мутації

Мут ації (від лат. Mutatio - зміна, зміна), раптово виникаючі природні (спонтанні) або викликані штучно (індуковані) стійкі зміни спадкових структур живої матерії, відповідальних за зберігання і передачу генетичної інформації. Здатність давати М. - мутувати - універсальна властивість всіх форм життя від вірусів і мікроорганізмів до вищих рослин, тварин і людини; воно лежить в основі спадкової мінливості в живій природі. М., що виникають в статевих клітинах або спорах (генеративні М.), передаються у спадок; М., що виникають в клітинах, які не беруть участі в статевому розмноженні ( соматичні мутації ), Призводять до генетичного мозаїцизму: частина організму складається з мутантних клітин, інша - з немутантів. У цих випадках М. можуть успадковуватися тільки при вегетативному розмноженні за участю мутантних соматичних частин організму (нирок, держаків, бульб і т. П.).

Раптове виникнення спадкових змін наголошувалося багатьма вченими 18 і 19 ст., Було добре відомо Ч. Дарвіну, але поглиблене вивчення М. почалося лише із зародженням на порозі 20 ст. експериментальної генетики. Термін «М» ввів в генетику в 1901 Х. де Фриз .

Типи мутацій. За характером зміни генетичного апарату М. ділять на геномні, хромосомні і генні, або точкові. Геномні М. полягають у зміні числа хромосом в клітинах організму. До них відносяться: полиплоидия - збільшення числа наборів хромосом, коли замість звичайних для диплоїдних організмів 2 наборів хромосом їх може бути 3, 4 і т. Д .; Гаплоїдія - замість 2 наборів хромосом є лише один; анеуплоїдія - одна або кілька пар гомологічних хромосом відсутні (нуллісомія) або представлені не парою, а лише однієї хромосомою (моносомія) або, навпаки, 3 або більше гомологічними партнерами (трисомія, тетрасомія і т. Д.). До хромосомним М., або хромосомним перебудовам , Відносяться: інверсії - ділянку хромосоми перевернуть на 180 °, так що містяться в ньому гени розташовані в зворотному порядку в порівнянні з нормальним; транслокации - обмін ділянками двох або більше хромосом; делеции - випадання значної ділянки хромосоми; нестачі (малі делеції) - випадання невеликої ділянки хромосоми; дуплікації - подвоєння ділянки хромосоми; фрагментації - розрив хромосоми на 2 частини або більше. Генні М. є стійкі зміни хімічної будови окремих генів і, як правило, не відбиваються на що спостерігається в мікроскоп морфології хромосом. Відомі також М. генів, локалізованих не лише в хромосомах, але і в деяких самовідтворюються органелах цитоплазми (наприклад, в мітохондріях, пластидах; см. спадковість цитоплазматична ).

Зміни ознак організму, що викликаються мутаціями. В результаті М. можуть змінюватися найрізноманітніші біохімічні, фізіологічні та морфологічні ознаки організму. Зміни ці в організмів, що зазнали М., - мутантів - можуть бути різко вираженими або слабкими, що представляють лише незначні відхилення від середнього для даного виду значення ознаки (див. Іл.). Поліплоїдні мутанти зазвичай характеризуються збільшенням розмірів клітин і всього організму. Якщо у полиплоидией число наборів хромосом парне (збалансовані поліплоїди), то плодючість зазвичай зберігається або знижена не сильно; поліплоїди ж, у яких число наборів хромосом непарне (незбалансовані поліплоїди), безплідні або мають низьку плодовитістю (при дозріванні статевих клітин хромосоми розподіляються в них безладно, що призводить до утворення анеуплоїдних гамет, переважно нездібних до запліднення або дають нежиттєздатні зиготи). Гаплоїдні мутанти мають дрібні клітини, розміри організму зменшені в порівнянні з диплоїдної нормою, спостерігається повне або майже повне безпліддя, т. К. Лише деякі гамети містять повний набір хромосом. Анеуплоїди характеризуються вельми значними змінами різних ознак організму, нерідко настільки сильними, що викликають його загибель або безпліддя. Зазвичай менш різкі зміни спостерігаються в разі делеций, недостач і дуплікацій, причому ступінь зміни ознак у загальному пропорційна довжині випав або подвоєного ділянки хромосоми (великі делеції можуть викликати загибель організму). Інверсії і транслокації самі по собі не викликають змін ознак організму (якщо не супроводжуються ефектом положення гена, т. Е. Зміною його фенотипического прояви внаслідок сусідства з іншими, ніж раніше, генами), але призводять до суттєвих генетичним наслідків, т. К. У гетерозигот по інверсія утруднений обмін ділянками між нормальною і несучої інверсію хромосомою (див. кроссинговер ), А гетерозиготи по транслокаціях дають частково анеуплоїдних, часто нежиттєздатні, статеві клітини. Це ж відбувається в разі фрагментації в результаті втрати фрагмента хромосоми, що залишився без центромери.

