Что такое мутагенез в обж
Мутагенез
Полезное
Смотреть что такое «Мутагенез» в других словарях:
мутагенез — мутагенез … Орфографический словарь-справочник
Мутагенез — Мутагенез это внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (мутаций). Различают естественный (спонтанный) и искусственный (индуцированный) мутагенез. Содержание 1 Естественный мутагенез … Википедия
МУТАГЕНЕЗ — (от мутации и генез), искусственное получение мутаций с помощью физич. или химич. мутагенов. Один из важнейших приёмов эксперим. генетики. В селекции М. используют для получения перспективных мутантов животных, растений и микроорганизмов. Часто… … Биологический энциклопедический словарь
Мутагенез — метод в селекции высших растений и микроорганизмов, который позволяет искусственно получать мутации. Основой мутагенеза являются изменения в молекулах нуклеиновых кислот. По английски: Mutagenesis См. также: Селекция Мутации Финансовый словарь… … Финансовый словарь
Мутагенез — * мутагенез * mutagenesis 1. Процесс возникновения наследственных изменений (мутаций, см.) под влиянием внутренних или внешних, естественных (спонтанный М.) или искусственных (искусственный, индуцированный или экспериментальный М.) мутагенных… … Генетика. Энциклопедический словарь
МУТАГЕНЕЗ — (от мутация и. генез), процесс возникновения в организме наследственных изменений мутаций. Основа мутагенеза изменения в молекулах нуклеиновых кислот, хранящих и передающих наследственную информацию. Методы искусственного мутагенеза используют… … Современная энциклопедия
мутагенез — искусственное получение мутаций с помощью физ. или хим. мутагенов. Один из важнейших приемов экспериментальной генетики. В селекции микроорганизмов М. используют для получения высокопродуктивных пром. штаммов. (Источник: «Микробиология: словарь… … Словарь микробиологии
Мутагенез — I Мутагенез [мутация (от лат. mutatio изменение) + греч. gennaō рождать, производить] возникновение мутаций внезапных качественных изменений генетической информации. В качестве синонима понятия «мутагенез» часто используют понятие «мутационный… … Медицинская энциклопедия
Урок в 10 классе «Мутации»
Тема урока: «Мутации. Искусственный мутагенез»
Цель урока : показать сущность закона диалектики «Переход количественных изменений в качественные»
образовательные: углубить и конкретизировать знания о мутационном процессе; сформировать представление о мутагенных факторах среды обитания, свойствах мутагенов и механизмах защиты от мутаций, значении мутаций в природе и жизни человека; познакомить учащихся с практическим использованием мутагенов для экспериментального получения мутаций.
воспитательные: воспитание общей культуры учебной деятельности (умения слушать, работать в парах, воспитание культуры речи);
развивающие: формирование навыков логического мышления; умения использовать Интернет-ресурсы и литературные источники для поиска новой информации, заполнять схемы, таблицы по различным источникам информации.
Оборудование: презентация по теме: таблица «Типы мутаций».
Тип урока : комбинированный.
Метод урока: проблемный, частично-поисковый, беседа.
ФОПД: групповая, индивидуальная , работа с инструктивными картами
I Организационный момент
II Повторение и актуализация знаний
Какую тему мы изучаем?
Что такое наследственность?
Что такое изменчивость?
Кто является создателем мутационной теории?
Сформулируйте мутационную теорию.
Какие мутации называются генными?
Какие мутации называются хромосомными?
Какие мутации называются геномными? ( учащихся – дают определения.)
III Изучение нового материала
Учитель: Сегодня мы продолжаем говорить о мутациях
Что нам известно о мутациях? (учащихся – отвечают на вопрос.)
Возможно ли в природе возникновение таких мутантов, и будут ли они сохранены естественным отбором?
Какие причины приводят к появлению мутаций? (учащиеся пытаются ответить на вопрос)
Учитель: На этот вопрос мы должны ответить сегодня на уроке.
(Учащиеся записывают в рабочую карту дату, фамилию, тему урока, цель урока)
Учитель: В конце урока вы должны знать, уметь:
ЗНАТЬ – понятия мутагены и мутагенез, группы мутагенов, свойства мутагенов, факторы защиты клеток от мутаций, значение искусственного мутагенеза в селекционной работе, значение мутаций в природе и жизни человека;
УМЕТЬ – пользоваться биологической терминологией, называть группы мутагенов и характеризовать их свойства, пояснять эволюционное значение мутаций.
Причинами мутаций являются действия факторов, называемых мутагенными
Мутагены – факторы, вызывающие мутации.
(учащихся – заполняют рабочую карту.)
Выделяют 3 группы мутагенов. Краткую характеристику вы заносите в таблицу «Группы мутагенов»
Характеристику мутагенов дают экспертные группы учащихся (класс делится на группы)
Примерные сокращённые выступление учащихся.
