Мутогены и мутации

Введение

Наследственность и изменчивость – это «краеугольные камни» науки генетики, которая исследует вопросы стабильности видов, сохранения и передачи признаков от поколения к поколению, появления новых признаков и их сохранения при размножении. На основе изменчивости возможен процесс формирования новых штаммов микроорганизмов, сортов растений, пород животных, который широко используется в селекции. В медицине понимание причин возникновения генетических отклонений позволяет вести профилактику генетических заболеваний, проводить обследование женщин на ранней стадии беременности и прерывать беременность по медицинским показаниям в случае обнаружения серьезных генетических отклонений у плода.
Изменчивостью называют общее свойство организмов приобретать новые структурные и /или функциональные признаки, отличающиеся от их предков. Существует три разновидности изменчивости:
модификационная (когда изменения внешних признаков не сопровождаются изменением генотипа, а происходят под влиянием внешних условий среды),
комбинативная, возникающая в результате перекомбинации аллелей в генотипах в процессе мейоза,
мутационная, возникающая в результате качественных и/или количественных изменений генотипа под влиянием условий окружающей среды, в том числе, и под влиянием антропогенных факторов [3,4,5, 10].
В нашем реферате мы раскроем механизм мутационной изменчивости и охарактеризуем факторы, определяющие этот вид изменчивости, приведем классификацию и примеры мутаций у микроорганизмов, растений, животных и человека, покажем, что мутации могут приводить как к положительным, так и к отрицательным результатам.
Мутационная изменчивость
Источники мутационной изменчивости
Изменения, которые влекут за собой изменения структуры наследственной ДНК, приводят к возникновению мутаций. Мутагены, т.е. факторы, вызывающие мутационную изменчивость, могут быть естественными или спонтанными, возникающими в природных условиях независимо от деятельности человека, а могут быть искусственно вызванными человеком или индуцированными. В основе мутационного воздействия лежит влияние физических, химических и биологических факторов на половые клетки, что и приводит к изменению наследственных структур (генов и хромосом), появлению новых признаков и возникновению новых форм микроорганизмов, растений и животных [3,4,5, 10].
Наиболее распространен в современной селекции метод искусственного (индуцированного) мутагенеза. Для получения индуцированных мутаций можно использовать физические, химические и биологические факторы. Дозы воздействий физических и химических мутагенов подбирают таким образом, чтобы уровень летальности у обрабатываемых объектов не превышал 50%. Индуцированный мутагенез может быть причиной возникновения частично мутантных организмов (химер). Особенно эффектным созданием химер являются растительные организмы, у которых возникают соматические (почковые) мутации, например бессемянные сорта. У таких форм воспроизводство осуществляют вегетативным путем, прививая мутировавшие почки (черенки) в крону обычных растений, например, бессемянные апельсины размножают именно таким способом [10].
1.2. Классификация мутагенов
Понятие «мутация» было впервые использовано Гуго де Фризом в 1901 году. Изучение воздействия химических и физических факторов было начато Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым, которые в 1925 году облучили культуры дрожжей радиоактивным излучением радия, Г. Мёллером, который в 1927 году получил мутации у дрозофилы под действием рентгеновских лучей, А.Н. Промптовым, установившим мутагенное действие ультрафиолетового излучения в 1931 году. В дальнейшем изучали воздействие физических и химических факторов на наследственность различных организмов И.А. Рапопорт, Н.П. Дубинин, Г.Д. Карпеченко, Т. Морган, Н.К. Кольцов, В.В. Сахаров, С. М. Гершензон, М. В. Лобашов, И. А. Рапопорт, Ш. Ауэрбах, М. Beстергаард и другие.
Классификация мутагенов может основываться на разных критериях (рис. 1).

