Наследственность и влияние на человека факторов среды: введение

При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. В этом случае наблюдаются потеря (делеция) или удвоение части (дупликация) генетического материала одной или нескольких хромосом, изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах (инверсия), а также перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую (транслокация) (крайний случай — объединение целых хромосом, т.н. Робертсоновская транслокация, которая является переходным вариантом от хромосомной мутации к геномной).

На генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, чем при хромосомных мутациях, однако генные мутации встречаются более часто. В результате генных мутаций происходят замены, делеции и вставки одного или нескольких нуклеотидов, транслокации, дупликации и инверсии различных частей гена. В том случае, когда под действием мутации изменяется лишь один нуклеотид, говорят о точковых мутациях. Поскольку в состав ДНК входят азотистые основания только двух типов — пурины и пиримидины, все точковые мутации с заменой оснований разделяют на два класса: транзиции (замена пурина на пурин или пиримидина на пиримидин) и трансверсии (замена пурина на пиримидин или наоборот). Возможны четыре генетических последствия точковых мутаций: 1) сохранение смысла кодона из-за вырожденности генетического кода (синонимическая замена нуклеотида), 2) изменение смысла кодона, приводящее к замене аминокислоты в соответствующем месте полипептидной цепи (миссенс-мутация), 3) образование бессмысленного кодона с преждевременной терминацией (нонсенс-мутация). В генетическом коде имеются три бессмысленных кодона: амбер — UAG, охр — UAA и опал — UGA (в соответствии с этим получают название и мутации, приводящие к образованию бессмысленных триплетов - например амбер-мутация), 4)обратная замена (стоп-кодона на смысловой кодон).

 
По влиянию на экспрессию генов мутации разделяют на две категории: мутации типа замен пар оснований и типа сдвига рамки считывания (frameshift). Последние представляют собой делеции или вставки нуклеотидов, число которых не кратно трем, что связано с триплетностью генетического кода.

Первичную мутацию  иногда называют прямой мутацией, а мутацию, восстанавливающую исходную структуру гена, — обратной мутацией, или реверсией. Возврат к исходному фенотипу у мутантного организма вследствие восстановления функции мутантного гена нередко происходит не за счет истинной реверсии, а вследствие мутации в другой части того же самого гена или даже другого неаллельного гена. В этом случае возвратную мутацию называют супрессорной. Генетические механизмы, благодаря которым происходит супрессия мутантного фенотипа, весьма разнообразны.

  Последствия мутаций для клетки и организма

Мутации, которые  ухудшают деятельность клетки в многоклеточном организме, часто приводят к уничтожению  клетки (в частности, к программируемой  смерти клетки, — апоптозу). Если внутри- и внеклеточные защитные механизмы не распознали мутацию и клетка прошла деление, то мутантный ген передастся всем потомкам клетки и, чаще всего, приводит к тому, что все эти клетки начинают функционировать иначе.

Мутация в соматической клетке сложного многоклеточного организма может привести к злокачественным или доброкачественным новообразованиям, мутация в половой клетке — к изменению свойств всего организма-потомка.

В стабильных (неизменных или слабо изменяющихся) условиях существования большинство особей имеют близкий к оптимальному генотип, а мутации вызывают нарушение функций организма, снижают его приспособленность и могут привести к смерти особи. Однако в очень редких случаях мутация может привести к появлению у организма новых полезных признаков, и тогда последствия мутации оказываются положительными; в этом случае они являются средством адаптации организма к окружающей среде и, соответственно, называются адаптационными.

Роль мутаций в эволюции

При существенном изменении условий существования  те мутации, которые раньше были вредными, могут оказаться полезными. Таким  образом, мутации являются материалом для естественного отбора. Так, мутанты-меланисты (темноокрашенные особи) в популяциях березовой пяденицы (Biston betularia) в Англии впервые были обнаружены учеными среди типичных светлых особей в середине XIX века. Темная окраска возникает в результате мутации одного гена. Бабочки проводят день на стволах и ветвях деревьев, обычно покрытых лишайниками, на фоне которых светлая окраска является маскирующей. В результате промышленной революции, сопровождающейся загрязнением атмосферы, лишайники погибли, а светлые стволы берез покрылись копотью. В результате к середине XX века (за 50-100 поколений) в промышленных районах темная морфа почти полностью вытеснила светлую. Было показано, что главная причина преимущественного выживания черной формы - хищничество птиц, которые избирательно выедали светлых бабочек в загрязненных районах.

