МУТАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ
В основе этой изменчивости лежат мутации. Основная причина возникновения новых признаков и свойств у живых организмов – это проявление мутаций. Мутации – это изменения генотипа, происходящие под влиянием факторов внешней или внутренней среды. Мутации имеют принципиальные отличия от модификаций (табл. 3).
Таблица 3
Сравнение модификаций и мутаций
Впервые термин «мутация » был предложен в 1901 г. голландским ученым Гуго де Фризом , описавшим самопроизвольные мутации у растений и создавший мутационную теорию.
1. Мутации возникают внезапно, без всяких переходов. Чаще бывают рецессивными, реже – доминантными.
2. Вызываются внешними и внутренними факторами.
3. Мутации стойко передаются из поколения в поколение, наследственны.
4. Это качественные изменения, которые, как правило, не образуют непрерывного ряда вокруг средней величины признака.
5. Мутировать может любая часть организма, т.е. мутации возникают в разных направлениях, они не направленны. Мутации могут быть вредными, полезными и нейтральными.
6. Успех в выявлении мутаций зависит от числа проанализированных особей.
7. Одни и те же мутации могут возникать повторно.
8. Мутации являются и элементарным эволюционным материалом, и ненаправляющим элементарным эволюционным фактором.
9. Мутационный процесс – источник резерва наследственной изменчивости популяций.
Мутации появляются редко, но приводят к внезапным скачкообразным изменениям признаков, которые передаются из поколения в поколение. Мутационный процесс идет постоянно, с накоплением мутаций в генотипах. А если учесть, что число генов в организме велико, то можно сказать, что в генотипах всех живых организмов имеется значительное число генных мутаций. Мутации – это крупнейший биологический фактор, обусловливающий огромную наследственную изменчивость организмов, что дает материал для эволюции.
Мутациями называются внезапные, стойкие, ненаправленные, скачкообразные изменения хромосом или единиц наследственности – генов, влекущие за собой изменения наследственных признаков. Мутации обязательно вызывают изменения генотипа, которые наследуются потомством и не связаны со скрещиванием и рекомбинацией генов. Сходство между комбинативной и мутационной изменчивостью заключается в том, что в обоих случаях потомство получает набор генов каждого из родителей.
Мутационная изменчивость является одним из главных факторов эволюционного процесса. В результате мутаций могут возникать полезные признаки, которые под действием естественного отбора дадут начало новым видам и подвидам. Подавляющее число мутаций неблагоприятно или даже смертельно для организма, так как они разрушают отрегулированный на протяжении миллионов лет естественным отбором целостный генотип.
Способностью к мутированию обладают все живые организмы. У каждой конкретной мутации есть какая-то причина, хотя в большинстве случаев она неизвестна. Однако общее количество мутаций можно резко увеличить, используя различные способы воздействия на организм.
Факторы, вызывающие мутации, получили название мутагенных факторов (рис. 17).
Рис. 17. Классификация мутагенных факторов.
Во-первых, сильнейшим мутагенным действием обладает ионизирующее излучение. Радиация увеличивает число мутаций в сотни раз. Во-вторых, мутации вызывают вещества, которые действуют, например, на ДНК, разрывая цепочку нуклеотидов. Есть вещества, действующие и на другие молекулы, но также дающие мутации. Например, колхицин, приводящий к одному из видов мутаций – полиплоидии. В-третьих, к мутациям приводят и различные физические воздействия, например, повышение температуры окружающей среды.
Классификации мутаций
Мутации можно объединять в группы – классифицировать по характеру проявления, по месту или по уровню их возникновения.
Классификация 1 . Мутации по механизму возникновения (рис. 18).
Причинами мутаций могут быть как естественные нарушения в метаболизме клеток (спонтанные мутации ), так и действие различных факторов внешней среды (индуцированные мутации ). Мутации в естественных условиях случаются редко – одна мутация определенного гена на 1 000 – 100 000 клеток.
Рис. 18. Мутации по механизму возникновения.
Классификация 2 . Мутации по характеру проявления (рис. 19).
Рис. 19. Мутации по характеру проявления.
Мутации чаще рецессивные , так как доминантные проявляются сразу же и легко "отбрасываются" отбором.
Классификация 3 . Мутации по месту возникновения (рис. 20).
Рис. 20. Мутации по месту возникновения.
Мутация, возникшая в половых клетках, не влияет на признаки данного организма, а проявляется только в следующем поколении. Такие мутации называют генеративными . Если изменяются гены в соматических клетках, такие мутации проявляются у данного организма и затрагивают лишь часть тела (глаза разного цвета), не передаются потомству при половом размножении. Но при бесполом размножении (вегетативном), если организм развивается из соматической клетки или группы клеток, имеющих изменившийся – мутировавший – ген, мутации могут передаваться потомству. Такие мутации называют соматическими .
Классификация 4 . Мутации по адаптивному значению (рис. 21).
Рис. 21. Мутации по адаптивному значению.
Мутации бывают полезные, вредные и нейтральные. Полезные мутации – мутации, которые приводят к повышенной устойчивости организма (устойчивость тараканов к ядохимикатам), в конечном итоге, повышают приспособленность особей. Понятие «приспособленность» подразумевает жизнеспособность, плодовитость (фертильность) и конкурентоспособность особей. Вредные мутации нередко понижают жизнеспособность или плодовитость. Мутации, резко снижающие жизнеспособность, частично или полностью останавливающие развитие, называют полулетальными , а несовместимые с жизнью – летальными . Вредные мутации: глухота, дальтонизм. Нейтральные мутации никак не отражаются на жизнеспособности организма (цвет глаз, группа крови).
