Виды и причины мутаций

33. Виды и причины мутаций

С давних пор были известны редкие случаи появления среди множества нормальных организмов видоизменённых особей. Процесс возникновения наследственных изменений организма получил название мутагенеза.

Научное описание явлений мутагенеза было сделано лишь в 1899 г. русским ботаником Сергеем Ивановичем Коржинским и в 1901 г. голландским генетиком Гуго де Фризом, который ввел термины «мутация» (от латинского «изменение») и «мутагенез».

Способность мутировать присуща всем формам жизни на Земле и лежит в основе изменчивости организмов. Сущность мутаций заключается в изменении структуры ДНК, являющейся носителем генетической информации.  В результате мутации организм приобретает новый признак или утрачивает один из имеющихся признаков.

Мутагенез может быть спонтанным, возникающим в естественных условиях без видимых внешних воздействий, и искусственным, или индуцированным, т.е. вызываемым искусственным внешним воздействием.

Причины мутаций долгое время оставались невыясненными. Впервые искусственные мутации были получены в 1925 г. советским ученым Георгием Адамовичем НАдсоном и его сотрудниками путем облучения дрожжевых грибков рентгеновскими лучами, а в 1927 году американский генетик Герман Мёллер вызывал направленные мутации, воздействуя рентгеновскими лучами на дрозофил. Факторы, способные вызывать мутации, получили название мутагенных. Среди мутагенов физической природы наибольшее значение имеют рентгеновское излучение, ультрафиолетовые лучи, повышенная температура и т.п. Как и рентгеновские, ультрафиолетовые лучи в клетках, подвергшихся облучению, приводят к химическим реакциям, которые являются причинами различных мутаций.

В 1928 г. советский микробиолог Максим Николаевич Мейсель опубликовал результаты исследований, доказавших возможность получения мутаций при воздействии на клетки химическими соединениями.

Сегодня известно много химических мутагенов. Например, алкалоид колхицин разрушает веретено деления, что приводит к удвоению числа хромосом в клетке. Газ иприт, используемый для изготовления химического оружия, повышает частоту мутаций в 90 раз. Мутации в организме человека могут быть вызваны алкоголем, наркотическими и некоторыми лекарственными препаратами.

К биологическим мутагенам относятся вирусы. Исследования показали, что в клетках, пораженных вирусами, мутации происходят значительно чаще, чем в здоровых. Вирусы вводят определенное количество собственной генетической информации в генотип клетки-хозяина, изменяя её и заставляя продуцировать новые вирусы.
Спонтанные, или самопроизвольные мутации возникают без влияния мутагенных факторов, в частности, как ошибки при воспроизведении генетической информации. Их причины окончательно еще не выяснены. Это может быть естественный радиационный фон, космические лучи, которые достигают поверхности Земли, химические вещества, образующиеся в организме в результате обменных процессов и др.
Мутагены универсальны и могут приводить к мутациям у разных организмов.
Существует несколько классификаций мутаций по различным критериям. 
По воздействию на организм мутации делят на полезные, нейтральные, летальные и полулетальные.

Большинство мутаций вредны для живых существ. Они снижают приспособленность к условиям среды, приводят к разнообразным нарушениям процессов жизнедеятельности, вызывают наследственные заболевания, многие вызывают гибель организма.

Нейтральные мутации, которые почти не влияют на жизнеспособность организмов, при определенных изменениях окружающей среды могут оказаться полезными. 

Мутации можно классифицировать по характеру изменения структуры отдельных генов, хромосом и генома в целом. Различают следующие виды мутаций:

• геномные,
• хромосомные,
• генные.