Если мутация  затрагивает «молчащие» участки  ДНК, либо приводит к замене одного элемента генетического кода на синонимичный, то она обычно никак не проявляется в фенотипе (проявление такой синонимичной замены может быть связано с разной частотой употребления кодонов). Однако методами генного анализа такие мутации можно обнаружить. Поскольку чаще всего мутации происходят в результате естественных причин, то в предположении, что основные свойства внешней среды не менялись, получается, что частота мутаций должна быть примерно постоянной. Этот факт можно использовать для исследования филогении - изучения происхождения и родственных связей различных таксонов, в том числе и человека. Таким образом, мутации в молчащих генах служат для исследователей своеобразными «молекулярными часами». Теория "молекулярных часов" исходит также из того, что большинство мутаций нейтральны, и скорость их накопления в данном гене не зависит или слабо зависит от действия естественного отбора и потому остается постоянной в течение длительного времени. Для разных генов эта скорость, тем не менее, будет различаться.

Исследование  мутаций в митохондриальной ДНК (наследуется по материнской линии) и в Y-хромосомах (наследуется по отцовской линии) широко используется в эволюционной биологии для изучения происхождения рас и народностей, реконструкции биологического развития человечества.

Проблема случайности мутаций

В 40-е годы среди  микробиологов была популярна точка  зрения, согласно которой мутации  вызываются воздействием фактора среды (например. антибиотика), к которому они позволяют адаптироваться. Для проверки этой гипотезы был разработан флуктуационный тест и метод реплик. 
Флуктуационный тест Лурия-Дельбрюка заключается в том, что небольшие порции исходной культуры бактерий рассеивают в пробирки с жидкой средой, а после нескольких циклов делений добавляют в пробирки антибиотик. Затем (без последующих делений) на чашки Петри с твердой средой высевают выживших устойчивых к антибиотику бактерий. Тест показал. что число устойчивых колоний из разных пробирок очень изменчиво - в большинстве случаев оно небольшое (или нулевое), а в некоторых случаях очень высокое. Это означает, что мутации, вызвавшие устойчивость к антибиотику, возникали в случайные моменты времени как до, так и после его воздействия. 
Метод реплик (в микробиологии) заключается в том, что с исходной чашки Петри, где на твердой среде растут колонии бактерий, делается отпечаток на ворсистую ткань, а затем с ткани бактерии переносятся на несколько других чашек, где рисунок их расположения оказывается тем же, что на исходной чашке. После воздействия антибиотиком на всех чашках выживают колонии, расположенные в одних и тех же точках. Высевая такие колонии на новые чашки, можно показать, что все бактерии внутри колонии обладают устойчивостью. 
Таким образом, обоими методами было доказано, что «адаптивные» мутации возникают независимо от воздействия того фактора, к которому они позволяют приспособиться, и в этом смысле мутации случайны. Однако несомненно, что возможность тех или иных мутаций зависит от генотипа и канализована предшествующим ходом эволюции (см. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости). Кроме того, закономерно различается частота мутирования разных генов и разных участков внутри одного гена. Также известно, что высшие организмы используют «целенаправленные» (то есть происходящие в определенных участках ДНК) мутации в механизмах иммунитета. С их помощью создаётся разнообразие клонов лимфоцитов, среди которых в результате всегда находятся клетки, способные дать иммунный ответ на новую, неизвестную для организма болезнь. Подходящие лимфоциты подвергаются положительной селекции, в результате возникает иммунологическая память. 
 
 

МУТАГEНЫ (от мутации и греч. -genes-рождающий, рожденный), хим. и физ. факторы, вызывающие наследств. изменения - мутации. Впервые искусств. мутации получены в 1925 Г. А. Надсе-ном и Г. С. Филипповым у дрожжей действием радиоактивного излучения радия; в 1927 Г. Мёллер получил мутации у дрозофилы действием рентгеновских лучей. Способность хим. в-в вызывать мутации (действием иода на дрозофилы) открыта в 1932 В. В. Сахаровым.

