхождения всего живого на нашей планете. На использовании свойства универсальности генетического кода основаны методы генной инженерии.

Генетический словарь митохондрий.

Генетическая система митохондрий характеризуется кодом, отличающимся от универсального, редактированием РНК после ее синтеза, другими уникальными особенностями. Многие генетические заболевания человека обусловлены дефектами митохондриального генома.

Исследование генома митохондрий выявило совершенно уникальные его особенности. Было обнаружено, что в митохондриях нередки отклонения от универсального генетического кода. Эти отклонения были найдены позже во многих организмах, особенно в митохондриях животных и грибов. Митохондрии растений, по-видимому, используют нормальный генетический код.

Необычной чертой митохондрий является особенность узнавания кодонов транспортными РНК, что приводит к тому, что одна молекула узнает сразу четыре кодона. Указанное изменение митохондриального генетического кода уменьшает значимость третьего нуклеотида в кодоне и приводит к тому, что требуется меньше транспортных РНК. Всего 22 транспортных РНК достаточно для узнавания всех 64 кодонов, тогда как для обычных рибосом их должно быть не менее 32 (в некоторых организмах найдено до 61).

Особенность митохондриального генома многих организмов - это необычайно частое изменение структуры синтезированной РНК, так называемое редактирование (митохондриальный геном содержит немало ошибок, исправляемых в процессе созревания матричных РНК).

В митохондриях иногда наблюдается и перекрывание генов. Так, в митохондриальном геноме курицы ген тирозиновой транспортной РНК перекрывается одним нуклеотидом с геном цистеиновой транспортной РНК.

8 блок

Изменчивость-свойство обеспечивать разнообразие признаков и свойств у особей и групп особей любой степени родства. И. способствует появлению новых видов.

Различают несколько типов изменчивости: Наследственную (генотипическую) и ненаследственную (фенотипическую, паратипическую).

1.наследственная (изменчивость, обусловленная возникновением мутаций и их комбинаций при скрещивании):

-комбинативная - изм-ть, вызванная комбинаторикой (рекомбинации) генов и пересортировкой хромосом в процессе мейоза.

-мутационная - изм-ть связ. с изменением ген материала в рез-те мутаций.

Мутационная и комбинативная изменчивость обусловлены разнообразием генотипов, поэтому они относятся к генотипической, или наследственной, изменчивости.

2.ненаследственная (модификационная) - изм-ть, кот возникает у орг-мов при их росте и развитии в различных условиях среды и кот не связана с различием генотипа. Генотип опр. появление того или иного признака.

Для модификаций характерны следующие признаки:

1. ненаследственный характер модификаций, они не передаются по наследству.

2. степень выраженности модификации прямо пропорциональна силе и продолжительности воздействия на организм фактора, вызывающего модификацию.

3. в большинстве случаев модификация представляет собой приспособительную реакцию организма на какой-либо фактор и т.д.

Границы модификационной изменчивости, которые определяются генотипом, называются нормой реакции. Нормой реакции называют генотипически обусловленную способность организма варьировать степень выраженности признака в определенных пределах в зависимости от условий внешней среды.

При действии экстремальных факторов, с кот организм не сталкивался в своей прошлой истории или при действии хим или физ факторов, концентрация кот превышает природные, то модификация не имеет приспособительного хар-ра. Это морфозы.

Некот из морфозов, похожи на изм-я, кот выз. мутациями-фенокопии(не передаются по наследству, н-р желтое тело или брюшко)

Фенотипическая изменчивость – в процессе индивидуального развития наблюдаются закономерные изменения морфологических, физиологических, биохимических и других особенностей организма. Время и порядок появления этих изменений в онтогенезе строго определяются генотипом. Такую изменчивость называют возрастной или онтогенетической.

Классификация типов наследственной изменчивости

Мутационная изменчивость — изменчивость, вызванная действием на организм мутагенов, вследствие чего возникают мутации (реорганизация репродуктивных структур клетки). Мутагены бывают физические (радиационное излучение), химические (гербициды) и биологические (вирусы).