Рис. 1. Классификация мутагенов [11].
Классификация мутагенов по происхождению предусматривают две группы мутагенов:
эндогенные, которые образуются в процессе жизнедеятельности организма,
экзогенные, которые воздействуют извне, из окружающей среды.
Классификация по критерию природы возникновения предусматривает группы:
физические мутагены,
химические мутагены,
биологические мутагены.
В рамках этой классификации в каждой группе мутагенов имеется подразделение на более мелкие подгруппы. Так, физические мутагены включают такие факторы, как:
Ионизирующее излучение,
Радиоактивное излучение, нейтронное излучение,
Ультрафиолетовое излучение,
Чрезвычайно высокая температура,
Чрезвычайно низкая температура.
Химические мутагены включают:
Некоторые алкалоиды, например, колхицин, который активно используется в селекции растений,
Окислители и восстановители (нитраты, нитриты, активные формы кислорода),
Нитропроизводные мочевины (например, N-метил-N-нитрозомочевина),
Этиленимин, этилметансульфонат, диметилсульфат, 1,4-бисдиазоацетилбутан (известный как ДАБ),
Некоторые пестициды,
Некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды, цикламаты),
Продукты переработки нефти;
Органические растворители,
Лекарственные препараты (например, цитостатики, препараты ртути, иммунодепрессанты).
К биологическим мутагенам относят различные биологические носители ДНК или РНК, например:
Специфические последовательности ДНК – транспозоны,
Вирусы,
Продукты обмена веществ,
Антигены микроорганизмов.

Механизм действия мутагенов
Основной эффект действия физических факторов – это образование разрывов в молекуле ДНК. Разрывы могут быть одиночные или двойные. При воздействии излучений происходит ионизация и возбуждение атомов или молекул, что впоследствии вызывает изменение структуры ДНК или РНК, а затем, как следствие, изменение структуры гена или хромосомы. При воздействии излучения основную роль играют два показателя: величина энергии воздействующей частицы и способность биологического материала поглощать эту энергию. Проникая в клетку, излучение вырывает электроны из молекул, что вызывает образование положительно заряженных ионов. Освободившиеся электроны присоединяются к другим молекулам, которые становятся отрицательно заряженными. Образуются свободные радикалы водорода (Н) и гидроксила (ОН), кот дают соединение Н2О2. Эти превращения приводят к изменению структур молекул ДНК и образование точковых (генных) мутаций. В соматических клетках также могут происходить отклонения под воздействием ионизирующих облучений, что приводит к образованию злокачественных опухолей. И ионизирующее, и радиоактивное, и ультрафиолетовое воздействие могут вызывать как вредное воздействие, приводящее к разрушению молекул, так и полезное воздействие, которое может вызвать некие изменения в геноме и появление полезных человеку признаков. Физические мутагены могут образовываться в результате попадающего на Землю космического излучения, либо в естественных урановых месторождениях, либо в результате вулканической деятельности. Однако, львиная доля воздействия физических факторов в естественных условиях имеет техногенную природу – это результат работы ядерных реакторов, тепловых электростанций, работающих на каменном угле, использование фосфорных минеральных удобрений с примесями урана и тория. В научных исследованиях используют соответствующие источники ионизирующего (электромагнитного), радиоактивного и ультрафиолетового излучения с контролируемыми дозами излучения, контролем времени воздействия, при этом используются конкретные клетки и ткани растений и животных, культуры микроорганизмов, воздействие на которые можно затем легко проанализировать и выявить появление соответствующих мутаций.
Химические мутагены вызывают химические изменения в структуре молекул ДНК, РНК, белков, предшественников нуклеиновых соединений. Разнообразные изменения могут происходить и на этапе транскрибирования ДНК, и на этапе синтеза белка на матричной РНК. В настоящее время известны несколько тысяч мутагенных соединений, в том числе и продукты промышленного синтеза (красители, консерванты, пестициды, лекарственные средства и т.п.). Особенной активностью обладают алкилирующей соединения и нитрозосоединения, легко вступающие в химические реакции с биологически активными молекулами и носителями наследственности.
Биологические мутагены представляют собой носителей ДНК или РНК соединений, в том числе и коротких цепочек, в качестве которых выступают преимущественно вирусы, но могут быть использованы и плазмиды бактерий, а также искусственно выделенные части ДНК или РНК с определенными генами из клеток и прокариот, и эукариот. При этом используются специфические полипептиды и белки, например о-стрептолизин, ферменты рестриктазы и др. Действие рестриктаз приводит к «разрезанию» цепей ДНК, встраивание новых элементов нуклеиновых кислот