М. химические. Различают М. прямого действия -соед., реакц. способность к-рых достаточна для хим. модификации ДНК, РНК и нек-рых белков, и промутагены - в-ва, к-рые сами по себе инертны, но превращ. в организме в М. (в осн. в результате ферментативного окисления системой микро-сомных многоцелевых оксидаз). Последние часто называют "конечными" М. Так, немутагeнный 1,2-бензопкрен (бен-зо[а]пирен) в организме окисляется до 7,8-дигидрокси-9,10-эпокси-7,8,9,10-тетрагидро-1,2-бензопирена, один из стерео-изомеров к-рого обладает мутагенной, а также канцерогенной активностью:

Др. пример - немутагенный N-нитрозодиметиламин, к-рый в печени подвергается ферментативному окислит. деметили-рованию и превращ. в высокомутагенный и канцерогенный метилдиазогидроксид (см. Канцерогенные вещества).

Мишенью действия М. в клетке являются гл. обр. ДНК и, возможно, нек-рые белки. К последним относят в осн. белки, играющие структурную роль в организации генома или принимающие участие в репликации (самовоспроизведении молекулы нуклеиновых к-т), рекомбинации (перераспределении генетич. материала родителей в потомстве) или репарации (восстановлении поврежденной структуры ДНК).

Среди М. наиб. обширен класс электроф. алкилирующих М., к к-рым относят не только типичные алкилирующие агенты (диазоалканы, эфиры серной к-ты и алкансульфо-кислот), но и эфиры фосфорной и азотной к-т, аминоэтили-рующие реагенты (2-хлорэтиламин, этиленимин и их производные), оксиэтилирующие агенты (этиленоксид и его производные) и альдегиды. К этому же классу М. относят N-нитрозо-N-алкиламиды карбоновых к-т, N-нитрозо-N-алкилуретаны, N-нитрозо-N-алкилмочевины, N-алкил-N-нитрозо-N'-нитрогуанидины, являющиеся, по-видимому, наиб. активными из известных М. Эти соед. сами по себе лишены алкилирующих св-в, но при их гидролитич. распаде образуются активные алкилдиазогидрохсиды (иногда считают, что образуются своб. алкилкарбкатионы, что менее вероятно).

Электроф. реагентами являются также подавляющее большинство конечных М., образующихся из синтетич. и прир. в-в. Пример последних - глюкозид циказин (b-D-глю-козид метилазоксиметанола), к-рый под действием ферментов трансформируется в метилдиазогидроксид.

Механизм мутагенного  действия простейших алкилирующих агентов довольно хорошо изучен. Характер повреждений ДНК при воздействии этих агентов м.б. предсказан с помощью ф-лы Свена-Скотта:

где k- константа скорости бимолекулярной р-ции алкили-рующего агента с нуклеофилом; k₀ - константа скорости бимолекулярной р-ции алкилирующего агента с водой, выбранной в качестве стандарта; n-константа, характеризующая нуклеофильность субстрата; .s-мера чувствительности скорости р-ции к изменению п.

Из ф-лы следует, что при алкилировании биополимеров, имеющих неск. нуклеоф. центров, доля продуктов алкили-рования центра с низкой нуклеофильностью должна быть выше при действии агента с низкой константой s.

Наибю нуклеоф. центр в молекуле ДНК-положение 7 в гуанине. Поэтому диметилсульфат и метилметансульфоиат (s соотв. 0,9 и 0,86) алкилируют ДНК в осн. по этому положению (см. ф-лу I; везде R-цепь ДНК), а выход продуктов алкилирования центров с меньшей нуклеофильностыо мал. При действии на ДНК этилметансульфоната и N-нитрозо-N-метилмочевины (s соотв. 0,67 и 0,42) доля 7-алкилгуанина в общем выходе продуктов алкилирования снижается и возрастает вклад продуктов алкилирования центров с низкой нуклеофильностью - межнуклеотидных фосфатных групп и атомов кислорода в основаниях. При алкилировании ДНК N-нитрозо-N-этилмочевиной (s ок. 0,26) осн. продукт р-ции -алкилир. остатки фосфорной к-ты и О-алкилир. основания: О⁶-этилгуанин (II), О²-этилцитозин (III), О²- и О⁴-этилтимины (соотв. IV и V).