Основные положения мутационной теории сводятся к следующему:

1. Мутации возникают внезапно, скачкообразно, как дискретные изменения признаков.

2. В отличие от ненаследственных изменений мутации представляют собой качественные изменения, которые передаются из поколения в поколение.

3. Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными, как доминантными, так и рецессивными.

4. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей.

5. Сходные мутации могут возникать повторно.

6. Мутации ненаправленны (спонтанны), то есть мутировать может любой участок хромосомы, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков.

7. Почти любое изменение в структуре или количестве хромосом, при котором клетка сохраняет способность к самовоспроизведению, обусловливает наследственное изменение признаков организма.

По характеру изменения генома, то есть совокупности генов, заключенных в гаплоидном наборе хромосом, различают генные, хромосомные и геномные мутации.

Комбинативная изменчивость – это изменчивость, вызываемая расщеплением и перекомбинацией мутаций. Она обусловлена перекомбинацией генов родителей, без изменения структуры генетического материала.

Механизмы ее следующие:

1) рекомбинация генов при кроссинговере;

2) независимое расхождение хромосом и хроматид при мейозе;

3) случайное сочетание гамет при оплодотворении.

Например, если у родителей I и IV группы крови, то у детей могут быть либо II, либо III группы крови.

Исп. в селекции. Благодаря таким скрещиваниям возрастает вероятность встречи одинаковых гамет, и могут возникнуть потомки с комбинацией генов, близкой к родительской комбинации. Таким путем созданы некоторые породы животных и сорта растений.

Изменчивость особей в популяции - причина ее неоднородности,

эффективности действия естественного отбора. Наследственная изменчивость —

способность организмов изменять свои признаки и передавать изменения

потомству. Роль мутационной и комбинативной изменчивости особей в эволюции.

Изменение генов, хромосом, генотипа — материальные основы мутационной

изменчивости. Перекрест гомологичных хромосом, их случайное расхождение в

мейозе и случайное сочетание гамет при оплодотворении — основа

комбинативной изменчивости.

Геномные изменения

Гено́м — совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом клеток данного вида организмов.

Геномные мутации — это изменение числа хромосом в клетках организма. В основе их лежит не расхождение хромосом к полюсам клеток при мейозе или митозе в результате действия различных физических и химических факторов на нити веретена деления, приводящим к разрушению отдельных или всех нитей.

Различают:

Полиплоидия - увеличение числа хромосом в клетках растений или животных. П. широко распространена в мире растений. Среди раздельнополых животных встречается редко, главным образом у аскарид и некоторых земноводных.

При П. наблюдаются отклонения от диплоидного числа хромосом в соматических клетках и от гаплоидного — в половых. При П. могут возникать клетки, в которых каждая хромосома представлена трижды (3 n) — триплоидные, четырежды (4 n) — тетраплоидные, пять раз (5 n) — пентаплоидные и т.д. Организмы с соответственным кратным увеличением наборов хромосом — плоидности — в клетках называются триплоидами, тетраплоидами, пентаплоидами и т.д. или в целом — полиплоидами.

Возникновение клеток с числом хромосом 3-, 4-, 5-кратным (и более) гаплоидному набору, называется геномными мутациями, а получаемые формы — эуплоидными. Наряду с эуплоидией часто встречается анеуплоидия, когда появляются клетки с изменением числа отдельных хромосом в геноме (например, у сахарного тростника, пшенично-ржаных гибридов и др.). Различают автополиплоидию и аллополиплоидию.

Автополиплоидия - кратное увеличение в клетках организма исходного, характерного для вида набора хромосом. А. имеет значение в онтогенезе растений и животных, а также в филогенезе (видообразовании), главным образом у растений; у животных же — при партеногенезе. Вызывая А. искусственно (высокой температурой, излучениями, химическими соединениями), удалось получить автополиплоидные формы и сорта гречихи, ржи, сахарной свёклы и др.

Аллополиплоидия - соединение в клетках организма наборов хромосом от разных видов или родов. Т. о., А. — сочетание полиплоидии с гибридизацией. А. имеет значение в процессах видообразования Различают:

аллодиплоиды (совмещающие два генома от разных видов),

аллотетраплоиды (амфидиплоиды),

сесквиполиплоиды (с полуторным набором хромосом) и др.