Классификация 5 . Мутации по месту локализации в клетке (рис. 22).
Рис. 22. Мутации по месту локализации в клетке.
Мутации делятся на ядерные и внеядерные (или митохондриальные).
Классификация 6 . Мутации по характеру изменения фенотипа (рис. 23).
Рис. 23. Мутации по характеру изменения фенотипа.
Мутации могут быть биохимическими, физиологическими, анатомо-морфологическими.
Классификация 7 . Мутации по характеру изменения гена (рис. 24).
Рис. 24. Мутации по характеру изменения гена.
Мутации бывают прямые и обратные. Последние встречаются гораздо реже. Обычно прямая мутация связана с дефектом функции гена. Вероятность вторичной мутации в обратную сторону в той же точке очень мала, чаще мутируют другие гены.
Классификация 8 . Мутации по уровню их возникновения или характеру изменений в генотипе (рис. 25).
Рис. 25. Мутации по характеру изменений в генотипе.
Генные мутации (точковые ) представляют собой молекулярные, не видимые в световом микроскопе изменения структуры ДНК. К мутациям генов относятся любые изменения молекулярной структуры ДНК, независимо от их локализации и влияния на жизнеспособность. Некоторые мутации не оказывают никакого влияния на структуру и функцию соответствующего белка (синонимичная замена ). Другая (большая) часть генных мутаций приводит к синтезу дефектного белка, не способного выполнять свойственную ему функцию (несинонимичная замена ). Именно генные мутации обусловливают развитие большинства наследственных форм патологии.
Наиболее частыми моногенными заболеваниями являются; муковисцидоз, гемохроматоз, адреногенитальный синдром, фенилкетонурия, нейрофиброматоз, миопатии Дюшенна-Беккера, дальтонизм, гемофилия, серповидноклеточная анемия (рис. 26) и ряд других заболеваний.
Рис. 26. Механизм возникновения серповидноклеточной анемии.
Клинически они проявляются признаками нарушений обмена веществ (метаболизма) в организме. Мутация может заключаться:
1) в замене основания в кодоне, это так называемая миссенс-мутация (от англ. “mis” – ложный, неправильный + лат. “sensus” – смысл) – замена нуклеотида в кодирующей части гена, приводящая к замене аминокислоты в полипептиде (рис. 27);
Рис. 27. Мисенс и нонсенс мутации.
2) в таком изменении кодонов, которое приведет к остановке считывания информации, это так называемая нонсенс-мутация (от лат. “non” – нет + “sensus” – смысл) – замена нуклеотида в кодирующей части гена, приводит к образованию кодона-терминатора (стоп-кодона) и прекращению трансляции (рис. 27);
3) в нарушении считывания информации, сдвиге рамки считывания, называемом фреймшифтом (от англ. “frame” – рамка + “shift” – сдвиг, перемещение), когда молекулярные изменения ДНК приводят к изменению триплетов в процессе трансляции полипептидной цепи;
4) в замене нуклеотидов (рис. 28): транзиции – мутация, обусловленная заменой одного пуринового основания на другое или пиримидинового на другое пиримидиновое; трансверсия (от лат. “transversus” – повернутый в сторону, отведенный) – мутация, обусловленная заменой пуринового основания (аденин, тимин) на пиримидиновое (гуанин, цитозин) и наоборот. В отличие от транзиций, трансверсии иногда называют сложными или перекрестными заменами, т. к. происходит изменение ориентации пурин – пиримидин в мутантном сайте двуцепочечной молекулы нуклеиновой кислоты.
Рис. 28. Типы замен нуклеотидов.
Известны и другие типы генных мутаций.
По типу молекулярных изменений выделяют :
1) делеции (от лат. “deletio” – уничтожение), когда происходит утрата сегмента ДНК размером от одного нуклеотида до гена;
2) дупликации (от лат. “duplicatio” – удвоение), т.е. удвоение или повторное дублирование сегмента ДНК от одного нуклеотида до целых генов;
3) инверсии (от лат. “inversio” – перевертывание), т. е. поворот на 180° сегмента ДНК размерами от двух нуклеотидов до фрагмента, включающего несколько генов;
4) инсерции (от лат. “insertion” – прикрепление), т.е. вставка фрагментов ДНК размером от одного нуклеотида до целого гена.
Молекулярные изменения, затрагивающие от одного до нескольких нуклеотидов, рассматривают как точечную мутацию .
Принципиальным и отличительным для генной мутации является то, что она приводит к изменению генетической информации и может передаваться от поколения к поколению.
Определенная часть генных мутаций может быть отнесена к нейтральным мутациям, поскольку они не приводят к каким-либо изменениям фенотипа. Например, за счет вырожденности генетического кода одну и ту же аминокислоту могут кодировать два триплета, различающихся только по одному основанию. С другой стороны, один и тот же ген может изменяться (мутировать) в несколько различающихся состояний.
Например, ген, контролирующий группу крови системы АВ0, имеет три аллеля: 0, А и В, сочетания которых определяют 4 группы крови. Группа крови системы АВ0 является классическим примером генетической изменчивости нормальных признаков человека.
Именно генные мутации обусловливают развитие большинства наследственных форм патологии. Болезни, обусловленные подобными мутациями, называют генными , или моногенными болезнями , т.е. заболеваниями, развитие которых детерминируется мутацией одного гена.
Таким образом, генные мутации приводят к появлению новых признаков.
Рис. 29. Виды хромосомных мутаций.