. Технология создания генно-модифицированных организмов (ГМО) представляет собой яркий пример биологического мутагенеза, в результате которого уже получены разнообразные формы (сорта растений и породы животных), обладающие совершенно необычными свойствами. Механизм создания таких мутантов – это технология генной инженерии, позволяющая вносить в клетку элементы (гены, системы генов) наследственности и встраивать их в геном клетки как с помощью микроинструментов, так и с помощью вирусных частиц, осуществляющих перенос наследственного материала и его встраивание в геном клетки-хозяина [6,10, 12, 14, 15, 16, 17, 24].
Мутации
Мутация отличается от модификации способностью передаваться по наследству. У мутантов измененный признак переходит в последующие поколения, что и позволяет сформировать новую форму в рамках вида. В естественных условиях многие виды образовались в результате мутационного воздействия, появления нового признака, распространения этих мутантных особей в новые ареалы и дальнейшее расхождение с исходным видом. Примером таких изменений являются гомологические ряды растений, открытые Н.И. Вавиловым [1, 2, 22].
Объяснение механизма образования мутаций в настоящее время представлено несколькими моделями.
Наиболее разработанной является полимеразная модель мутагенеза. Идея этой модели основана на том, основной причиной образования мутаций являются случайные ошибки в молекуле ДНК.
Уотсон и Крик предложили таутомерную модель мутагенеза, полагая, что в основе мутагенного воздействия лежит способность оснований молекулы ДНК находиться в различных таутомерных (пространственно измененных, но изомерных) формах. При этом образование мутаций происходит как физико-химическое явление. Существуют различные другие модели, например, полимеразно-таутомерная модель ультрафиолетового мутагенеза, склонный к ошибкам и SOS-синтез ДНК, содержащей цис-синциклобутановые пиримидиновые димеры [3, 6, 9, 20].
2.1. Классификация мутаций
Классификация мутаций может основываться на разных критериях. Используются такие критерии, как: способ возникновения, тип мутирования клеток, исход для организма, тип изменения генотипа, место локализации в клетке.
По способу возникновения мутации делят на:
Спонтанные, возникающие в естественной природной среде без участия человека,
Индуцированные, возникающие при воздействии факторов, целенаправленно используемых человеком в селекции микроорганизмов, растений и животных, а также при воздействии факторов техногенного характера, т.е. появившихся в результате антропогенного воздействия.
По типу мутирования клеток мутации делят на:
Соматические, возникающие в обычных тканях (вегетативных у растений, мышечных и соединительных у животных). Эти мутации не передаются по наследству.
Генеративные, возникающие в репродуктивных тканях, способные передаваться по наследству, если измененная гамета участвует в оплодотворении.
По исходу (действию) мутации для организма мутации делят на:
Отрицательные,
Летальные,
Полулетальные,
Нейтральные,
Положительные.
По изменению генотипа мутации делят на:
Генные или точковые (вызывают изменение в пределах одного гена),
Хромосомные (вызывают изменение части хромосомы),
Геномные (изменяют количество хромосом).
Классификация по изменению генотипа является ступенчатой, так как в каждой классификационной группе есть сове подразделение на более мелкие классификационные категории. Так, генные мутации подразделяются на следующие разновидности:
Делеция (выпадение нуклеотида),
Дубликация (повтор нуклеотида),
Дезаминирование нуклеотида,
Замена аналогом основания (урацил заменяется кетоформой, близкой к тимину, а затем становится комплементарным аденину). При этом происходит ошибка репликации.
Трансверсия (замена пурина на пиримидин),
Вставка дополнительного нуклеотида (мутация со сдвигом рамки), т.е. нарушается последовательность нуклеотидов.
Хромосомные мутации характеризуются наличием изменений не в отдельном нуклеотиде, а затрагивают несколько нуклеотидов:
Делеция (выпадение нескольких нуклеотидов),
Дупликация (повтор нескольких нуклеотидов),
Инверсия (поворот нескольких нуклеотидов на 180 о).
Геномные мутации представлены двумя разновидностями:
Анеуплоидия (добавление или нивелирование одной или нескольких хромосом),
Автополиплоидия (удвоение генома из-за нерасхождения хромосом в митозе или мейозе),
Полиплоидия (кратное увеличение всего генома, в результате чего появляются триплоидные, тетраплоидные и другие кратно увеличенные генотипы).
По локализации мутации в клетке их делят на:
Ядерные,
Цитоплазматические или плазматические, которые могут проходить в митохондриях и хлоропластах, где есть собственные фрагменты ДНК и РНК.
Таким образом, классификация мутаций представлена разветвленной системой критерием и может быть иллюстрирована рядом схем (рис. 2, 3,4) [13, 11, 18, 20].
2.2. Мутации у микроорганизмов
Микроорганизмы (вирусы, прокариоты, грибы) представляют собой очень удобные объекты селекции и генной инженерии. Микроорганизмы являются естественными врагами ряда патогенных микроорганизмов, поэтому вирусы активно используются в борьбе с бактериальными болезнями. Грибы продуцируют различные антибиотики, которые широко используются и в медицине, и в ветеринарии, и в растениеводстве. Благодаря индуцированному мутагенезу можно получать более эффективные и продуктивные штаммы
полезных бактерий и грибов, которые используют и для получения пищевых продуктов (молочная, хлебопекарная, пивоваренная, винодельческая, винокуренная отрасли промышленности), и для борьбы с болезнями в медицине и животноводстве. Схемы получения новых штаммов микроорганизмов путем индуцированного мутагенеза представлены на рис. 5, 6, 7 а на рис. 8 приведена схема использования микроорганизмов в технологии генетической инженерии. Продуктивность штаммов может увеличена в 50-100 раз. Селекция микроорганизмов методом мутагенеза характеризуется высокой частотой мутаций, поскольку желаемая мутация возникает с частотой 107 раз, поэтому поиски нужной колонии могут осуществляться в пределах нескольких тысяч колоний, что не занимает слишком много места и может быть проведена в небольших лабораторных помещениях. Проявление мутации в бактериальных штаммах может быть обнаружено немедленно, так как бактерии представляют собой гаплоидные организмы и не имеют рецессивных генов. Время получения и выделения нужного мутанта также не велико, поскольку скорость размножения микроорганизмов весьма велика, один цикл занимает всего лишь от получаса до 2-3 дней.
2.3. Мутации у растений
Многие селекционеры использовали при выведении новых сортов и форм растений мутагенные факторы, в том числе и физические, и химические. Получаемые мутантные формы представляют большой интерес для селекции, поскольку можно получить мутации, не встречающиеся в природе. Про проведении мутагенного воздействия на растения ученые добиваются такого эффекта, чтобы погибало не более 50% обрабатываемых особей. Воздействию мутагенов подвергают пыльцу, семена, проростки, почки, черенки, луковицы, клубни, другие части растений. Мутации почти никогда не проявляются сразу, в первом же поколении, поэтому необходимо наблюдать за потомством растений в течение нескольких лет. При этом надо учитывать, что эффект от мутагенов может быть в виде соматических мутаций, которые не наследуются (морфозы, тераты) (приложение 1, 2, 3). Выделение мутаций обычно начинают во втором мутантном поколении, когда проявляется часть нецессивных мутаций. Для выбраковки ненаследуемых признаков требуется до 5-7