1 группа : В настоящее время хорошо изучены факторы среды, оказывающие наиболее мощное мутагенное действие. Выделяют три основные группы мутагенов: физические, химические и биологические. Мы охарактеризуем физические мутагенные факторы.
3 группа: третья группа мутагенных факторов представлена биологическими мутагенами: вирусами (краснухи, гриппа), токсинами, некоторыми вакцинами, транспозонами.
( учащихся записывают в карту определения терминов).
Комутагены – усиливают действие мутагенов (СО, никотин, некоторые смолы сигаретного дыма, нефтепродукты, вещества в карамели, некоторые пищевые добавки).
Следующий вопрос – Какими свойствами обладают мутагены?
4 группа : Все мутагены, независимо от их природы, обладают следующими свойствами:
Универсальность – одни и те же мутагены вызывают мутации у всех живых организмов.
Ненаправленность – один и тот же мутаген, воздействующий на родственные организмы, вызывает у них разные мутации.
Отсутствие нижнего порога – слабый мутаген может вызвать более сильные мутации, чем сильный и наоборот.
Кажется, что вероятность их ничтожно мала, но из-за огромного количества генов в организме 10% генов взрослого организма мутантны. С возрастом мутации накапливаются.
В процессе эволюции клетки живых организмов выработали механизмы защиты от мутаций.
5 группа : Эти механизмы являются свойствами генетического кода.
При репликации ДНК образуются её точные копии.
В случае ошибок «ремонтные» ферменты-операторы вырезают ошибочные кодоны и вставляют нужные. Этот процесс называется репарация. Осуществляется од и после репликации.
Вырожденность кода? (Одна аминокислота кодируется несколькими триплетами нуклеотидов)
Экстракопирование важных генов – наиболее важные гены по несколько раз записаны в ДНК.
Парность хромосом – при повреждении одной хромосомы гены, аллельные поврежденным, продолжают работать.
( учащиеся : заполняют контрольно-обучающую карту.)
Из всего выше сказанного создаётся впечатление, что мутации – крайне нежелательные явления для организмов. Однако, искусственный мутагенез широко используется в селекционной работе. Зачем? Слово следующей экспертной группе.
6 группа : открытие мутагенных факторов позволило использовать их в практике селекционной работы. Благодаря искусственному мутагенезу были созданы многие новые сорта растений, штаммы микроорганизмов.
Искусственный мутагенез — контролируемый человеком процесс возникновения мутаций путём воздействия радиационного излучения и химических веществ, успешно применяемый в селекции растений и микроорганизмов.
Благодаря этому методу созданы новые сорта картофеля, томатов, кукурузы, хлопчатника, пшеницы, устойчивых к неблагоприятным погодным условиям и с высокой урожайностью. Большинство современных сельскохозяйственных сортов растений полиплоидны благодаря использованию колхицина.
Успешно этот метод применяется в селекции микроорганизмов. Современные штаммы гриба пеницилла в 1000 раз продуктивнее своих природных предков.
Деятельность учащихся : заполнение контрольно-обучающей карты.
Каково значение мутации?
В природе – мутации, находящиеся в гетерозиготном состоянии являются резервом наследственной изменчивости, материалом для естественного отбора.
Для человека – материал для искусственного отбора, могут вызвать тяжёлые заболевания, иногда – с летальным исходом.
IV Подведение итогов
Какую тему изучали?
Каково практическое значение полученных знаний?
Что оказалось непонятно, мы сейчас узнаем. Далее работаем с контрольно-обобщающими картами: выполните задания тестов (отмечайте правильные ответы кружочками).
По окончанию работы: проверьте результаты, запишите ошибки.
V Закрепление изученного материала
Работа с тестами в контрольно-обучающей карте.
Изучить § 29, повт. §37; 38. По желанию – реферат « Мутагенное загрязнение окружающей среды»
Контрольно-обучающая карта ученика (цы) __________________________________________
Тема: Причины мутаций . Искусственный мутагенез
Работа исследовательских « групп » : заполнение таблицы
Химический мутагенез
Далеко не всякая модификация молекулы ДНК (мутация) является опасной для организма. Более того, эволюция была бы не возможна без мутаций, поскольку именно она лежит в основе изменчивости. Опасность представляет случайный, ненаправленный мутагенез, как правило, несущий для организма негативные последствия. Неблагоприятные эффекты мутагенеза определяются тем, в клетках какого типа он реализуется: половых или соматических, стволовых и делящихся или созревающих и зрелых. Результатом грубых мутаций половых клеток и делящихся клеток развивающегося плода являются: стерильность особи, врожденная патология у потомства, тератогенез, гибель плода. Мутации стволовых и делящихся соматических клеток сопровождаются структурно-функциональными нарушениями тканей с непрерывной физиологической регенерацией (система крови, иммунная система, эпителиальные ткани) и канцерогенезом. Повреждение токсикантом ДНК зрелой соматической клетки не приводит к пагубным последствиям для организма.