Хромосомные мутации (хромосомные аберрации) – это структурные изменения отдельных хромосом, как правило, видимые в световом микроскопе. В хромосомную мутацию вовлекается большое число (от десятков до нескольких сотен) генов, что приводит к изменению генотипа. Причиной этого может быть разрыв хромосомы на фрагменты и восстановление её в новых сочетаниях.
Несмотря на то, что хромосомные аберрации, как правило, не изменяют последовательность ДНК в специфических генах, изменение числа копий генов в геноме приводит к генетическому дисбалансу вследствие недостатка или избытка генетического материала. Различают две большие группы хромосомных мутаций: внутрихромосомные и межхромосомные (рис. 29).
Внутрихромосомные мутации – аберрации в пределах одной хромосомы. К ним относятся:
- делеции (от лат. “deletio” – уничтожение) – утрата одного из участков хромосомы, внутреннего или терминального (рис. 30).
Рис. 30. Схематическое изображение делеции.
А – нормальная хромосома, Б – делетированная хромосома.
Это может обусловить нарушение эмбриогенеза и формирование множественных аномалий развития (например, делеция в регионе короткого плеча 5-й хромосомы, обозначаемая как 5р-, приводит к недоразвитию гортани, порокам сердца, отставанию умственного развития). Этот симптомокомплекс известен как синдром Лежена или синдром "кошачьего крика", поскольку у больных детей из-за аномалии гортани плач напоминает кошачье мяуканье (рис. 31);
Рис. 31. А – дети с синдромом Лежена в возрасте 8 месяцев, 2, 4 и 8 лет соответственно; Б – хромосомный набор больного с синдромом Лежена: групповая (от А до G) и индивидуальная идентификация хромосом (стрелкой указан дефект короткого плеча хромосомы 5-й пары, вторая хромосома не изменена).
- дупликации (от лат. “duplcatio” – удвоение) – удвоение (или умножение) какого-либо участка хромосомы (рис. 32). Например, дупликация по одному из коротких плеч 9-й хромосомы обусловливает множественные пороки, включая микроцефалию, задержку физического, психического и интеллектуального развития.
Рис. 32. Схематическое изображение дупликации. А – нормальная хромосома, Б – дуплицированная хромосома.
- инверсии (от лат. “inversio” – перевертывание). В результате двух точек разрывов хромосомы образовавшийся фрагмент встраивается на прежнее место после поворота на 180°. В результате нарушается только порядок расположения генов (рис. 33);
Рис. 33. Схематическое изображение инверсии.
А – нормальная хромосома, Б – инвертированная хромосома.
Межхромосомные мутации , или мутации перестройки – обмен фрагментами между негомологичными хромосомами. Такие мутации получили название транслокации (от лат. “trans” – за, через + “locus” – место) (рис. 34).
Рис. 34. Схематическое изображение транслокации хромосом.
А – нормальные хромосомы, Б – транслоцированные хромосомы.
Выделяют несколько разновидностей транслокаций. Это:
- реципрокная транслокация , когда две хромосомы обмениваются своими фрагментами;
- нереципрокная транслокация , когда фрагмент одной хромосомы транспортируется на другую. Возможно присоединение фрагмента к своей же хромосоме, но в новом месте – транспозиция (рис. 35);
Рис. 35. Реципрокная и нереципрокная транслокация.
- "центрическое" слияние (робертсоновская транслокация ) – соединение двух акроцентрических хромосом в районе их центромер с потерей коротких плеч (рис. 36). При таких мутациях не только появляются хромосомы с новой морфологией, но и изменяется их количество в кариотипе.
При поперечном разрыве хроматид через центромеры "сестринские" хроматиды становятся "зеркальными" плечами двух разных хромосом, содержащих одинаковые наборы генов. Такие хромосомы называют изохромосомами .
Рис. 36. Робертсоновская транслокация.
Как внутрихромосомные (делеции, инверсии и дупликации), так и межхромосомные (транслокации) аберрации и изохромосомы связаны с физическими изменениями структуры хромосом, в том числе с механическими разломами.
Описанные структурные изменения хромосом, как правило, сопровождаются изменением генетической программы, получаемой клетками нового поколения после деления материнской клетки, так как
1) изменяется количественное соотношение генов (при делециях и дупликациях),
2) меняется характер их функционирования в связи с изменением взаимного расположения в хромосоме (при инверсии и транспозиции) или с переходом в другую группу сцепления (при транслокации).
Чаще всего такие структурные изменения хромосом отрицательно сказываются на жизнеспособности отдельных соматических клеток организма, но особенно серьезные последствия имеют хромосомные перестройки, происходящие в предшественниках гамет.
Значение хромосомных аберраций . Однако, несмотря на неблагоприятные, как правило, последствия хромосомных мутаций, иногда они оказываются совместимыми с жизнью клетки и организма и обеспечивают возможность эволюции структуры хромосом, лежащей в основе биологической эволюции.
Так, небольшие по размеру делеции могут сохраняться в гетерозиготном состоянии в ряду поколений. Менее вредными, чем делеции, являются дупликации, хотя большой объем материала в увеличенной дозе (более 10% генома) приводит к гибели организма.
Нередко жизнеспособными оказываются робертсоновские транслокации, часто не связанные с изменением объема наследственного материала. Этим можно объяснить варьирование числа хромосом в клетках организмов близкородственных видов. Например, у разных видов дрозофилы количество хромосом в гаплоидном наборе колеблется от 3 до 6, что объясняется процессами слияния и разделения хромосом.
