Спонтанные мутации примеры у людей. Спонтанные мутации. Связь мутаций с репликацией ДНК
Мутации (от латинского mutatio – перемена) – это изменение генов и хромосом, проявляющееся в изменении свойств и признаков организмов. Описал их в 1901 году голландский учёный Де Фриз. Он же заложил основы и теории мутаций. Процесс образования мутаций во времени и пространстве называется мутагенез . Вещества, вызывающие мутации в клетках — мутагены.
В зависимости от происхождения различают спонтанные и индуцированные мутации.
Генеративные и соматические мутации.
Мутации могут возникать на всех стадиях развития организма и поражать гены и хромосомы как в половых клетках, так и в соматических. Поэтому по типу клеток различают генеративные и соматические мутации . Генеративные мутации происходят в половых клетках и в этом случае передаются следующим поколениям. Соматические мутации происходят в любых других соматических клетках организма; они провоцируют рак, нарушают иммунную систему, уменьшают продолжительность жизни. Соматические мутации не передаются по наследству. Большая часть канцерогенных веществ вызывает мутации в соматических клетках.
Спонтанные и индуцированные мутации.
Спонтанные мутации (самопроизвольное изменение в совокупности генов организма данного вида) – те мутации, которые возникают у организмов в нормальных природных условиях без видимых причин; они возникают как ошибки при воспроизведении генетического материала, поскольку редупликация не происходит с абсолютной точностью. Длительное время считалось, что спонтанные мутации являются беспричинными. Сейчас же пришли к выводу, что они являются результатом естественных процессов, протекающих в клетках. Они возникают в условиях природного радиоактивного фона Земли в виде космического излучения, радиоактивных элементов на поверхности Земли, радионуклидов в клетках организмов. Спонтанная мутация может возникнуть в любой период индивидуального развития и поразить любую хромосому или ген. Частота встречаемости спонтанных мутаций, например, 1:100000.
Индуцированные мутации возникают в результате действия мутагенов, нарушающих процессы, происходящие в клетке.
Если сравнить частоту спонтанных и индуцированных мутаций клеток организмов при обработке мутагеном и без него, то очевидно, что если частота мутаций повышается в 100 раз в результате воздействия мутагена, то одна мутация будет спонтанная, остальные индуцированные.
Факторы мутагенеза.
В зависимости от локализации в клетке различают генные и хромосомные мутации . Генные, или точечные, мутации заключаются в изменении индивидуальных генов (выпадение, вставка или замена одной пары нуклеотидов. Хромосомные мутации бывают нескольких видов и затрагивают:
изменение структуры хромосом (крупные перестройки в отдельных фрагментах ДНК):
Делеции (выпадение числа нуклеотидов);
Дупликации (повторение фрагментов ДНК, в результате чего происходит её удлинение);
Инверсии (поворот участка хромосом на 180 0);
Транслокации (перенос участка хромосомы в новое положение в той или уже другой хромосоме).
Мутации, поражающие структуру хромосом, называют хромосомными перестройками , или аберрациями.
изменение количества хромосом:
Полиплоидия (увеличение кратного набора хромосом);
Гаплоидия (уменьшение всего набора хромосом);
Анеуплоидия (нарушение нормального количества хромосом из-за добавления или удаления одной или более хромосом).
Мутации, затрагивающие изменение числа хромосом в клетках организма, называются геномными . Геном – совокупность генов организма данного вида.
Мутационные процессы происходят не только у человека, но и у животных и растений. Поэтому мы рассматриваем общие закономерности. Хромосомные аберрации встречаются у растений, животных и человека. Ведут к нарушению здоровья. Полиплоидия встречается чаще у растений, у животных и человека – редка (число хромосом может увеличиваться в 3, 4, 5 раз). Гаплоидия встречается также в основном у растений (около 800 видов растений имеют гаплоиды), у животных — очень редка, у человека неизвестна. Анеуплоидия часто встречается у растений, у животных и у человека. Делеции – наиболее частые и опасные формы повреждения хромосом для человека. Некоторые дупликации вредны и даже летальны. Повтор сегмента хромосомы может быть малым, касаясь одиночного гена, или большим, затрагивая большое количество генов. Могут быть и безвредные дупликации. Транслокации происходят в результате разрыва хромосом. Могут иметь размеры от небольших до значительных.