Основными видами мутаций, вызываемых химическими веществами, являются: 1) точечная мутация, связанная с модификацией одного нуклеотида в структуре ДНК, (замещение нуклеотида, выпадение нуклеотида из цепи, включение дополнительного нуклеотида в цепь); 2) хромосомные аберрации, т.е. изменение структуры хромосом (разрывы молекул ДНК, транслокации фрагментов ДНК) или числа хромосом в клетке.
Примером химической модификации является изменение нуклеотида азотистой кислотой.HNO 2 способна превращать цитозин в урацил или аденин в гипоксантин (рисунок 1). Такой тип мутации выявлен в опытах с фагами, бактериями, микромицетами. У млекопитающих он возможен при действии активных в химическом отношении веществ, прежде всего на барьерные ткани (например, эпителий желудочно-кишечного тракта).
Рисунок 1. Превращение цитидина в уридин под влиянием азотистой кислоты
Алкилирующими агентами называются вещества, способные ковалентно присоединять алкильные радикалы к активным группам нуклеотидов ДНК. Такой способностью обладают сернистый и азотистый иприты, многие промышленные токсиканты, лекарственные (противоопухолевые) препараты (производные дихлорэтиламина: циклофосфамид, мелфалан; производные нитрозомочевины: кармустин, ломустин; алкилсульфонаты: бисульфан; цисплатин и т.д.) (рисунок 2).
Рисунок 2. Структура некоторых алкилирующих агентов
Рисунок 3. Участки наиболее вероятного алкилирования ДНК в физиологических условиях
Некоторые вещества, используемые в настоящее время в качестве противоопухолевых средств, являются структурными аналогами пуриновых и пиримидиновых оснований, входящих в ДНК. Поступая в организм, они включаются в синтез ДНК опухолевыми клетками, замещают генуинные нуклеотиды, вызывая летальные мутации. Результатом этого является гибель быстро делящихся клеток опухолей. К числу таких веществ относятся 5-бромурацил, 5-фтордезоксиуридин, 2-аминопурин, 6-меркаптопурин и т.д. Поражение этими веществами здоровых клеток организма, находящихся в фазе деления, может приводить к их мутациям (и пагубным последствиям для организма).
1.2. Выпадение или включение дополнительного нуклеотида
Выпадение или включение дополнительного нуклеотида в структуру ДНК кардинальным образом изменяет триплетный код, с помощью которого храниться информация о последовательности аминокислот в синтезируемом белке. Поскольку выпадение или включение основания приводит к «сдвигу» всей последовательности нуклеотидов (рисунок 4) последствия такой мутации, как правило, пагубны.
Рисунок 4. Выпадение аденина (А*) приводит к сдвигу цепи нуклеотидов влево и полному изменению триплетного кода
Некоторые токсиканты, например производные акридина, способны вызывать подобные изменения в структуре ДНК.
Клетки обладают способностью корректировать и устранять повреждения ДНК. Вследствие этого лишь небольшое число мутаций, инициированных токсикантом, сохраняется в процессе репликации молекулы. Однако если мутация не распознана, извращенная информация транскрибируется в РНК, а затем экспрессируется в форме неполноценного протеина. Последствия этого для клетки могут быть либо несущественны, либо критичны, в зависимости от функций, выполняемых протеином.
В ходе «сшивания» двунитевых разрывов хромосом весьма вероятны ошибки. Основные виды нарушений, возникающих при этом, это делеция, транслокация и инверсия частей хромосом.
Рисунок 5. Структура колхицина
Колхицин блокирует митоз в метафазе, вызывая полиплоидию поврежденной клетки. Другими примерами веществ, действующих подобным образом, являются производные алкалоида винкамина (винкристин, винбластин) и подофилотоксин. Полиплоидия у млекопитающих, как правило, является летальной мутацией (в отличии от растений).
3. Условия действия мутагенов на клетки
Все клетки организма находятся в одной из фаз клеточного цикла:
1. Покоя (фаза G 0 ): клетка функционирует или покоится (большинство соматических неделящихся клеток);
2. Синтеза клеточных компонентов, необходимых для последующего синтеза ДНК (фаза G 1 ): идет накопление необходимого количества пуриновых и пиримидиновых оснований и других химических компонентов ДНК. В делящейся клетке процесс занимает до 40% общего времени цикла клеточного деления;
3. Синтеза ДНК (фазаS): осуществляется «сборка» новой молекулы ДНК из наличествующих в клетке компонентов. Процесс занимает до 39% времени клеточного цикла.