Возможно, существенным моментом в появлении вида Homo sapiens были структурные изменения хромосом у его обезьяноподобного предка. Установлено, что два плеча крупной второй хромосомы человека соответствуют двум разным хромосомам современных человекообразных обезьян (12-й и 13-й – шимпанзе, 13-й и-14-й – гориллы и орангутана). Вероятно, эта человеческая хромосома образовалась в результате центрического слияния по типу робертсоновской транслокации двух обезьяньих хромосом (рис 37).
К существенному варьированию морфологии хромосом, лежащему в основе их эволюции, приводят транслокации, транспозиции и инверсии. Анализ хромосом человека показал, что его 4, 5, 12 и 17-я хромосомы отличаются от соответствующих хромосом шимпанзе перицентрическими инверсиями.
Рис. 37. Плечи 2-ой пары хромосом человека
соответствуют 12 и 13 хромосомам шимпанзе.
Таким образом, изменения хромосомной организации, чаще всего оказывающие неблагоприятное воздействие на жизнеспособность клетки и организма, с определенной вероятностью могут быть перспективными, наследоваться в ряду поколений клеток и организмов и создавать предпосылки для эволюции хромосомной организации наследственного материала.
Геномные мутации приводят к изменению числа хромосом. К геномным мутациям относятся анеуплоидии и изменение плоидности структурно неизмененных хромосом. Выявляются цитогенетическими методами.
Анеуплоидия – изменение числа хромосом в диплоидном наборе, некратное гаплоидному (2n + 1 → трисомия (увеличение), 2n ─ 1→ моносомия (уменьшение)).
Полиплоидия – увеличение числа наборов хромосом, кратное гаплоидному (2n + n).
Рис. 38. Полиплоиды капусты.
Частным случаем геномных мутаций является полиплоидия , т. е. кратное увеличение числа хромосом в клетках в результате нарушения их расхождения в митозе или мейозе. Соматические клетки таких организмов содержат 3n, 4n, 8n и т. п. хромосом в зависимости от того, сколько хромосом было в гаметах, образовавших этот организм. Полиплоидия часто встречается у бактерий и растений, но очень редко – у животных. Полиплоидны три четверти всех культивируемых человеком злаков. Если гаплоидный набор хромосом (n) для пшеницы равен 7, то основной сорт, разводимый в наших условиях, – мягкая пшеница – имеет по 42 хромосомы, т. е. 6n.
Полиплоидами являются окультуренная свекла, гречиха, капуста (рис. 38) и т. п. Как правило, растения-полиплоиды имеют повышенные жизнеспособность, размеры, плодовитость и т. п.
В настоящее время разработаны специальные методы получения полиплоидов. Например, растительный яд из безвременника осеннего – колхицин – способен разрушать веретено деления (рис. 39) при образовании гамет, в результате чего получаются гаметы, содержащие по 2n хромосом. При слиянии таких гамет в зиготе окажется 4n хромосом.
Рис. 39. Формирование веретена деления во время деления клетки.
Геномные мутации в животном и растительном мире многообразны, но у человека обнаружены только 3 типа геномных мутаций: тетраплоидия, триплоидия и анеуплоидия. При этом из всех вариантов анеуплоидий встречаются только трисомии по аутосомам, полисомии по половым хромосомам (три-, тетра- и пентасомии), а из моносомий встречаются только моносомия-Х.
У человека полиплоидия, а также большинство анеуплоидий являются летальными мутациями.
К наиболее частым геномным мутациям относятся:
§ трисомия – наличие трех гомологичных хромосом в кариотипе (например, по 21-й паре при синдроме Дауна, по 18-й паре при синдроме Эдвардса, по 13-й паре при синдроме Патау; по половым хромосомам: XXX, XXY, XYY);
§ моносомия – наличие только одной из двух гомологичных хромосом. При моносомии по любой из аутосом нормальное развитие эмбриона невозможно. Единственная моносомия у человека, совместимая с жизнью, – моносомия по X-хромосоме – приводит к синдрому Шерешевского-Тернера (45, Х0).
Причиной, приводящей к анеуплоидии, является нерасхождение хромосом во время клеточного деления при образовании половых клеток или утрата хромосом в результате анафазного отставания, когда во время движения к полюсу одна из гомологичных хромосом может отстать от всех других негомологичных хромосом. Термин "нерасхождение" означает отсутствие разделения хромосом или хроматид в мейозе или митозе. Утрата хромосом может приводить к мозаицизму , при котором имеется одна эуплоидная (нopмальная) клеточная линия, а другая – моносомная.
Нерасхождение хромосом наиболее часто наблюдается во время мейоза (рис. 40). Хромосомы, которые в норме должны делиться во время мейоза, остаются соединенными вместе и в анафазе отходят к одному полюсу клетки. Таким образом, возникают две гаметы, одна из которых имеет добавочную хромосому, а другая не имеет этой хромосомы. При оплодотворении гаметы с нормальным набором хромосом гаметой с лишней хромосомой возникает трисомия (т.е. в клетке присутствуют три гомологичные хромосомы), при оплодотворении гаметой без одной хромосомы возникает зигота с моносомией . Если моносомная зигота образуется по какой-либо аутосомной (не половой) хромосоме, то развитие организма прекращается на самых ранних стадиях развития.
Рис. 40. Схема нерасхождения хромосом в гаметогенезе и результаты
оплодотворения.