Мутации могут оказаться незамеченными, если они затронули второстепенные участки наследственных структур, но могут приводить к серьёзным расстройствам, вплоть до гибели организма.
Возникшие повреждения в ДНК не обязательно реализуются в мутации. Они могут бесследно исчезнуть, благодаря существующей в клетке эффективной системе восстановления генетических повреждений (репарации). Проявление мутантного гена может быть подавлено действием другого гена. В этом случае мутантный ген может передаваться из поколения в поколение и проявиться только в случае, когда в зародышевой клетке встретятся два идентичных мутантных гена. Некоторые мутации проявляются только в определённых условиях существования. Например, при определённой температуре культивирования мутантных микроорганизмов.
Какие мутации называют спонтанными? Если перевести термин на доступный язык, то это естественные ошибки, возникающие в процессе взаимодействия генетического материала с внутренней и/или внешней средой. Такие мутации, как правило, случайны. Они наблюдаются и в половых, и в других клетках тела.
Экзогенные причины мутаций
Спонтанная мутация может возникнуть под воздействием химических веществ, радиации, под действием высоких или низких температур, разреженного воздуха или высокого давления. Ежегодно человек в среднем поглощает около одной десятой рада ионизирующего излучения, что составляет естественный радиационный фон. В это число входит гамма-излучения ядра Земли, солнечный ветер, радиоактивность элементов, залегающих в толще земной коры и растворенных в атмосфере. Полученная доза зависит также от того, где именно находится человек. Четверть всех спонтанных мутаций случается именно по вине этого фактора.
Ультрафиолетовое излучение, вопреки расхожему мнению, играет незначительную роль в возникновении поломок ДНК, так как не может проникнуть глубоко внутрь тела человека. Но кожа часто страдает от избыточной инсоляции (меланома и другие виды рака). Однако одноклеточные организмы и вирусы мутируют под воздействием солнечного света. Слишком высокие или низкие температуры тоже способны вызывать изменения в генетическом материале.
Эндогенные причины мутаций
Основными причинами, при которых может возникнуть спонтанная мутация, остаются эндогенные факторы. К ним относятся побочные продукты метаболизма, ошибки в процессе репликации, репарации или рекомбинации и другие.
- спонтанные транзиции и инверсии азотистых оснований;
- неправильное устройство нуклеотидов из-за ошибок ДНК-полимераз;
- химическая замена нуклеотидов, например, гуанин-цитозина на аденин-гуанин.
- мутации в генах, ответственных за репарации отдельных участков цепи ДНК после их разрыва под воздействием внешних факторов.
- сбои в процессах кроссинговера при мейозе или митозе приводит к выпадению и достраиванию оснований.
Это основные факторы, вызывающие спонтанные мутации. Причины сбоев могут заключаться в активации генов-мутаторов, а также преобразования безопасных химических соединений в более активные метаболиты, которые влияют на ядро клетки. Кроме того, существуют структурные факторы. К ним относятся повторы последовательности нуклеотидов вблизи от места перестройки цепи, наличие дополнительных участков ДНК, схожих по структуре с геном, а также подвижные элементы генома.
Патогенез мутации
Спонтанная мутация возникает в результате влияния всех перечисленных выше факторов, влияющих вместе или раздельно в определенный период жизни клетки. Существует такой феномен, как скользящее нарушение спаривания дочерней и материнской нитей ДНК. В результате этого часто образуются петли из пептидов, которые не смогли адекватно встроиться в последовательность. После удаления лишних участков ДНК с дочерней цепи петли могут как резецироваться (делеции), так и встраиваться (дупликации, инсерции). Появились изменения закрепляются в последующих циклах деления клетки.
Скорость и количество возникающих мутаций зависят от первичной структуры ДНК. Некоторые ученые считают, что абсолютно все последовательности ДНК обладают мутагенностью, если они образуют изгибы.