4. Синтеза клеточных компонентов для митоза (фазаG 2 ). В частности синтезируется мономеры и полимер тубулина и т.д. Процесс занимает около 19% времени цикла делящейся клетки.
5. Митоза (фазаM): разделение генетического материала между вновь образующимися дочерними клетками; клеточное деление. Процесс занимает 2% времени.
Часть химические вещества способны вызывать мутации лишь тех клеток, которые находятся в определенной фазе цикла, это так называемые цикло-специфичные вещества. Другие действуют на генетический аппарат не зависимо от того, в каком периоде клеточного цикла находится клетка (цикло-неспецифичные). Такая особенность в действии веществ определяется механизмом, посредством которого токсикант повреждает ДНК (см. выше). К числу цикло-неспецифичных принадлежат мутагены, способные вызывать химическое повреждение нуклеотидов (алкилирующие агенты и химические модификаторы нуклеотидов). Все остальные мутагены являются цикло-специфичными.
4. Изучение мутагенной активности
Изучение мутагенной активности химических веществ осуществляется в опытахin vitro на прокариотических и эукариотических клетках, путем непосредственного изучения степени повреждения ДНК, и выявления хромосомных аберраций у животных, подвергшихся действию токсикантов.
4.1. Исследования в опытах на прокариотах. Тест Эймса
В основе теста, разработанного Брюсом Эймсом, лежит способность мутагенов вызывать обратную мутацию измененного штаммаSalmonella typhimurium, неспособного к биосинтезу гистидина. Микроорганизмы данного штамма не растут в среде, не содержащей гистидин, однако под влиянием мутагенов вновь приобретают эту способность, свойственную исходному штамму сальмонелл (обратная мутация). В настоящее время созданы специальные штаммы, позволяющие выявлять мутации типа «замещение основания» (штамм ТА-1531) и типа «сдвиг цепи нуклеотдидов» (штамм ТА-1537, ТА-1538).
Тест осуществляется на суспензии бактериальных клеток в расплавленном при 45 0 агаре. В инкубационную среду (не содержащую гистидин) добавляют токсикант. К части проб добавляют также фракцию микросом, выделенных из гепатоцитов крыс, предварительно обработанных полихлорированными бифенилами, с целью индукции цитохромовР-450 (фракцияS-9). Смеси разливают по чашкам Петри. Число бактерий, приобретших вследствие обратной мутации способность синтезировать гистидин, оценивают путем подсчета колоний, развившихся в инкубате. Исследуемое вещество оценивается в нескольких концентрациях (установление дозовой зависимости эффекта). В итоге получается информация о наличии мутагенности у исходного вещества (среды без фракцииS-9) и его метаболитов (среды, содержащие фракциюS-9). Недостатком метода является сложность получения количественных характеристик мутагенной активности обследуемых веществ для млекопитающих и человека.
В настоящее время тестирование проводят и на других биологических объектах (прямая и обратная мутацияEscherichia coli,прямая мутация сальмонелл).
4.2. Исследования в опытах на клетках млекопитающих
Первоначально считалось, что культуры клеток млекопитающих будут идеальным объектом для изучения мутагенной активности токсикантов. Однако в процессе работы, вскрылись обстоятельства поколебавшие эти представления. Прежде всего клетки многих тканей трудно культивировать, у многих из них практически отсутствует способность к клонированию, метаболическая активность клеток недостаточна. В настоящее время в исследованиях предпочтение отдают культурам клеток перевиваемых линий (например, овариальные клетки китайского хомячка, клетки мышиной лимфомы и т.д.). Однако чувствительность этих клеток к ксенобиотикам уже отличается от чувствительности клеток первичных тканевых культур.
ГГФРТ регулирует инкорпорацию пуринов из среды в клетку. Мутация локуса ДНК, ответственного за синтез энзима, приводит к угнетению ферментативной активности, прекращению транспорта пуринов в клетку, в том числе и их токсичных аналогов. Мутировавшие клетки выживают в среде, содержащей аза- и тиогуанины.
ТК активирует транспорт пиримидинов. Мутация лкуса ДНК, ответственного за синтез ТК, делает клетку не чувствительной к токсическому действию токсичных аналогов пиримидина.
Оуабаин убивает клетки, взаимодействуя сNa/К-АТФазой. Мутация локуса, ответственного за синтез этого энзима изменяет его сродство к токсиканту, увеличивает резистентность клетки к яду.
Наиболее часто используется модель мутации ТК локуса в опытах с культурой клеток мышиной лимфомы (иногда с добавлением в инкубационную средуS-9 фракции гепатоцитов). После воздействия исследуемого токсиканта оценивается количество клеток, способных образовывать колонии в среде, содержащей бромдезоксиуридин.