Анеуплоидия — некратное гаплоидному уменьшение или увеличение числа хромосом (2n+1, 2n+2, и т. д.). Анеуплоидия не только приводит к изменению характера наследования признаков, но и вызывает определенное изменен в фенотипе.

Разновидности анеуплоидии:

а) трисомия - три гомологичных хромосомы в кариотипе.

б) моносомия в наборе одна из пары гомологичных хромосом, например, при синдроме Шерешевского-Тернера (моносомия Х).

Хромосомные перестройки. Внутри- и межхромосомные перестройки.

Хромосомные мутации характер-я изменениями положения участков, размеров и организациями хромосом. В такие перестройки м б вовлечены участки одной хромосомы или разных, негомологичных.

Хромосомные перестройки возникают в результате образовавшихся при мутагенном воздействии разрывов хромосом, последующей утраты некоторых фрагментов и воссоединения частей хромосомы в ином порядке по сравнению с нормальной хромосомой. Используют в диагностике наследственных заболеваний.

Среди внутрихромосомных перестроек выделяют:

-дупликации – удвоение, один из участков хромосомы представлен более одного раза;

-делеции – или нехватка, утрачен внутренний участок хромосомы, теломера не затронута;

-инверсии – повороты участка хромосомы на 1800. Инвертированный участок м вкл или не вкл центромеру. Из 4 хромосом образовавшихся в процессе мейоза, в случае парацентрической инверсии у 1 хромосомы отсутствует центромера, др хромосома содержит 2 центромеры, 2 хромосомы остаются нормальными – их кроссинговер не затронул. В случае перецентрической инверсии 2 хромосомы также остаются незатронутыми, в 3-й – некоторые гены утрачены., в 4-й – дуплицированны. Гетерозиготные по инверсиям организмы часто бывают стерильными, т к часть образующихся гамет не способна к образованию жизнеспособных зигот.

Межхромосомные перестройки:

–транслокации, при кот участок хромосомы перемещается на другое место негомологичной хромосомы, попадая при этом в другую группу сцепления. Выделяют несколько типов транслокаций:

А) реципрокные (робертсоновские транслокации) – взаимный обмен участками негомологичных хромосом;

Б) нереципрокные (транспозиции) – участок хромосомы изменяет свое положение или включается в др хромосому без взаимного обмена;

В) децентрические – слияние 2 и более фрагментов негомологичных хромосом, несущих участки с центромерами;

Г) центричекие – происходят при слиянии 2 центромеров негомологичных акроцентрических хромосом, с образование 1 мета- или субметацентрической хромосомы.

Классификация генных мутаций.

1. -по хар-ру изменения генома:

-геномные - изм-ние числа хромомсом

-хромосомные(хр.аберации) - изм-е структуры хромосом

-генные - изм-я в 1 гене

2. -по проявлению к гетерозиготе:

-доминантный - один ген подавляет (маскирует) проявление другого (рецессивного) и таким образом определяет проявление признака у гетерозигот

-рециссив - ген, который может подавляться воздействием доминантного гена и не проявляется в фенотипе.

3.-по уклонению от нормы (за норму приним дикий тип):

-прямые - от дик типа к мутации

-реверсии - возврат от мутации к дикому типу. Реверсии бывают:

А) истинные (обратная мутация)-мутация происходит в том же гене

Б) супрессия - взаимодействие аллельных генов(возникает агутти)

4.-в зависимости от причин, выз. мутации:

-спонтанные - возн.сами по себе без видимых причин (10 в -8 - 10 в -12)

-индуцированные - мут ,кот возникают под действием каких-либо агентов(мутагенов)

Спонтанный и индуцированный мутационный процесс.

Спонтанные мутации возникают под влиянием природных факторов (мутагенные факторы). Чаще всего как результат ошибок при воспроизведении генетического материала (ДНК или РНК). Частота спонтанного матирования у каждого вида генетически обусловлена и поддерживается на определенном уровне.