Наиболее распространены спонтанные мутации
Почему же чаще всего проявляются в генетическом материале спонтанные мутации? Примеры подобных состояний – это потеря азотистых оснований и удаления аминокислот. Особенно чувствительными к ним считаются цитозиновые остатки. Доказано, что на сегодняшний день более чем у половины позвоночных животных является мутация цитозиновых остатков. После дезаминирования метилцитозин меняется на тимин. Дальнейшее копирование этого участка повторяет ошибку или удаляет ее или удваивает и мутирует в новый фрагмент. Еще одной причиной частых спонтанных мутаций, считают большое количество псевдогенов. Из-за этого в процессе мейоза могут образовываться неровные гомологичные рекомбинации. Следствием этого являются перестройки в генах, повороты и удвоение отдельных нуклеотидных последовательностей.
Полимеразная модель мутагенеза
Согласно этой модели, спонтанные мутации возникают в результате случайных ошибок молекул, синтезируют ДНК. В первый раз подобная модель была представлена Бреслером. Он высказал предположение, что мутации появляются в результате того, что полимеразы в некоторых случаях встраивают в последовательность некомплиментарные нуклеотиды. Спустя годы, после длительных проверок и экспериментов, эта точка зрения была одобрена и принята в научном мире. Были даже выведены определенные закономерности, которые позволяют ученым контролировать и направлять мутации, подвергая воздействию ультрафиолета определенные участки ДНК. Так, например, выяснили, что напротив поврежденного триплета чаще всего встраивается аденин.
Таутомерная модель мутагенеза
Еще одна теория, которая объясняет спонтанные и искусственные мутации, была предложена Уотсоном и Криком (первооткрывателя структуры ДНК). Они предположили, что в основе мутагенеза лежит способность некоторых оснований ДНК превращаться в таутомерные формы, которые изменяют способ соединения оснований.
После опубликования гипотеза активно разрабатывалась. Были обнаружены новые формы нуклеотидов после облучения ультрафиолетом. Это дало ученым новые возможности для исследований. Современная наука до сих пор дискутирует о роли таутомерных форм в спонтанный мутагенез и его влияние на количество выявленных мутаций.
Другие модели
Спонтанная мутация возможна при нарушении узнавания ДНК-полимеразами нуклеиновых кислот. Полтаевым и соавторами был выяснен механизм, который обеспечивает соблюдение принципа комплементарности при синтезе дочерних молекул ДНК. Эта модель позволила изучить закономерности появления спонтанного мутагенеза. Ученые объяснили свое открытие тем, что главной причиной изменения структуры ДНК является синтез неканонических пар нуклеотидов. Они предположили, что замета оснований происходит через дезаминирование участков ДНК. Это приводит к изменению цитозина на тимин или урацил. Из-за таких мутаций образуются пары несовместимых нуклеотидов. Поэтому при следующей репликации происходит транзиция (точечная замена нуклеотидных оснований).
Классификация мутаций: спонтанные
Есть различные классификации мутаций в зависимости от того, какой именно критерий лежит в их основе. Существует деление по характеру изменения функции гена: - гипоморфные (мутированные аллели синтезируют меньше белков, но они похожи на оригинальные);
- аморфные (ген полностью утратил свои функции);
- антиморфные (мутированный ген полностью меняет тот признак, который представляет);
- неоморфные (появляются новые признаки). Но более распространена классификация, которая делит все мутации пропорционально переменной структурой. Выделяют: 1. Геномные мутации. К ним относятся полиплоидия, то есть образование генома с тройным и более набором хромосом и анеуплоидия – число хромосом в геноме не кратное гаплоидному.
2. Хромосомные мутации. Наблюдаются значительные перестройки отдельных участков хромосом. Различают потерю информации (делецию), удвоение (дупликацию), изменение направленности нуклеотидных последовательностей (инверсию), а также опрокидывания участков хромосом на другое место (транслокацию).
3. Генная мутация. Наиболее часто встречается мутация. В цепи ДНК происходит замена нескольких случайных азотистых оснований.