Летальный или дизморфогенетический эффект хромосомных аномалий обнаруживается на всех стадиях внутриутробного онтогенеза (имплантация, эмбриогенез, органогенез, рост и развитие плода). Суммарный вклад хромосомных аномалий во внутриутробную гибель (после имплантации) у человека составляет 45 %. При этом, чем раньше прерывается беременность, тем вероятнее, что это обусловлено аномалиями развития эмбриона, вызванными хромосомным дисбалансом. У 2-4–недельных абортусов (эмбрион и его оболочки) хромосомные аномалии обнаруживают в 60-70 % случаев. В 1 триместре беременности хромосомные аномалии встречаются у 50 % абортусов. У плодов-выкидышей 2 триместра такие аномалии находят в 25-30 % случаев, а у плодов, погибших после 20 недели беременности, в 7 % случаев.
Наиболее тяжелые формы по дисбалансу хромосомного набора встречаются у ранних абортусов. Это полиплоидии (25 %), полные трисомии по аутосомам (50 %). Трисомии по некоторым аутосомам (1; 5; 6; 11; 19) встречаются крайне редко даже у элиминированных эмбрионов и плодов, что свидетельствует о большой морфогенетической значимости этих аутосом. Данные аномалии прерывают развитие в доимплантационном периоде или нарушают гаметогенез.
Высокая морфогенетическая значимость аутосом еще более отчетливо выражена при полных аутосомных моносомиях. Последние редко обнаруживаются даже в материале ранних спонтанных абортов из-за раннего летального эффекта такого дисбаланса.
Термин «мутация» впервые был предложенГ. Де Фризом в его классическом труде «Мутационная теория» (1901-1903).
Основные положения мутационной теории:
1.Мутация возникает скачкообразно , т.е. внезапно, без переходов.
2. Образовавшиеся новые формы наследуются, т.е. являются стойкими .
3. Мутации не направлены (т. е. могут быть полезными, вредными или нейтральными).
4. Мутации – редкие события.
5. Одни и те же мутации могут возникать повторно .
Мутация – это скачкообразное стойкое ненаправленное изменение генетического материала.
3. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости
Следующим после мутационной теории Де Фриза серьезным исследованием мутаций была работа Н.И. Вавилова по наследственной изменчивости у растений.
Изучая морфологию различных растений, Н.И Вавилов в1920 г . пришел к выводу, что, несмотря на резко выраженноеразнообразие (полиморфизм) многих видов , можно заметить и четкиезакономерности в их изменчивости . Если взять для примера семейство злаков, то окажется, что одинаковые отклонения признаков присущи всем видам (карликовость у пшеницы, ржи, кукурузы; колоски безостые, неосыпающиеся и т.д.).
Закон Н. И. Вавилова гласит: «Виды и роды,генетически близкие , характеризуютсясходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можнопредвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов».
Свой закон Н.И. Вавилов выразил формулой:
где G 1 , G 2 , G 3 , – виды, аa , b , c – различные варьирующие признаки.
Этот закон важен прежде всего для селекционной практики , потому что даёт направление поиска неизвестных форм у растений (вообще у организмов) данного вида, если они уже известны у других видов.
Под руководством Н.И.Вавилова были организованы многочисленные экспедиции по всему миру. Из разных стран были привезены сотни тысяч образцов семян культурных и диких растений для коллекции Всесоюзного института растениеводства (ВИР). Она до сих пор является важнейшим источником исходных материалов при создании новых сортов.
Теоретическое значение этого законасейчас не кажется столь большим, каким считалось в 1920 г. В законе Н.И. Вавилова содержалось предвидение того, что у близкородственных видов должны бытьгомологичные , т.е. сходные по структуре гены. В тот период, когда о структуре гена ничего не было известно, это был, безусловно, шаг вперед в познании живого (закон Н.И.Вавилова сравнивали по значимости с периодическим законом Д. И. Менделеева). Молекулярная генетика, секвенирование генов подтвердили правильность догадки Н.И. Вавилова, его идея стала очевидным фактом и уже не является ключом к познанию живого.
4. Классификация мутаций
Наиболее полную классификацию мутаций предложил в 1989 г. С. Г. Инге-Вечтомов . Приводим ее с некоторыми изменениями и дополнениями.
I . По характеру изменения генотипа :
Генные мутации, или точковые.
Хромосомные перестройки.
Геномные мутации.
II . По характеру изменения фенотипа :
Морфологические.
Физиологические.
Биохимические.
Поведенческие
III . По проявлению в гетерозиготе :
Доминантные.
Рецессивные.
IV . По условиям возникновения :
Спонтанные.
Индуцированные.
V . По локализации в клетке :
1. Ядерные.
2. Цитоплазматические (мутации внеядерных генов).
VI . По возможности наследования (по локализации в организме ):
1. Генеративные (возникшие в половых клетках).
2. Соматические (возникшие в соматических клетках).
VII . По адаптивному значению :
Полезные.
Нейтральные.
Вредные (летальные и полулетальные).
8. Прямые иобратные .
Теперь дадим пояснения по некоторым типам мутаций.
Мутационная теория , или, правильнее, теория мутаций, составляет одну из основ генетики. Она зародилась вскоре после переоткрытия законов Г. Менделя в трудах Г. де Фриза (1901-1903). Еще раньше к представлениям о скачкообразном изменении наследственных свойств пришел русский ботаник С.И. Коржинский (1899) в своем труде «Гетерогенезис и эволюция». Так что справедливо говорить о мутационной теории Коржинско- го-де Фриза. Гораздо обстоятельнее мутационная теория изложена в трудах Г. де Фриза, посвятившего большую часть жизни изучению проблемы (нутационной изменчивости растений.
На первых порах мутационная теория всецело сосредоточилась на фенотипическом проявлении наследственных изменений, практически не занимаясь механизмом их возникновения. В соответствии с определением Г. де Фриза мутация представляет собой явление скачкообразного, прерывистого изменения наследственного признака Определение понятия «мутация» вызывает трудности. До сих пор, несмотря на многочисленные попытки, не существует краткого определения мутации, лучшего, чем дал Г. де Фриз, хотя и оно не свободно от недостатков.