Индуцированный мутагенез – это искусственное получение мутации с помощью физических и химических, биологических  мутагенов. Т.о. мутационная изменчивость обусловлена не перекомбинацией генов, а нарушение наследственных структур.

Мутагены — химические и физические факторы, вызывающие наследственные изменения — мутации. Мутагенами могут быть различные факторы, вызывающие изменения в структуре генов, структуре и количестве хромосом. По происхождению мутагены классифицируют на эндогенные, образующиеся в процессе жизнедеятельности организма и экзогенные — все прочие факторы, в том числе и условия окружающей среды. По природе возникновения мутагены классифицируют на физические, химические и биологические:

Физические мутагены

• ионизирующее излучение;

• радиоактивный распад;

• ультрафиолетовое излучение;

• моделированное радиоизлучение и электромагнитные поля^[1][2];

• чрезмерно высокая или низкая температура.

Химические мутагены

• окислители и восстановители (нитраты, нитриты, активные формы кислорода);

• алкилирующие агенты (например, иодацетамид);

• пестициды (например гербициды, фунгициды);

• некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды, цикламаты);

• продукты переработки нефти;

• органические растворители;

• лекарственные препараты (например, цитостатики, препараты ртути, иммунодепрессанты).

• К химическим мутагенам условно можно отнести и ряд вирусов (мутагенным фактором вирусов являются их нуклеиновые кислоты — ДНК или РНК).

Биологические мутагены

• специфические последовательности ДНК  — транспозоны;

• некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа);

• продукты обмена веществ (продукты окисления липидов);

• антигены некоторых микроорганизмов.

Мутагены, увеличивающие частоту мутаций в сотни раз (нитропроизводные мочевины) называются супермутагенами. Процесс образования мутаций с помощью физических или химических мутагенов называется мутагенезом.

Радиационный мутагенез

Действие ионизирующего излучения основано на ионизации компонентов цитоплазмы и ядерного матрикса. При ионизации возникают высокоактивные химические вещества (например, свободные радикалы), которые различным образом действуют на клеточные структуры. Рассмотрим наиболее изученные механизмы мутагенного воздействия ионизирующего излучения.

1. Непосредственное воздействие частиц с высокой энергией на ДНК, которое приводит к ее разрывам: одиночным (под воздействием гамма-квантов, рентгеновских лучей) или множественных (под воздействием альфа-частиц, нейтронного излучения). Это универсальный механизм возникновения хромосомных перестроек на всех стадиях клеточного цикла, но он действует очень грубо – обычно клетки теряют способность к нормальному делению и погибают.

2. Опосредованное воздействие ионизирующих факторов связано с нарушением структуры ферментов, контролирующих репликацию, репарацию и рекомбинацию ДНК. Этот механизм наиболее эффективно действует на синтетической стадии интерфазы. При больших дозах мутагенов клетки погибают. (Поскольку раковые клетки делятся непрерывно, то облучение является универсальным средством подавления развития метастазов при онкологических заболеваниях – непрерывно делящиеся раковые клетки более уязвимы, чем медленно пролиферирующие или непролиферирующие нормальные клетки.)

3. Особенности мутагенного действия ультрафиолетовых лучей. ДНК интенсивно поглощает жесткий ультрафиолет с длиной волны ≈ 254 нм. Основным продуктом является образование нуклеотидных димеров: два нуклеотида, расположенных рядом в одной цепи ДНК, «замыкаются» сами на себя, образуя пары «тимин–тимин» и «тимин–цитозин». При репликации ДНК напротив такой пары в достраивающейся цепи могут стать два любых нуклеотида, т.е. принцип комплементарности не выполняется.

4. Особенности мутагенного действия экстремальных температур. Собственный мутагенный эффект экстремальных температур не доказан. Однако очень низкие или очень высокие температуры нарушают деление клетки (возникают геномные мутации). Экстремальные температуры усиливают действие других мутагенов, поскольку снижают ферментативную активность репарационных систем.