Геномные мутации заключаются в изменении нормального количества хромосом в геноме организма, т.е. отсутствие какой-либо хромосомы или лишние хромосомы. Один из вариантов геномных мутаций – полиплоидИя - образование организмов или клеток, геном которых кратно увеличен и представлен более чем двумя наборами хромосом.  Чаще встречаются организмы с числом хромосомных наборов кратным двум – тетраплоиды, гексаплоиды и т. д. Полиплоиды с нечётным числом наборов хромосом - триплоиды, пентаплоиды и т. д. обычно стерильны и не дают потомства, т. к. образуемые ими половые клетки содержат неполный, не кратный гаплоидному набор хромосом.

Полиплоидия широко распространена в природе. Этот вид мутаций играет важную роль в эволюции цветковых растений, среди которых около 47 % видов – полиплоиды. Высокая степень плоидности свойственна многим простейшим – число наборов хромосом у них может возрастать в сотни раз. Среди многоклеточных животных полиплоидия крайне редка и встречается у видов, утративших нормальный половой процесс – гермафродитов, например, земляных червей, а также у некоторых насекомых, рыб, саламандр. У многоклеточных животных бывают полиплоидными клетки отдельных тканей, например, клетки печени млекопитающих.
Полиплоидные формы растений часто обладают ценными хозяйственными признаками – повышенной урожайностью, зимостойкостью и устойчивостью к заболеваниям. Поэтому искусственную полиплоидизацию применяют в растениеводстве для получения селекционного материала. Для этого используют специальные мутагены, например, алкалоид колхицин. Широко используются в сельском хозяйстве урожайные полиплоиды пшеницы, ржи, гречихи, сахарной свёклы и др. культурных растений.

Разновидностью геномных мутаций является анеуплоидИя - изменение числа хромосом в геноме организма, не кратное гаплоидному набору. Отсутствие в хромосомном наборе диплоидного организма одной хромосомы называется моносомией, наличие дополнительной хромосомы -  трисомией. Анеуплоидия возникает в результате нарушения расхождения хромосом в митозе или мейозе. Анеуплоидия вызывает у человека наследственные патологии. Анеуплоидия по аутосомам нарушает нормальное развитие эмбрионов и является одной из основных причин их гибели на ранних стадиях.

Трисомия по 21 паре хромосом приводит к рождению ребёнка с синдромом Дауна. Моносомии по аутосомам у человека являются эмбрионально летальными. Моносомия по Х-хромосоме у женщин приводит к синдрому Шерешевского-Тернера.

При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. Выделяют следующие типы хромосомных мутаций.

• Утрата. Происходит отделение концевого участка хромосомы и утрата всех генов, локализованных в нём. Такая хромосомная мутация в 21 паре хромосом человека вызывает развитие острого лейкоза.

         Делеция, или утрата срединного участка хромосомы. Последствия делеции в зависимости от структуры утраченного участка могут быть различными – от нейтральной реакции организма до возникновения тяжёлого заболевания и смерти.

• Дупликация, или удвоение части генетического материала одной или нескольких хромосом

Копирование какого-либо участка ДНК и встраивание его в хромосому. Таким образом, хромосома может содержать несколько одинаковых участков. Такой вид мутаций менее опасен, чем делеции.

• Инверсия – изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах.

Происходит разрыв хромосомы в двух местах, переворот вырезанного участка на 180⁰ и встраивание его на прежнее место. В результате изменения последовательности нуклеотидов изменяется структура хромосомы.

• Транслокация - перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую. В редких случаях - объединение целых хромосом.

Если под действием мутации изменяется лишь один нуклеотид, говорят о генных, или точечных мутациях. Эффект генных мутаций менее значителен, чем при хромосомных мутациях, однако генные мутации встречаются более часто. Изменение последовательности нуклеотидов при генных мутациях приводит к нарушению структуры определённых белков, что, в свою очередь, приводит к нарушениям работы в различных органах организма.
Мутации широко применяются в селекции микроорганизмов и растений, используются при разработке биологических методов борьбы с организмами -  вредителями. Выяснение механизма возникновения мутаций позволит в будущем найти эффективные методы борьбы с онкологическими, наследственными, вирусными и другими заболеваниями.