Основные положения мутационной теории Г. де Фриза сводятся к следующему:
- 1. Мутации возникают внезапно как дискрегные изменения признаков.
- 2. Новые формы устойчивы.
- 3. В отличие от ненаследственных изменений мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. Они представляют собой качественные изменения.
- 4. Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными.
- 5. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследованных особей.
- 6. Сходные мутации могут возникать неоднократно.
Как и многие генетики раннего периода, Г. де Фриз ошибочно считал, что мутации могут сразу давать начало новым видам, т. е. минуя естественный отбор. Г. де Фриз создал свою мутационную теорию на основе экспериментов с различными видами Oenothera. Парадокс заключался в том, что в действительности он не получил мутаций, а наблюдал результат комби нативной изменчивости, поскольку формы, с которыми он работал, оказались сложными гетерозиготами по транслокациям.
Строгое доказательство возникновения мутаций принадлежит В. Иоганнсену, изучавшему наследование в чистых (самоопыляющихся) линиях фасоли и ячменя. Полученный им результат касался количественного признака - массы семян. Мерные значения таких признаков обязательно варьируют, распределяясь вокруг некоей средней величины. Мутационное изменение подобных признаков и обнаружил В. Иоганнсен (1908-1913).
Так или иначе, но гипотеза о возможности скачкообразных наследственных изменений - мутаций, которую на рубеже столетий обсуждали многие генетики, получила экспериментальное подтверждение.
Крупнейшим обобщением работ по изучению изменчивости в начале XX в. стал закон гомологических рядов в наследственной изменчивости Н.И. Вавилова (1920). Согласно этому закону близким видам и родам организмов свойственны сходные ряды наследственной изменчивости. Чем ближе таксономически рассматриваемые организмы, тем большее сходство наблюдается в ряду (спектре) их изменчивости. Справедливость этого закона Н.И. Вавилов проиллюстрировал на огромном ботаническом материале.
Закон Н.И. Вавилова находит подтверждение в изучении изменчивости животных и микроорганизмов не только на уровне целых организмов, но и отдельных их структур. Достаточно вспомнить эволюционный принцип параллелизма в развитии тканей, сформулированный А.А. Заварзиным.
Закон Н.И. Вавилова имеет большое значение для селекционной практики, поскольку прогнозирует поиск определенных форм культурных 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. Своим законом гомологических рядов Н.И. Вавилов фактически заложил основы нового направления - сравнительной генетики.
Мутационная теория составляет одну из основ генетики. Она зародилась вскоре после переоткрытия Т. Морганом законов Менделя в начале 20 столетия. Можно считать, что она почти одновременно зародилась в умах голландца Хуго Де Фриза (1903) и отечественного ученого-ботаника С. И. Коржинского (1899). Однако приоритет в первенстве и в большем совпадении изначальных положений принадлежит российскому ученому. Признание основного эволюционного значения за дискретной изменчивостью и отрицание роли естественного отбора в теориях Коржинского и Де Фриза было связано с неразрешимостью в то время противоречия в эволюционном учении Ч. Дарвина между важной ролью мелких уклонений и их «поглощением» при скрещиваниях (см. кошмар Дженкина).
Основные положения мутационной теории Коржинского-Де Фриза можно свести к следующим пунктам:
1.Мутации внезапны, как дискретные изменения признаков
2.Новые формы устойчивы
3.В отличие от наследственных изменений, мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. Они являют собой качественные скачки изменений
4.Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными
5.Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследуемых особей
6.Сходные мутации могут возникать неоднократно
ГЕНОМНЫЕ МУТАЦИИ:
Мутация – это случайное явление, т.е. невозможно предсказать: где, когда и какое изменение произойдет. Можно только оценить вероятность мутации в популяциях, зная фактические частоты определенных мутаций.
Генные мутации выражаются в изменении структуры отдельных участков ДНК. По своим последствиям генные мутации делятся на две группы: мутации без сдвига рамки считывания и мутации со сдвигом рамки считывания.
Мутации без сдвига рамки считывания происходят в результате замены нуклеотидных пар, при этом общая длина ДНК не изменяется. В результате возможна замена аминокислот, однако из-за вырожденности генетического кода возможно и сохранение структуры белка.
Мутации со сдвигом рамки считывания (фреймшифты) происходят в результате вставки или потери нуклеотидных пар, при этом общая длина ДНК изменяется. В результате происходит полное изменение структуры белка.
Однако если после вставки пары нуклеотидов происходит потеря пары нуклеотидов (или наоборот), то аминокислотный состав белков может восстановиться. Тогда две мутации хотя бы частично компенсируют друг друга. Это явление называется внутригенной супрессией.
Нонсенс–мутации. Особую группу генных мутаций составляют нонсенс-мутации с появлением стоп-кодонов (замена смыслового кодона на стоп-кодон). Нонсенс-мутации могут возникать как вследствие замен нуклеотидных пар, так и с потерями или вставками. С появление стоп-кодонов синтез полипептида вообще обрывается. В результате могут возникать нуль-аллели, которым не соответствует ни один белок. Соответственно, возможно и обратное явление: замена нонсенс-кодона на смысловой кодон. Тогда длина полипептида может увеличиваться.
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 специальные тестерные линии для учета летальных мутаций.
2. Биохимические методы выявления мутаций исключительно разнообразны и основаны на применении различных методик.