Для количественной оценки мутагенеза, индуцированного действием низкоинтенсивных физических и химических мутагенов, представляющего реальную опасность для здоровья и жизни не только ныне живущих, но и последующих поколений, используют критерии количественной оценки риска (КОР) и относительной генетической эффективности (ОГЭ). Для установления КОР определяют зависимости «доза (концентрация) – эффект», действие физических и химических мутагенов в «малых дозах», рассчитывают порог дозы (концентрации), используют приемы экстраполяции экспериментальных данных на человека.

Химический мутагенез

Алкилирующие агенты. Вызывают алкилирование ДНК (например, метилирование, этилирование и т.д.). В результате при репликации ДНК нарушается принцип комплементарности, и происходит замена нуклеотидных пар:

ГЦ → АТ; ГЦ → ЦГ; ГЦ → ТА

Гидроксиламин. Избирательно аминирует цитозин, что также нарушает принцип комплементарности при репликации ДНК. В результате происходит замена ГЦ → АТ.

Нитриты. Осуществляют окислительное дезаминирование гуанина, аденина, цитозина. Также нарушается принцип комплементарности при репликации ДНК. В результате происходит замена АТ →ГЦ.

Аналоги оснований. Это вещества, сходные с «обычными» азотистыми основаниями. Однако они способны образовывать комплементарные пары с разными «нормальными» основаниями. Например, при репликации ДНК напротив гуанина вместо цитозина достраивается  5-бромурацил (аналог тимина). В дальнейшем напротив 5-бромурацила достраивается аденин, а напротив аденина – обычный тимин. Этот же процесс может идти и в противоположную сторону. В результате происходят замены: ГЦ → АТ или АТ → ГЦ.

Существует множество иных химических факторов, обладающих мутагенным, канцерогенным и тератогенным действием. Например, ионы тяжелых металлов, связываясь с ферментами репликации, репарации и рекомбинации, снижают их ферментативную активность. Таким образом, не являясь собственно мутагенами, ионы тяжелых металлов способствуют появлению мутаций.

Методы количественной оценки частоты возникновения мутаций. Мутагены окружающей среды и методы их тестирования.

Основной метод изучения мутационного процесса — опреде­ление его частоты.

1. Работа возможна только с генетически чистым материа­лом, т. е. инбредными или чистыми линиями, гомозиготными по исследуемым генам.

2. Необходимо оперировать достаточно большими численнос­тями как в контроле, так й в обработанном мутагенами материале.

3. Для регистрации возникающих мутаций следует применять удобные генетические методы.

4. Анализировать любые полученные изменения, с тем чтобы установить наследственны ли они (цитоплазматические или ядерные, хромосомные или генные).

5. Требуется знание способа действия мутагена на зародыше­вые клетки обработанного организма.

Эти правила касаются изучения индуцированного мутацион­ного процесса, и его частоту обычно определяют, вычитая частоту мутаций, возникающих в контрольном варианте (без обработки), из частоты мутаций в опытном варианте (после обработки мутаге­ном).

Учет мутаций у микроорганизмов. Такой эксперимент доста­точно просто провести на гаплоидных микроорганизмах, у кото­рых каждая клетка на плотной среде может образовать отдель­ную колонию, представляющую собой клон, и все эти клоны про­веряют по интересующему признаку.

Эксперимент: приготавливают суспензию клеток Е. coli, разделить ее на две части, из которых одна контрольная, а другая обрабатывается мутагеном. Обе суспензии высевают на среду без бактериофага — для подсчета числа жизне­способных клеток, образующих колонии, и на среду с бактериофа­гом — для учета числа устойчивых клеток .

В то же время метод отпечатков незаменим при учете мутан­тов, теряющих способность к росту на каком-либо субстрате, например ауксотрофных по гистидину. Тогда колонии, выросшие на полноценной среде, перепечатывают на чашки со средой без гистидина и отыскивают те, отпечатки которых на этой среде не способны к росту. Затем сравнивают их частоты в контрольном и опытном вариантах.

Учет мутаций у дрозофилы. Изучение мутационного процесса, особенно спонтанного мутирования у высших организмов — рас­тений и животных — затруднено в связи с ограниченным числом особей, которых можно исследовать, а также в связи с их дипло- идностью, препятствующей непосредственному проявлению рецес­сивных мутаций.