Последствия мутаций
Спонтанные мутации - причины возникновения опухолей, болезней накопления, дисфункций органов и тканей человека и животных. Если мутировавшая клетка располагается в большом многоклеточном организме, то с большой долей вероятности она будет уничтожена путем запуска апоптоза (запрограммированная смерть клетки). Тело контролирует процесс сохранения генетического материала и с помощью иммунной системы, избавляется от всех возможных поврежденных клеток. В одном случае из сотен тысяч Т-лимфоциты не успевают распознать пораженную структуру, и она дает клон клеток, которые также содержат мутированный ген. Конгломерат клеток имеет уже другие функции, вырабатывает токсичные вещества и негативно влияет на общее состояние организма. Если мутация произошла не в соматической, а в половой клетке, то изменения будут наблюдаться у потомков. Они оказываются врожденными патологиями органов, уродствами, нарушениями обмена и болезнями накопления.
Спонтанные мутации:
В некоторых случаях, которые раньше казались бесполезными мутации могут быть полезные для приспособления к новым условиям жизни. Это представляет мутацию как мерило естественного отбора. Животные, птицы и насекомые имеют камуфляжную окраску, соответствующую местности проживания, чтобы защитить себя от хищников. Но если меняется их ареал обитания, то с помощью мутаций природа пытается защитить вид от вымирания. В новых условиях выживают наиболее приспособленные и передают эту способность другим. Мутация может происходить в неактивных участках генома, и тогда видимых изменений фенотипа не наблюдается. Выявить «поломку» можно только с помощью специфических исследований. Это необходимо для изучения происхождения и родственных видов животных и их составление генетических карт.
Проблема спонтанности мутаций
В сороковые годы прошлого века существовала теория, что мутации вызываются исключительно влиянием внешних факторов и помогают к ним приспособиться. Для того чтобы проверить эту теорию, был разработан специальный тест и метод повторений. Процедура заключалась в том, что небольшое количество бактерий одного вида высевали в пробирки и после нескольких прививаний добавляли к ним антибиотики. Часть микроорганизмов выживала, и их переносили на новую среду. Сравнение бактерий из разных пробирок показало, что устойчивость возникала спонтанно, как до контакта с антибиотиком, так и после него. Метод повторений заключался в том, что на ворсистую ткань переносились микроорганизмы, а затем переносились на несколько чистых сред. Новые колонии культивировали и обрабатывали антибиотиком. В результате в разных пробирках выживали бактерии, расположенные на одинаковых участках среды.
Мутационная изменчивость является результатом мутаций.
Мутация (от лат. “mutazio” - изменение, перемена) –наследственное изменение генотипа (это изменение наследственного материала, приводящее к появлению новых признаков организма, способных передаваться последующему поколению. Термин “мутация” ввел в науку в 1901 г. Голландский генетик Г. де Фриз, описавший самопроизвольные мутации у растений. Мутации - это стойкие изменения затрагивающие как целые хромосомы, их части, отдельные гены. Чаще всего, мутации это мелкие, едва заметные отклонения от нормы.
Дарвин назвал наследственную изменчивость неопределенной (индивидуальной), подчеркивая ее случайный и относительно редкий характер.
Мутации являются источником генетического разнообразия, составляя резерв наследственной изменчивости.
Классификация мутаций
1. По характеру проявления:
проявления бывают доминантными и рецессивными . Мутации нередко понижают жизнеспособность или плодовитость. Мутации, резко снижающие жизнеспособность, частично или полностью останавливающие развитие, называют полулетальными а несовместимые с жизнью - летальными.
2. 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 не передаются потомству при половом размножении. Но при бесполом размножении, если организм развивается из клетки или группы клеток, имеющих изменившийся - мутировавший - ген, мутации могут передаваться потомству. Такие мутации называют соматическими.
3. По уровню возникновения:
Генные мутации – изменение строения одного гена. Это изменение в последовательности нуклеотидов: выпадение, вставка, замена и т.п. Например, замена А на Т. Причины – нарушения при удвоении (репликации) ДНК. Примеры: серповидноклеточная анемия, фенилкетонурия.
Хромосомные мутации – изменение строения хромосом: выпадение участка, удвоение участка, поворот участка на 180 градусов, перенос участка на другую (негомологичную) хромосому и т.п. Причины – нарушения при кроссинговере. Пример: синдром кошачьего крика.