В настоящее время описано множество других тест-объектов, на которых можно проводить подобные исследования.
4.3. Оценка индукции синтеза ДНК клетками млекопитающих
Принцип метода заключается в оценке интенсивности репаративных процессов, инициируемых химическим повреждением ДНК. В основе метода лежит авторадиографическое определение степени инкорпорации меченного тритием тимидина в ядра клеток, предварительно обработанных обследуемым веществом.
Недостатком метода является то, что с его помощью невозможно оценить, приводит ли процесс репарации к формированию ошибок генетического кода (формируются ли мутации), то есть решить, является ли инициированное повреждение ДНК пагубным для клетки.
4.4. Исследование ковалентного связывания токсикантов
4.5. Изучение хромосомных аберраций
Хромосомные аберрации, вызванные действием химических веществ, могут быть выявлены путем окрашивания клеток и последующего изучения с помощью обычного светового микроскопа. Для исследования могут использоваться культуры клеток (например, яичника китайского хомячка), обработанные изучаемым токсикантом по одной из схем, описанных выше, клетки костного мозга или лимфоциты периферической крови млекопитающих, которым токсикант вводилиin vivo. Виды выявляемых мутаций при этом включают: выпадение хроматидов, разрывы хромосом, делеции хромосом, появление хромосомных фрагментов, транслокации, полиплоидии.
Повреждение герменативного эпителия (нарушения сперматогенеза) токсикантом может быть выявлено в опытах на крысах, мышах, хомячках. Самцам лабораторных животных изучаемый токсикант вводят в течение времени, необходимого для реализации полного цикла сперматогенеза, периодически (раз в неделю), спаривая их с самками разных групп. Самки умерщвляются спустя 2 недели после спаривания. Исследуются: состояние желтых тел яичников, соотношение живых и погибших эмбрионов. Конечными характеристиками оценки мутагенеза являются: индекс оплодотворяемости (отношение оплодотворенных самок к общему числу, спарившихся с самцами), преимплантационные потери (соотношение числа имплантировавшихся эмбрионов к числу желтых тел в яичниках),количество животных с мертвыми имплантатами относительно общего числа беременных самок, количество погибших имплантатов к общему количеству имплантатов.
Наследуемые мутации могут быть выявлены путем прямого исследования клеток потомства (на различных стадиях развития) самок или самцов, подвергшихся воздействию токсикантов.
МУТАГЕНЕЗ
МУТАГЕНЕЗ (лат. mutatio изменение, перемена + греч. genesis происхождение, поколение) — процесс возникновения мутаций.
Основой мутаций являются первичные повреждения в молекуле ДНК, к-рые могут носить характер хим. модификаций отдельных азотистых оснований (напр., образование таутомерных форм урацила и аденина), изменения структуры ДНК в результате алкилирования (присоединения групп —CH3, —C2H3 — и др.) или дезаминирования азотистых оснований в молекуле ДНК.
При нарушении локального синтеза ДНК или недостатке неизмененных нуклеотидов (напр., предшественников тимина) может произойти такое первичное повреждение ДНК, как замена нормальных азотистых оснований в молекуле ДНК их аналогами. К первичным повреждениям ДНК относят также потерю или появление дополнительных азотистых оснований в ее полинуклеотидной цепи (напр., под действием акридинов). В молекуле ДНК под влиянием различных факторов (см. Мутагены) могут происходить разрывы ковалентных связей в одной или в обеих нитях или, наоборот, аномальные ковалентные связи могут образовываться между соседними азотистыми основаниями одной нити, появляются внутри- или межмолекулярные «сшивки» (напр., образуются димеры пиримидиновых оснований под действием ультрафиолетового излучения).