Наиболее удобные методы учета мутаций разработаны для дрозофилы (D. melanogaster). Собственно именно создание мето­дов учета рецессивных летальных мутаций в Х-хромосоме опре­делило успех Г. Меллера, открывшего действие рентгеновых лучей на мутационный процесс у дрозофилы. Для учета рецессив­ных летальных мутаций, сцепленных с полом, у дрозофилы ши­роко применяют метод Меллер-5 (рис. 12.5). Самки линии Меллер-5, или М-5, несут в обеих Х-хромосомах по две инверсии: sc⁸ и б 49. Инверсия sc⁸ захватывает почти всю Х-хромосому, а в ее пределах находится еще одна инверсия — 8 49. В этой системе кроссинговер полностью подавлен. Используемые инверсии не име­ют рецессивного летального дейЬтвия. Кроме того, обе хромосомы М-5 несут три маркера: два рецессивных — W (абрикосовый цвет глаз) и sc⁸ (укороченные щетинки — фенотипическое проявление одноименной инверсии, затрагивающей ген sc) и один доминант­ный — Ваг.

При скрещивании исследуемых самцов с самками М-5 в инди­видуальных семьях F, получают по два класса самок и самцов, ес­ли в Х-хромосоме сперматозоидов исходного самца не возникла рецессивная летальная мутация (рис. 12.5, А). Если же рецессив­ная леталь появилась, то в соответствующей индивидуальной

культуре в F2 мы получим только один класс самцов (рис. 12.5, Б), будут отсутствовать самцы дикого типа w' В' .

Метод 'Меллер-5 можно использовать и для регистрации ре­цессивных мутаций в Х-хромосоме с видимым проявлением. Для этой цели удобнее применять метод double yellow, основанный на скрещивании исследуемых самцов с самками, несущими сцеп­ленные Х-хромосомы (см. гл. 5). Благодаря тому, что при таком скрещивании сыновья получают свою Х-хромосому непосредствен­но от отца, рецессивные мутации в этой хромосоме можно учи­тывать уже в F\ (рис. 12.6).

Учет летальных мутаций и мутаций с видимым фенотипичес­ким проявлением легче удается для Х-хромосом дрозофилы бла­годаря специфике ее наследования. Однако существуют методы учета летальных мутаций в аутосомах. Например, для учета ре­цессивных летальных мутаций в хромосоме 2 используют так на­зываемый метод сбалансированных леталей. Для этого применяют линию, гетерозиготную по хромосоме 2. В одном гомологе нахо­дятся доминантные гены Cyrly (Су — загнутые крылья) и Lobe ( L — уменьшенные глаза лопастной формы), в другом гомоло­ге— Plum (Pm— сливово-коричневый цвет глаз). Кроме того, хромосома Су L содержит инверсии, препятствующие кроссинго- веру. Все три доминантные мутации обладают рецессивным леталь­ным действием. Благодаря этому при разведении такой линии выживают только гетерозиготы по указанным генам. Это и есть система сбалансированных леталей.

Методы выявления генных мутаций

 Сложность выявления генных мутаций связана, во-первых, с рецессивностью большинства мутаций (вероятность их фенотипического проявления ничтожно мала), а во вторых с летальностью многих из них (мутанты не выживают).

Все множество методов выявления генных мутаций можно разделить на две группы: методы генетического анализа и биохимические методы.

 1. Методы генетического анализа основаны на скрещивании возможных носителей мутации с тестерными линиями (линиями-анализаторами). Самый простой метод – это скрещивание носителей предполагаемой мутации с соответствующей рецессивно-гомозиготной линией, т.е. обычное анализирующее скрещивание.

Однако этот метод не позволяет выявить неизвестные мутации, а также летальные мутации. Поэтому создаются специальныетестерные линии для учета летальных мутаций.