Геномные мутации – изменение количества хромосом. Причины – нарушения при расхождении хромосом. В зависимости от характера изменения числа хромосом различают:
- Полиплоидия – кратные изменения (в несколько раз, например, 12 → 24). У животных не встречается, у растений приводит к увеличению размера.
- Анеуплоидия – изменения на одну-две хромосомы. Например, одна лишняя двадцать первая хромосома приводит к синдрому Дауна (при этом общее количество хромосом – 47).
В зависимости от характера изменения числа хромосом различают:
Спонтанные мутации - возникают при нормальных условиях жизни, зависят от внешних и внутренних факторов, возникают в соматических и генеративных клетках.
Индуцированные мутации - это искусственное получение мутаций с помощью мутагенов различной природы. Впервые способность ионизирующих излучений вызывать мутации была обнаружена Г.А. Надсоном и Г.С. Филлиповым. В 1927 году американским ученым Джозефом Мюллером было доказано, что частота мутаций увеличивается с увеличением дозы воздействия. Ученые полагают, что факт наследования мутаций вызывает определенные опасения, поскольку это может увеличить риск развития рака. Азиатов от алкоголизма защищает ген-мутант. Почему процент алкоголиков в азиатских странах значительно ниже, чем в странах, где основную часть населения составляет так называемое белое население.
Факторы среды, вызывающие появление мутаций называются– мутагенами .
Различают:
Физические мутагены
- ионизирующее и ультрафиолетовое излучение;
Чрезмерно высокая или низкая температура;
Химические мутагены
Нитраты, нитриты, пестициды, никотин, метанол, бензпирен.
Некоторые пищевые добавки, например, ароматические углеводороды;
Продукты переработки нефти;
Органические растворители;
Лекарственные препараты, препараты ртути, иммунодепрессанты.
Биологические мутагены
Некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа)
Продукты обмена веществ (продукты окисления липидов);
Свойства мутации:
- мутации наследственны, т.е. передаются из поколения в поколение.
- мутации возникают внезапно (спонтанно), ненаправленно.
- мутации не направлены – мутировать может любой локус, вызывая изменения как незначительных, так и жизненно важных признаков в любом направлении.
- одни и те же мутации могут возникать повторно.
- мутации индивидуальны, т.е. возникают у отдельных особей.
- мутации могут быть полезными,вредными, нейтральными; доминантными и рецессивными.
Значение мутаций
Служат резервом наследственной изменчивости (сохраняются в популяции в скрытом-рецессивном) виде, являются материалом для эволюции.
Причина многих наследственных заболеваний и уродств.
Индуцированные мутации “поставляют” материал для искусственного отбора и селекции.
МУТАГЕНЕЗ - процессы-реакции в генном аппарате биологического объекта, при которых происходят изменения в строении генов, передающиеся по наследству. Такие изменения могут затрагивать отдельные нуклеотиды или группы их, сопровождаясь в некоторых случаях изменениями в морфологии хромосом. Изменения уже одного нуклеотида, входящего в состав триплета, приводят к образованию иной аминокислоты, входящей в состав белка, и могут привести к изменению соответствующего признака.
Мутагенез можно условно делить на спонтанный , когда мутации возникают в "нормальных" условиях роста, и индуцированный вследствие применения физических или химических мутагенов.
Спонтанный мутагенез зависит от внешних и внутренних факторов (биологические, химические, физические). Спонтанные мутации возникают у человека в соматических и генеративных тканях. Метод определения спонтанных мутаций основан на том, что у детей появляется доминантный признак, хотя у его родителей он отсутствует. При спонтанном мутагенезе могут происходить все типы наследственных перемен, которые наблюдаются при индуцированном мутагенезе: замена пар аденин-тимин или чаще гуанин-цитозин, ошибочное спаривание двух пуринов или двух пиримидинов, делеции, включения и другие изменения. Каждый биологический объект характеризуется определенным фоном спонтанных мутаций, которые с разной частотой затрагивают те или иные генетические признаки.