Важнейшим моментом в процессе появления мутаций является то, что между первичными повреждениями в молекуле ДНК и тем хим. изменением в ее структуре, к-рое характеризует данную мутацию, нет тождества. Первичное повреждение молекулы ДНК, вызванное действием мутагена, является лишь инициирующим звеном в процессе образования мутации (см.). Оно может превратиться в мутацию в результате сложного многоэтапного процесса или бесследно исчезнуть благодаря процессу репараций (см. Репарация генетических повреждений). При первичных повреждениях возможно изменение синтеза ДНК в месте повреждения, и после одного, двух или трех репликативных синтезов такой поврежденной ДНК может возникнуть мутация. Напр., при процессе замены оснований в результате таутомеризации комплементарная пара оснований А—T (аденин — тимин) при первом репликативном синтезе расходится в разные матрицы, в одной из них тимин нормально соединяется с А вновь синтеризуемой нити ДНК. Если А, отошедший в другую матрицу, претерпевает таутомеризацию (тА), то при синтезе новой нити ДНК он образует пару вместо Т с Ц (цитозином). При втором репликативном синтезе тА может перейти в нормальную форму (А) и образовать нормальную комплементарную пару А — Т, а ранее комплементарный ему Ц соединяется с Г (гуанином). В конечном счете одна из дочерних молекул ДНК в третьем поколении будет содержать вместо исходной пары оснований А — T пару Ц — Г. В том случае, если таутомеризуется цитозин (тЦ), пара Г — Ц оказывается замененной на пару А — Т. Такой тип замены оснований в молекуле ДНК, когда пурин заменяется пурином или пиримидин пиримидином, получил название тран-зиций. Замена пурина на пиримидин или пиримидина на пурин обозначается термином «трансверсия». Локальные ошибки при репликации ДНК могут быть вызваны не только таутомеризацией, но и стабильными аналогами оснований. Напр., в обычных условиях 5-бромурацил образует комплементарную пару с адени-ном, что не приводит к мутациям. В тех случаях, когда включение тимина во вновь синтезируемую цепь подавлено, 5-бромурацил может занять его место. Если 5-бромурацил подвергается енолизации, то он приобретает способность образовывать пару с Г. В результате этого пара А — T заменяется парой Г — Ц. Сходные явления наблюдают при дезаминировании азотистых оснований: дезаминированный аденин — гипоксантин (см.) образуют комплементарную пару уже не с тимином, а с цитозином, дезаминированный цитозин превращается в ура-цил, к-рый образует затем пару с аде-нином; дезаминированный гуанин становится ксантином, к-рый образует пару с цитозином, но связывается с ним двумя водородными связями.
Для получения экспериментальных мутаций используют влияние на ДНК азотистой к-ты, ультрафиолетового излучения и других мутагенов. Образование в полинуклеотидной цепи ДНК при действии УФ-лучей димера тимина может быть причиной локального нарушения синтеза ДНК. В этом случае при матричном синтезе новой полинуклеотидной цепи против димеров тимина матрицы в дочерней цепи остается незаполненная брешь или вставляются так наз. ошибочные основания: напр., вместо аденинов вставляются цитозины. Таким путем образуется новая измененная матрица, к-рая при последующем репликативном синтезе ДНК приведет к замене исходной пары А — T на пару Г — Ц.
Замена азотистых оснований может произойти и в покоящейся двунитчатой молекуле ДНК. Индуцированное УФ-облучением аномальное звено полинуклеотидной цепи ДНК «вырезается» соответствующей эндонуклеазой (см. Нуклеазы). При «застройке» возникшей бреши возможна ошибка репаративной) синтеза, особенно если в этом процессе участвует дефектная полимераза (см.) и в репарируемый участок ДНК вставляется неверное основание. В этом случае уже в первом матричном синтезе ДНК пара А — Т, напр., может быть заменена на пару Ц — Т, т. е. возникает трансверсия.
Мутантные гены, возникшие путем транзиций или трансверсий (т. е. в результате так наз. миссенсмута-ций), характеризуются способностью путем обратных замен переходить в исходные нормальные состояния.
Генетическое значение трансверсий и транзиций состоит в том, что они приводят к возникновению новых кодонов и являются причиной включения неверной аминокислоты в строящуюся полипептидную цепь белка (см. Генетический код).
Изменение смысла кодона может стать причиной наследственной патологии. Так, трансверсия тимина на аденин в триплете Ц — T — Ц, кодирующего в норме включение остатка глутаминовой к-ты в 6-е положение бета-цепи гемоглобина (см.), является причиной замены остатка указанной аминокислоты на остаток валина. В результате синтезируется аномальный HbS (см. Гемоглобин, гемоглобины нестабильные).
В том случае, когда последовательность нуклеотидов, обеспечивающая запись наследственной информации в гене, нарушается в результате потерь или вставок отдельных нуклеотидов, возникают своеобразные мутации, названные «сдвигом рамки чтения информации». Красители акридинового ряда обладают способностью внедряться между азотистыми основаниями в молекуле ДНК, раздвигая их на расстояние, примерно в 2 раза превышающее нормальное. Азотистые основания отстоят друг от друга в молекуле ДНК на 0,34 нм, а после внедрения акридина между разделенными им основаниями расстояние это возрастает до 0,7 нм. Поскольку поли-нуклеотидная нить-матрица растягивается на длину одного нуклеотида, во время синтеза на такой матрице в дочернюю нить встраивается или теряется одно азотистое основание. Механизм вставок и потерь нуклеотидов может быть разным, в частности, при наличии в молекуле ДНК близко расположенных повторяющихся кодонов. При «разрезании» эндонуклеазами одной из нитей молекулы у такого повтора ^ одно-нитевой участок, содержащий два повтора, отходит от оппозитной нити. Затем происходит ошибочное соединение первого повтора из отошедшего участка нити со вторым повтором в нормальной оппозитной нити. Застройка бреши удлиняет одну нить на величину бреши, что ведет в первом же репликативном синтезе ДНК к появлению вставки в одной из дочерних молекул ДНК. В том случае, если отошедший участок «откусывается» нуклеазой, может произойти спаривание повторов на участке нормальной нити. Это укорачивает оппозитную нить на величину бреши, возникшей в результате «откусывания» отошедшего участка. Становясь матрицей, такая укороченная нить обеспечивает появление делеции (см.) в первом же репликативном синтезе ДНК.