Генні М., складові основну частку всіх М., викликають надзвичайно різноманітні зміни ознак організму, причому зміна одного гена зазвичай призводить до зміни декількох ознак (див. Плейотропія ). Генні М. можуть бути домінантними, полудомінантнимі і рецесивними (див. домінантність , Рецесивність ). В результаті М. ген може переходити в різні стани (множинні аллели одного і того ж гена), по-різному впливають на контрольовані даним геном ознаки організму. Мутантні гени можуть відрізнятися від відповідних нормальних тим, що специфічний для даного гена продукт (найчастіше фермент) не утворюється зовсім; утворюється в меншому або перевищує норму кількості; утворюється продукт, инактивирующий або гальмуючий продукт немутантний гена; замість нормального утворюється інший, не взаємодіє з ним продукт, відсутній у немутантів особин. А хто витерпить М. ген зазвичай настільки ж стабільний, як немутантний, з якого він стався; внаслідок нової М. він може повернутися до вихідного стану (зворотні М.). Генні М., як правило, шкідливі для організму, вони порушують життєві процеси, що протікають в організмі, знижують його життєздатність і плодючість; нерідко мутантний ген обумовлює загибель організму, що розвивається (летальні М.). Рідше виникають генні М., порівняно мало впливають на життєздатність і плодючість організму, ще рідше - поліпшуючі ті або інші його властивості. Ця остання категорія генних М., не дивлячись на свою відносну рідкість, має величезне значення, т. К. Дає основний матеріал як для природного відбору , Так і для штучного відбору , Будучи необхідною умовою еволюції і селекції.

Причини мутацій і їх штучне викликання. Полиплоидия частіше виникає, коли хромосоми на початку клітинного ділення - митоза - розділилися, але ділення клітини чомусь не сталося. Штучно поліплоїдію вдається викликати, впливаючи на що вступила в мітоз клітку речовинами, такими, що порушують цитотомії. Рідше поліплоїдія буває наслідком злиття 2 соматичних клітин або участі в заплідненні яйцеклітини 2 сперміїв. Гаплоїдія - здебільшого наслідок розвитку зародка без запліднення (див. партеногенез ). Штучно її викликають, запилюючи рослини убитої пилком або пилком ін. Вигляду (віддаленого). Основна причина анеуплоїдії - випадкове нерозходження пари гомологічних хромосом при мейозе , В результаті чого обидві хромосоми цієї пари потрапляють в одну статеву клітину або в неї не потрапляє жодна з них. Рідше виникають анеуплоїди з небагатьох опинилися життєздатними статевих клітин, утворених незбалансованими полиплоидами.

Причини хромосомних перебудов і найбільш важливою категорії М. - генних - довгий час залишалися невідомими. Це давало привід для помилкових генетичний концепцій (див. Автогенез ), Згідно з якими спонтанні генні М. виникають в природі нібито без участі впливів навколишнього середовища. Лише після розробки методів кількісного обліку генних М. з'ясувалася можливість викликати їх різними фізичними і хімічними факторами - мутагенами . Перші дані про вплив випромінювань радію на спадкову мінливість у нижчих грибів були отримані в СРСР (Г. А. Надсон і Г. С. Філіппов, 1925). Переконливі докази можливості штучно викликати М. були приведені в 1927 Р. Меллером , Які виявили в дослідах на дрозофілі сильне мутагенну дію рентгенівських променів. Надалі роботами по генетичному дії випромінювань на різні організми була встановлена ​​універсальна здатність всіх іонізуючих випромінювань викликати не тільки генні М., але і хромосомні перебудови. Мутагенну дію деяких хімічних речовин було вперше виявлено в СРСР М. Н. Мейселем (1928), В. В. Сахаровим (1933) і М. Е. Лобашёвим (1934); перший сильний хімічний мутаген (чужорідна ДНК) був відкритий в 1939 С. М. Гершензоном з співробітниками; в 1946 сильне мутагенну дію формаліну і етиленіміну було встановлено радянським генетиком І. А. Рапопорт, іприту - англійськими генетиками Ш. Ауербах і Д. Робсоном. Пізніше були відкриті сотні інших хімічних мутагенів. Сильні фізичні і хімічні мутагени збільшують частоту виникнення генних М. і хромосомних перебудов в багато десятків разів, а найбільш потужні хімічні мутагени (так звані супермутагени, багато з яких відкриті і вивчені радянським генетиком І. А. Рапопорт з співробітниками) - навіть в сотні разів в порівнянні з частотою виникають природно спонтанних М. В дослідах на культурах клітин та на лабораторних тваринах виявлено мутагенну дію багатьох вірусів. Мутагенів у вірусів, мабуть, служить їх нуклеїнова кислота. Т. о., Віруси - не лише збудники багатьох хвороб тварин і людини, рослин і мікроорганізмів, а й один з джерел їх спадкової мінливості. Всі мутагени викликають генні М., прямо або побічно змінюючи молекулярну структуру нуклеїнових кислот , В якій закодована генетична інформація.