а). Методики, основанные на выявлении определенных биохимических продуктов мутантных генов. Легче всего выявлять мутации по изменению активности ферментов или по утрате какого-либо биохимического признака. Например, у микроорганизмов на селективных питательных средах выявляются ауксотрофные формы, не способные синтезировать определенные вещества (по сравнению с нормальными, прототрофными формами).
б). Методики, основанные на непосредственном выявлении измененных нуклеиновых кислот и белков с помощью гель-электрофореза в сочетании с другими методиками (блот-гибридизации, авторадиографии).
Причины возникновения мутаций
По причинам возникновения различают спонтанные и индуцированные мутации.
Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают без видимых причин. Эти мутации иногда рассматривают как ошибки трех Р: процессов репликации, репарации и рекомбинации ДНК. Это означает, что процесс возникновения новых мутаций находится под генетическим контролем организма. Например, известны мутации, которые повышают или понижают частоту других мутаций; следовательно, существуют гены-мутаторы и гены-антимутаторы.
В то же время, частота спонтанных мутаций зависит и от состояния клетки (организма). Например, в условиях стресса частота мутаций может повышаться.
Индуцированные мутации возникают под действием мутагенов.
Мутагены – это разнообразные факторы, которые повышают частоту мутаций.
Впервые индуцированные мутации были получены отечественными генетиками Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым в 1925 г. при облучении дрожжей излучением радия.
Различают несколько классов мутагенов:
– Физические мутагены: ионизирующие излучения, тепловое излучение, ультрафиолетовое излучение.
– Химические мутагены: аналоги азотистых оснований (например, 5-бромурацил), альдегиды, нитриты, метилирующие агенты, гидроксиламин, ионы тяжелых металлов, некоторые лекарственные препараты и средства защиты растений.
– Биологические мутагены: чистая ДНК, вирусы, антивирусные вакцины.
– Аутомутагены – промежуточные продукты обмена веществ (интермедиаты). Например, этиловый спирт сам по себе мутагеном не является. Однако в организме человека он окисляется до ацетальдегида, а это вещество уже является мутагеном.
§ 2. Мутационная теория
Открытие прерывистых, внезапных, наследственных ненаправленных изменений - мутаций (от лат. mutation - изменение) * , распределение которых носит чисто случайный характер, послужило толчком для еще более бурного развития классической генетики в начале 20-го века и для выяснения роли наследственных изменений в эволюции.
* (Внезапно возникающие наследственные изменения еще издавно (в 17-м и 18-м веках) называли мутациями. Воскресил этот термин Г. Де Фриз. )
В 1898 г. русский ботаник С. И. Коржинский , а два года спустя голландский ботаник Де Фриз (один из тех, кто вторично открыл закон Менделя - см. главу IV, § 3) делают независимо друг от друга еще одно чрезвычайно важное генетическое обобщение, получившее название мутационной теории.
Сущность этой теории заключается в том, что мутации возникают внезапно и ненаправленно, но, раз возникнув, мутация становится устойчивой. Одна и та же мутация может возникать повторно.
Однажды, проходя мимо картофельного поля (близ голландской деревни Гилверсум), заросшего привезенным из Америки сорняком ослинником, ночной свечкой или энотерой (Oenothera Lamarckiana ) из семейства кипрейных (в состав которого входит всем известный кипрей, или Иван-чай), Де Фриз заметил среди обычных растений экземпляры, резко от них отличающиеся. Ученый собрал семена этих исключительных растений и высеял их в своем опытном саду. В течение 17 лет Де Фриз наблюдал энотеру (тысячи растений). Вначале он обнаружил три мутанта: один из них был карликовым, другой гигантским - крупными оказались его листья, цветы, плоды, семена, длинными стебли (рис. 29), третий имел красные жилки на листьях и плодах. За 10 лет от нормальных растений Де Фриз получил много новых форм, отличающихся рядом признаков. Ученый внимательно следил за мутантами (так называются носители мутаций) и их потомками на протяжении нескольких лет. На основании наблюдений, дополняя учение Дарвина, он пришел к заключению о первостепенной важности резких наследственных уклонений - мутаций для возникновения новых видов. Мутации появляются в самых разных направлениях у представителей любого из видов. Так как не все мутации позволяют мутанту выжить (в определенной среде), то дальнейшее существование соответствующей формы решается дарвиновской борьбой за существование путем естественного отбора.
Вскоре в научной литературе появилось множество описаний различных мутаций у животных и растений.
Не зная механизма возникновения мутаций, Де Фриз полагал, что все подобные изменения возникают самопроизвольно, спонтанно. Это положение справедливо лишь для части мутаций.
Неизбежность спонтанных мутаций следует из неизбежности движения атомов, при котором рано или поздно, но статистически неизбежно происходят переходы электронов с одной орбиты на другую. В результате изменяются отдельные атомы и целые молекулы даже при самых постоянных условиях среды. В появлении спонтанных мутаций и сказывается это неизбежное изменение любой физико-химической структуры (такой структурой являются и молекулы ДНК - хранители наследственной информации).
Спонтанные мутации постоянно обнаруживаются в природе с определенной частотой, сравнительно близкой у самых разнообразных видов живых организмов. Частота появления спонтанных мутаций колеблется по отдельным признакам от одной мутации на 10 тыс. гамет до одной мутации на 10 млн. гамет. Однако в связи с большим числом генов у каждой особи у всех организмов 10-25% всех гамет несут те или иные мутации. Примерно каждый десятый индивидуум является носителем новой спонтанной мутации.