Характерной чертой механизма появления миссенс-мутаций и мутаций сдвига рамки чтения является то, что исходное изменение синтеза ДНК касается только одной нити ДНК. Это приводит к тому, что лишь одна половина потомков измененной клетки несет мутацию. Мозаичность изменения молекулы ДНК создает мозаичность фиксирования мутации. Такой механизм М. не является универсальным. В тех случаях, когда все потомки измененной клетки обладают мутацией, наследуемые изменения носят названия полных мутаций, для появления к-рых молекула ДНК до ее репликации должна иметь комплементарное изменение в обеих полинуклеотидных нитях. Однако первичные повреждения в покоящейся молекуле ДНК, как правило, возникают в одной из ее нитей. Было сделано предположение, что в переносе повреждения на вторую нить большую роль играют ферменты, участвующие в репарации. Такой перенос в условиях образования полных мутаций приводит к появлению миссенс-мутаций и так наз. мутаций сдвига рамки чтения. В 1966 г. Фриз (Е. В. Freese) и соавт, предложили гипотетическую модель такого переноса для случаев, когда одновременно возникают независимые друг от друга повреждения в обеих нитях ДНК. Одно из этих повреждений имеет мутагенный, другое — инактивирующий характер, т. е. это повреждение в ДНК блокирует синтез дочерней молекулы и этим вызывает гибель клетки. После удаления инактивирующих повреждений в молекуле ДНК ферментами так наз. темновой репарации происходит восстановление нормальной структуры ДНК. По мнению авторов гипотезы, мутагенное повреждение способно индуцировать комплементарное изменение в другой нити, когда оно оказывается напротив бреши, образуемой при «вырезании» инактивирующего повреждения из оппозитной нити молекулы ДНК. Н. П. Дубинин считает (1968), что появление мутации является следствием образования бреши в нормальной нити ДНК в результате «вырезания» участка молекулы, оппозр1тного первому повреждению, локализованному в другой нити. Для разрезания молекулы ДНК необходимо последующее «вырезание» повреждения, что приводит к наложению брешей из двух нитей друг на друга. Таким же может быть механизм возникновения полных точечных мутаций, если перед «вырезанием» повреждения в полинуклеотидной нити произойдет застройка первой бреши.
Структурные перестройки хромосом — аберрации — могут происходить в пределах одной хромосомы, между гомологичными и негомологичными хромосомами. Процесс фиксирования структурных мутаций хромосом определяется в основном поперечными разрывами хромосом и хроматид (см. Хромосомы) и воссоединением возникших фрагментов, в результате к-рого может произойти полное восстановление исходной структуры хромосомы или возникнуть концевые нехватки, интерстициальные делеции, дупликации, инверсии или транслокации. Мутагены могут вызвать разрывы одной или нескольких хромосом. Возможно различное число разрывов в одной хромосоме, они могут локализоваться в одном (так наз. парацентрические, или гомо-брахиальные, разрывы) или обоих (так наз. перицентрические, или ге-теробрахиальные, разрывы) плечах хромосом. В нек-рых случаях разрывы захватывают гомологичные плечи гомологичных хромосом (так наз. аллелобрахиальные разрывы). Предпосылкой к возникновению хро-матидных аберраций является ауторедупликация хромосом в фазе S в две хроматиды. Поперечный разрыв может захватить одну хроматиду и привести к потере фрагмента, лишенного центромера. Поперечные разрывы двух хроматид являются причиной транслокаций, неправильного воссоединения возникших фрагментов и как следствие этого — образования дицентрических хроматид, ацентрических фрагментов и других видов хромосомных мутаций. Для мутаций хроматидного типа, возникающих на основе димеров тимина, образовавшихся в одной нити покоящейся молекулы ДНК, их фиксация связана с действием целого ряда факторов: «вырезание» повреждений ферментами темновой репарации, разрезание расположенных против брешей однонитевых участков ДНК, репликация ДНК, од-нонитевая рекомбинация. Разное сочетание этих факторов ведет к появлению хроматидных или изохрома-тидных делеций.