Експериментальні дослідження спонтанних і індукованих М. (найбільш вивчені М. в кукурудзи, дрозофіли, а також ряду мікроорганізмів) розкрили ряд важливих особливостей мутації генів. Частота виникнення спонтанних М. неоднакова для різних генів і різних організмів, складаючи для окремого гена від 1: 105 до 1: 107 в покоління; мало хто, так звані мутабільності, гени характеризуються значно більш високою частотою мутації. Частота прямих і зворотних М. одного і того ж гена нерідко різна. Мутагени підвищують частоту М. приблизно однаково для всіх генів, так що співвідношення частіше і порівняно рідко мутують генів ( «спектр» М.) залишається приблизно однаковим як при спонтанному, так і при індукованому мутаційним процесі (в разі хімічних мутагенів можуть спостерігатися невеликі відмінності в спектрах викликаються ними М.). Лише у мікроорганізмів деякі хімічні мутагени сильніше підвищують частоту мутації певних генів, ніж інших ( «гарячі точки» хромосом). Подібне явище виявлено при мутагенну дію нуклеїнових кислот і вірусів на багатоклітинні організми. Співвідношення загального числа генних М. і хромосомних перебудов різному при дії фізичних і хімічних мутагенів - для других характерна б про більша частка генних М., чим для перших; ті чи інші відмінності є і в дії різних хімічних мутагенів.

Далеко не всі зміни, що викликаються мутагенами в ДНК клітини, реалізуються в М. У багатьох випадках пошкоджену ділянку ДНК видаляється в процесі рекомбінації або «вирізується» наявними в клітці так званими репаруючу ферментами, що відновлюють структуру ДНК, і при подальшій реплікації ДНК заміщається відповідним нормальним ділянкою (див. репарація ). Частота будь-яких М. залежить від багатьох зовнішніх і внутрішніх факторів - температури, парціального тиску кисню, вікуорганізму, фази розвитку і фізіологічного стану клітини і ін. Велике значення мають особливості генотипу: навіть в межах одного виду генетично різняться лінії можуть мати різну мутабільності. У ряду організмів описані так звані гени-мутатори, що різко підвищують частоту М. Завдяки залежності мутабільності від генетичних чинників, її вдається підвищувати або знижувати штучним відбором. Неоднакова мутабільність різних видів - наслідок аналогічної дії природного відбору в ході їх еволюції.

Значення мутацій для еволюції, селекції та медицини. Основи розуміння ролі М. в еволюції були закладені в 20-х рр. 20 в. роботами радянського генетика С. С. Четверикова , Англійських вчених Дж. Холдейна і Р. Фішера і американського вченого С. Райта, що поклали початок розвитку еволюційної генетики. Було показано, що всі спадкові зміни, службовці матеріалом для еволюції, зобов'язані М. (комбинативная мінливість, що виникає шляхом утворення нових поєднань генів при схрещуванні, в кінцевому рахунку, теж є наслідок М., що обумовлюють генетичні відмінності перехресних особин). На відміну від модифікацій , М. не є однозначною реакцією на зухвалу їх вплив: один і той же мутагенний фактор призводить до виникнення різноманітних М., які зачіпають ті чи інші ознаки організму і змінюють їх в різних напрямках. Тому самі по собі М. не мають адаптивного характеру. Однак постійно виникають у будь-якого виду живих істот М., багато з яких до того ж довго зберігаються в популяції в прихованому вигляді (рецесивні М.), служать резервом спадкової мінливості, який дозволяє природному відбору перебудовувати спадкові ознаки виду, пристосовуючи його до мінливих умов середовища (зміни клімату або біоценозу, переселенню в новий ареал і т. п.). Т. о., Адаптивність еволюційних змін - наслідок збереження природним відбором носіїв тих М. і їх поєднань, які виявляються корисними в даній обстановці. При цьому М., колишні в одних умовах шкідливими або нейтральними, можуть виявитися корисними в умовах, що змінилися. Найбільше значення для еволюції мають генні М. Не дивлячись на відносну рідкість М. кожного гена, загальна частота спонтанних генних М. вельми значна, т. К. Генотип багатоклітинних організмів складається з десятків тисяч генів. В результаті ту чи іншу генну М. несе велика частка утворюваних організмоÐ