Тест Эймса 

Принцип метода основан на выращивании мутантных ауксотрофных бактериальных клеток в присутствии исследуемого вещества. Ауксотрофными называют мутантные клетки, неспособные расти на минимальной питательной среде без добавок метаболита, биосинтез которого нарушен в результате мутации. В классическом тесте Эймса чаще всего используют клетки Salmonella typhimurium , ауксотрофные по аминокислотам (в частности Trp), ауксотрофность которых возникает в результате единственной точковой мутации. Суспензию бактерий инкубируют в присутствии исследуемого вещества и высевают на твердую питательную среду, содержащую минимальное количество вещества, по которому бактерии ауксотрофны. Вещества должно быть достаточно для того, чтобы клетки смогли совершить несколько делений, не образовав видимых колоний. Образующиеся мутации фиксируются в геноме бактерий. Когда возникают реверсии в локусе, определяющем ауксотрофность, бактерии начинают расти без добавок, образуя видимые колонии. Таким образом, если испытуемое вещество обладает мутагенным действием, эффективность образования ревертантов в его присутствии будет значительно выше, чем без него, что проявляется в виде множества бактериальных колоний, вырастающих на твердой питательной среде в отсутствие пищевой добавки.

Метод Меллера

Метод Меллера для выявления мутагенного действия рентгеновских лучей - метод обнаружения рецессивных, сцепленных с полом летальных мутаций у дрозофилы.

Г.Меллер показал на дрозофиле, что под действием рентгеновских лучей у дрозофил возникают мутации.

Метод Меллера для выявления мутагенного действия рентгеновских лучей - метод обнаружения рецессивных, сцепленных с полом летальных мутаций у дрозофилы.

Показаны X- и Y-хромосомы в гаметах и зиготах самок (I) и самцов (II) дрозофил.

А - скрещивание самок "дикого" типа с самцом, Х-хромосома которого несет летальную мутацию, вызванную действием рентгена (заштрихованный участок на Х-хромосоме). Верхний ряд - половые хромосомы в гаметах самки и самца, нижний ряд - в зиготах их потомства. Самки, полученные при этом скрещивании, становятся носительницами летальной мутации.

Б - скрещивание самок-носительниц с самцами "дикого" типа. Половина зигот самцов, потомков этого скрещивания, получает Х-хромосому с летальной мутацией и погибает.

Показаны X- и Y-хромосомы в гаметах и зиготах самок (I) и самцов (II) дрозофил.

А - скрещивание самок "дикого" типа с самцом, Х-хромосома которого несет летальную мутацию, вызванную действием рентгена (заштрихованный участок на Х-хромосоме). Верхний ряд - половые хромосомы в гаметах самки и самца, нижний ряд - в зиготах их потомства. Самки, полученные при этом скрещивании, становятся носительницами летальной мутации.

Б - скрещивание самок-носительниц с самцами "дикого" типа. Половина зигот самцов, потомков этого скрещивания, получает Х-хромосому с летальной мутацией и погибает.

метод double yellow

Л. В. Морган нашла исключи­тельную — желтую самку в F1 от скрещивания При скрещивании этой самки с нормальными самцами (у⁺), имевшими се­рую окраску тела, все самцы- потомки получили нормаль­ную окраску тела, а все сам­ки были желтыми. Таким об­разом, крисс-кросс наследо­вания вообще не было. Цито­логический контроль пока­зал, что у этих желтых са- мок-потомков исключитель­ной мухи Х-хромосомы сцеп­лены в районе центромеры (в Х-хромосоме она на кон­це), а также имеется допол­нительная Y-хромосома (рис.

5.8). Линия, несущая сцеп­ленные Х-хромосомы и гомо­зиготная по гену у, была на­звана double yellow (двой­ная желтая). В ней сам­ки получают две свои Х-хромосомы непосредственно от матери, а самцы свою единственную Х-хромосому — от отца

Антимутагены - вещества, понижающие частоту мутаций, препятствующие мутагенному действию химических или физических агентов.