При экспериментальном получении полиплоидов широко используют антимитотические агенты, нарушающие течение митоза. Особое значение имеет так наз. колхицино-вый митоз, или К-митоз. В этом случае благодаря блокированию образования веретена деления колхицином все пары хромосом не расходятся.
В результате после синтеза ДНК все хроматиды остаются внутри не-разделившейся клетки. Число хромосом в клетке после К-митоза удваивается.
Способность к М. является одним из свойств организма, и поэтому он контролируется генетически. Действие генов создает те биохим, условия в клетке, к-рые обеспечивают оптимальную частоту мутаций при данных условиях. В случае появления мутаций, нарушающих функционирование генов, обеспечивающих оптимальное протекание М\, возникает усиление или ослабление М. Минимальный участок гена (нуклеотидную пару), изменение к-рого ведет к образованию мутации, обозначают как единицу мутации — мутон.
Участие фермента ДНК-полимеразы в нормальном синтезе молекул ДНК и ферментов, катализирующих реакции репарации и обеспечивающих защиту молекул ДНК, связано с действием целого ряда генов. Мутации этих генов, изменяя действие ферментов, изменяют и процесс М. Эти явления хорошо изучены у бактерий и человека. В 1870 г. М. Капоши описал ксеродерму пигментную (см.), причиной к-рой, как установили позднее, было генетически детерминированное отсутствие синтеза ферментов темновой репарации ДНК, поэтому димеры тимина в молекулах поврежденной УФ-излучением ДНК не вырезались, что объясняло повышенную чувствительность клеток кожи к УФ-свету, в ряде случаев приводившую к раку кожи.
Для бактериофага Т4 было показано, что мутация в гене, кодирующем синтез ДНК-полимеразы, приводит к нарушению ее работы, в результате чего происходит подстановка неверных азотистых оснований при синтезе ДНК и увеличение числа мутаций.
Генетический контроль касается не только генов в целом, но и отдельных частей гена. Это выражается в наличии так наз. горячих точек. Еще в 1930 г. Н. П. Дубинин при изучении М. показал наличие высо-комутабельных центров (сайтов), т. е. «горячих точек», внутри гена. В 1955—1961 гг. Бензер (S. Benzer) обнаружил «горячие точки» в области r 2 фага Т4, в к-рой ок. 40% естественных мутаций возникло лишь в двух сайтах, один из к-рых локализован в цистроне А, другой — в цистроне В. «Горячие точки» могут быть обусловлены повторами в гене пары А — Т. В этом случае неравный кроссинговер (см. Рекомбинация), вызывая дупликации (см.) и делеций, индуцирует мутации сдвига рамки чтения.
Высокая мутабельность может индуцироваться действием генов, получивших название генов-мутаторов. Изменяя активность ферментных систем в клетке, гены-мутаторы ускоряют частоту мутаций во всем генотипе или в отдельных генах. Впервые гены-мутаторы у дрозофилы обнаружили Демерек (М. Demerec, 1937) и Г. Г. Тиняков (1939).
Ген-мутатор для бактерии Е. coli описан Цаменхофом (S. Zamenhof). Этот ген локализован в хромосоме бактерии вблизи гена, контролирующего биосинтез аминокислоты лейцин (см.). В результате действия этого гена-мутатора 15% всех бактериальных клеток оказывалось мутантами, т. е. увеличилась мутабельность всей массы генов в клетке бактерии, что свидетельствовало о не-специфичности действия гена-мутатора.
В 1949 г. Новик (A. Novick) и Сцилард (Z. Szilard) в опытах на бактериях открыли вещества, подавляющие частоту мутаций, к-рые они назвали антимутагенами. Известен целый ряд генов, к-рые понижают интенсивность М. Они выступают как внутренние антимутагены, являясь частью механизма генотипического контроля над мутабель-ностью. Гены-антимутаторы, положительно влияя на деятельность ДНК-полимеразы, уменьшают число ошибок при репликации.
Все это показало, что при действии одного комплекса генов уровень М. может быть повышен, при другом наборе генов — понижен. Вместе с тем очевидно, что частота мутаций не безразлична для сохранности вида. Высокий уровень М. ведет к нарушению наследственности (см.). Резко пониженная частота мутирования лишает популяции полезных наследственных изменений, нужных для эволюции и жизни организмов.
Это свидетельствует о том, что уровень М. в популяциях не может быть случайным. Под влиянием факторов, создающих необходимый генотипический контроль в каждом из видов, формируется оптимальная суммарная частота появления мутаций, что является приспособительным, адаптивным признаком вида.
Библиография: Ауэрбах Ш. Проблемы мутагенеза, пер. с англ., М., 1978; Бочков Н. П. Генетика человека, М., 1978; Дубинин Н. П. и Пашин Ю. В. Мутагенез и окружающая среда, М., 1978.