Рис. 2. Виды мутаций [18].

Рис. 3. Виды мутаций по изменению генотипа [11].

Рис. 4. Виды мутаций по изменению генома [11].
поколений, поскольку модификации, проявляющиеся в цитоплазматических мутациях могут сохраняться в течение ряда лет. С помощью мутагенных факторов получают различные формы растений, например сорта карликовых томатов с желтыми плодами, крупноплодные более мощные растения (рис. 9).
У ряда сельскохозяйственных культур выявлены и спонтанные мутации. Например, у кукурузы классифицировано 6 типов спонтанных естественных рецессивных мутаций:
Мутирующие гены структуры эндосперма и зародыша (мучнистый, сахарный, амилозный типа эндосперма), Хлорофилльные мутации,
Мутации коричневой жилки листа bm, проявляющихся у низколигниновых линий и гибридов, что весьма ценно для сортов, выращиваемых на силос,
Мутации структуры листа, стебля, корня,
Мутации дихотомического разветвления стебля,
Мутации половых признаков кукурузы (особенно важна для производства гибридов мужская стерильность, обеспечивающая промышленное производстве гибридных семян кукурузы).
С помощью химического мутагена «фосфемида» (диэтиленимид 2-амидопиримидилфосфорной кислоты) российские ученые получили ряд форм яровой пшеницы с улучшенными признаками колоса (рис. 10).
Ярким примером применения на практике химических мутагенов является создание полиплоидных сортов растений