Антимутагены разделияют их на две основные группы в зависимости от места действия: внеклеточные (дисмутагены) и внутриклеточные. Еще одна классификация атимутагенов базировалась на предполагаемых механизмах их действия. Так, группа внеклеточных антимугагенов состоит из трех подгрупп:

1) ингибиторы поглощения мутагенов и их предшественников (препятствуют проникновению в организм или ускоряют выведение из организма мутагенов), например, жирные кислоты, ароматические аминокислоты и др.;

2) ингибиторы эндогенного формирования мутагенов (предотвращают/тормозят реакции нитрозирования или изменяют внутрикишечную флору), например, токоферолы, фенолы, аскорбиновая кислота, ферментированные молочные продукты;

3) дезактиваторы мутагенов (в результате физических и/или химических реакций), например, вещества, поддерживающие определенный уровень рН в жидкостях тела, а также тиолы, антиоксиданты.

Внутриклеточные ингибиторы мутагенеза также представлены тремя подгруппами:  1) модуляторы метаболизма (ускоряют переход мутагенов в клетки, не являющиеся мишенями, индуцируют механизмы детоксикации), например, тиолы и фенолы; 2) инактиваторы реакционно-способных молекул (взаимодействуют с электрофилами, улавливают кислородные радикалы, защищают нуклеофильные участки ДНК);  3) модуляторы репликации и репарации ДНК (увеличивают точность репликации, повышают эффективность репарации, ингибируют ошибки репарации), например, хлорид кобальта, арсенит натрия, кумарин, ванилин, тиолы, ингибиторы протеаз.

Что касается антимугагенных свойств пищевых компонентов, то в 1992 г. Б. Ставрик выделил из разных типов пищевых продуктов более 25 видов содержащихся в них, так называемых, химиопревентеров, среди которых - витамины, селен, кальций, флавоноиды, каротиноиды, кумарины, хлорофилл, растительные кислоты, пищевые волокна, жирные кислоты. К антимутагенам растительного происхождения принято относить капусту, зеленый перец, яблоки, лук, листья мяты, семена растений. Многие из перечисленных соединений в экспериментах снижают повреждающее действие средовых мутагенов.

Следует отметить специфичность действия антимутагенов, проявляющуюся, прежде всего, в высокой избирательности, что особенно характерно для пищевых антимутагенов вообще и витаминов, в частности. Антимутагены ингибируют эффекты одних мутагенов, а в отношении других их действие может быть прямо противоположным (так называемое комутагенное действие) или отсутствовать вовсе. Достоверно установлено, что бесспорный компонент полноценного питания - витамин С — проявляет и антимутагенные, и мутагенные, и комутагенные свойства.

Комутагенное действие (усиление повреждающего влияния генотоксических соединений) способны оказывать in vitro и другие витамины, втом числе В2 и Е. Результат зависит от дозы антимутагена, применяемой тест-системы и метода учета наблюдаемого эффекта. И, наконец, вследствие высоко специфичного действия антимутагенов по отношению к органам-мишеням, не исключена возможность защиты генетических структур в клетках одних тканей с одновременным потенцированием мутагенного эффекта в других, чему есть косвенные подтверждения.

Вопрос создания фармакологических корректоров мутагенеза остается открытым как вследствие множественности мутагенных загрязнений одного и того же объекта, так и по причине смешанных механизмов генотоксического действия химиопревентеров.

Закон Вавилова — закон гомологических рядов в наследственной изменчивости.

Виды и роды, близкие генетически, связанные единством происхождения, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости, зная, какие формы изменчивости встречаются у одного вида, можно предвидеть нахождение аналогичных форм у других видов.

Фактами, подтверждающими этот закон, являются случаи альбинизма у позвоночных, гемофилия у человека и др. млекопитающих, отсутствие остей в соцветиях, черная окраска и голозернистость злаковых культур и т.д.

Появление сходных мутаций объясняется некоторой общностью генотипов. В процессе возникновения новых видов различия между ними устанавливаются только по части генов, обусловливающих успешное существование их в конкретных условиях. В то же время многие гены у видов данного рода или даже семейства остаются неизменными и при мутациях дают сходные признаки.

Закон Н. И. Вавилова имеет большое практическое значение, поскольку прогнозирует поиск определенных форм изменчивости у растений и животных. Зная характер изменчивости одного или нескольких близких видов, можно целенаправленно искать формы, еще не известные у данного организма, но уже открытые у его таксономических родственников