Надо отметить, что большинство вновь возникающих мутаций находится обычно в рецессивном состоянии, увеличивая лишь скрытую, потенциальную, изменчивость, характерную для организмов любого вида. При изменении условий внешней среды, например при изменении действия естественного отбора, эта скрытая наследственная изменчивость может проявиться, так как особи, несущие в гетерозиготном состоянии рецессивные мутации, не будут в новых условиях уничтожаться в процессе борьбы за существование, а будут оставаться и давать потомство. Самопроизвольные, спонтанные мутации появляются без каких-либо вмешательств со стороны. Однако существует множество так называемых индуцированных мутаций . Факторами, вызывающими (индуцирующими) мутации, могут быть самые разнообразные влияния внешней среды: температура, ультрафиолетовое излучение, радиация (как естественная, так и искусственная), действие различных химических соединений - мутагенов . Мутагенами называют агенты внешней среды, вызывающие те или иные изменения генотипа - мутацию, а сам процесс образований мутаций - мутагенезом.
Радиоактивным мутагенезом начали заниматься в 20-х годах нашего столетия. В 1925 г. советские ученые Г. С. Филиппов и Г. А. Надсон впервые в истории генетики применили рентгеновские лучи для получения мутаций у дрожжей. Через год американский исследователь Г. Меллер (впоследствии дважды лауреат Нобелевской премии), длительное время работавший в Москве, в институте, руководимом Н. К. Кольцовым , применил тот же мутаген на дрозофиле.
У дрозофилы обнаружены многочисленные мутации, две из них vestigial и curled изображены на рис. 30.
В настоящее время работы в этой области переросли в одну из наук-радиационную биологию, науку, имеющую большое практическое применение. Например, некоторые мутации грибов - продуцентов антибиотиков - дают в сотни и даже тысячи раз больший выход лекарственных веществ. В сельском хозяйстве благодаря мутациям получены высокоурожайные растения. Радиационная генетика имеет значение в изучении, освоении космических пространств.
Химический мутагенез впервые целенаправленно начали изучать сотрудник Н. К. Кольцова В. В. Сахаров в 1931 г. на дрозофиле при воздействии на ее яйца йодом, а позже М. Е. Лобашов.
К химическим мутагенам относятся самые разнообразные вещества (алкилирующие соединения, перекись водорода, альдегиды и кетоны, азотистая кислота и ее аналоги, различные антиметаболиты, соли тяжелых металлов, красители, обладающие основными свойствами, вещества ароматического ряда), инсектициды (от лат. insecta - насекомые, cida - убийца), гербициды (от лат herba - трава), наркотики, алкоголь, никотин, некоторые лекарственные вещества и многие другие.
За последние годы в нашей стране начаты работы по использованию химических мутагенов для создания новых пород животных . Интересные результаты достигнуты по изменению окраски шерсти у кроликов и увеличению длины шерсти у овец. Существенно, что эти достижения получены при таких дозировках мутагенов, которые не вызывают гибели подопытных животных. Широко используются сильнейшие химические мутагены (нитрозоалкилмочевины, 1,4-бисдиазоацетилбутан).
Одной из основных задач селекции сельскохозяйственных растений является создание сортов, устойчивых к грибковым и вирусным заболеваниям. Химические мутагены являются эффективным средством для получения форм растений, устойчивых к самым различным заболеваниям. У злаков (яровая и озимая пшеница, ячмень, овес) получены формы, устойчивые к мучнистой росе, с повышенной устойчивостью к различным видам ржавчины. Немаловажно то, что у отдельных мутантов увеличение количества белка не коррелирует с ухудшением его качества и возможно получение форм с повышенным содержанием белка и незаменимых аминокислот в нем (лизина, метионина, треонина).
Среди мутантов, индуцированных химическими мутагенами, большой интерес представляют формы с комплексом положительных признаков. Нередки случаи получения таких форм у пшеницы, гороха, томатов, картофеля и других культур. Мутации являются материалом как для естественного , так и для искусственного отбора (селекции).
В 1920 г. в то время еще молодой, но один из крупнейших генетиков 20-го века Николай Иванович Вавилов установил, что существует параллелизм изменчивости среди самых разнообразных систематических единиц живых существ. Это положение получило название правила гомологических (от лат. homologis - согласие, единое происхождение) рядов, которое до известной степени позволяет предсказать, какие мутации могут возникать у родственных (а иногда и у отдаленных) форм. Это правило заключается в том, что между различными систематическими группами (виды, роды, классы и даже типы) существуют повторяющиеся ряды форм, сходные по своим морфологическим и физиологическим свойствам. Это сходство обусловлено наличием общих генов и сходным их мутированием.
Так, среди сортов пшеницы и ржи встречаются сходные формы, озимые и яровые, обладающие остистостью, короткоостистостью или безостистостью колоса; и у тех и у других наблюдаются опущенные, гладкоколосные, красно-, бело- и черноколосные расы, расы с ломким и неломким колосом и другими признаками. Подобный же параллелизм между организмами, относящимися к разным видам, родам, семействам и даже к разным классам, наблюдается у животных. Примером могут служить гигантизм, карликовость или отсутствие пигментации - альбинизм у млекопитающих, птиц, а также у других животных и растений.
Обнаружив у одного биологического вида серию форм А, Б, В, Г, Д, Е и установив у другого родственного ему вида формы А 1 , Б 1 , Д 1 , Е 1 , можно предположить, что существуют еще не открытые формы В 1 и Г 1 .
У человека частота мутирования составляет в естественных условиях 1:1 000 000, но если учесть огромное число генов, то не менее 10% гамет как мужских, так и женских, несет какую-либо вновь возникающую мутацию.