Индуцированный мутагенез - это искусственное получение мутаций с помощью мутагенов различной природы. Впервые способность ионизирующих излучений вызывать мутации была обнаружена Г.А. Надсоном и Г.С. Филлиповым. Затем, проводя обширные исследования, была установлена радиобиологическая зависимость мутаций. В 1927 году американским ученым Джозефом Мюллером было доказано, что частота мутаций увеличивается с увеличением дозы воздействия. В конце сороковых годов открыли существование мощных химических мутагенов, которые вызывали серьезные повреждения ДНК человека для целого ряда вирусов. Одним из примеров воздействия мутагенов на человека может служить эндомитоз - удвоение хромосом с последующим делением центромер, но без расхождения хромосом.
Мутации могут возникать спонтанно или в результате индуцирования. В селекционных программах могут использоваться оба типа наследственной изменчивости.
Имеющаяся у кукурузы огромная естественная изменчивость возникла вследствие спонтанных мутаций, происходивших в течение бесчисленных поколений в прошлом. Значительная часть селекционной работы по кукурузе основана на использовании спонтанных мутаций, имеющих хозяйственное значение. В их число входят мутации, изменяющие набор аминокислот, например opaque-2, floury-2, и мутации, изменяющие тип крахмала - waxy и sugary 2 и т. д. Хотя у кукурузы накоплено большое число спонтанных мутаций, они обычно появляются недостаточно часто для того, чтобы обеспечить количество и типы изменчивости, необходимые в селекционных программах. Поэтому при попытке получения высокой частоты благоприятных индуцированных мутаций используются различные мутагенные агенты.
Спонтанные и индуцированные хромосомные аберрации в основном одинаковы. Однако для селекционера из всех типов мутаций наибольшую ценность имеют истинные изменения молекулярной структуры или истинно генные мутации. Несмотря на тщательно проведенные эксперименты, абсолютно убедительных доказательств появления индуцированных истинно генных мутаций у кукурузы не обнаружено.
Меллер в Техасе и Стадлер в Миссури, первыми исследуя действие рентгеновского облучения на растениях и животных, установили, что частота мутирования может быть резко увеличена. У растений мутации индуцировались путем обработки пыльцы, молодых зародышей или семян. Обработка включала рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, радий, температуру, электричество, иприт, химические вещества, гамма-облучение и старение семян.
Мутабильные системы могут использоваться в качестве инструментов для селекции растений. Мутабильная система содержит подобный гену компонент или контролирующий элемент, который модифицирует и контролирует действие генов. Доллингер разработал метод, который позволяет использовать мутабильную систему для селекции растений. Мутации могут быть доминантными или рецессивными. Он обрисовал метод для отбора устойчивых к стеблевой гнили растений в сбзданных инбредных линиях кукурузы и предположил, что этот же общий метод может быть использован для изменения действия генов в локусах, контролирующих другие признаки.
Рассел и др. получили сравнимые величины скоростей мутирования в длительно инбридируемых линиях, полученных и поддерживаемых при непрерывном самоопылении и отборе. В каждой из шести групп исследований материал состоял из 31 потомства, представляющего пять размножаемых по дихотомической схеме поколений. Оценка скорости мутирования была 2,8 мутаций на 100 исследованных гамет.
Балинт и Сутка сообщили об индуцированных мутантах инбредных линий кукурузы. Об изменениях среди длительно инбридируемых линий кукурузы сообщали Флеминг и др., Флеминг, Эль-Эрьяни и Флеминг, Хиггс и Рассел, Гроген и Франсис. О фенотипической стабильности систематических серий генотипов кукурузы-сообщили Роу и Эндрю. Гибридная выраженность мутаций, влияющих на количественные признаки в инбредных линиях, обсуждалась Бушем и Расселом.
Селекционеры кукурузы исследовали большое количество комбинаций генных мутаций, влияющих на свойства семян. О фенотипах зерен с несколькими генными мутациями и их взаимодействии сообщали Крамер, Пфалер и Вистлер и Крич. Гарвуд и Крич описали фенотипы зерен кукурузы, несущих от одного до четырех мутантных генов.
Смит и фон Борстель сообщали об индуцированных и генетически созданных механизмах получения доминантных летальных мутаций и о путях их использования для уничтожения или регулирования популяций вредителей. В их статье обсуждаются:
1. Индуцированная радиацией доминантная летальность.
2. Создаваемая доминантная летальность.
3. Контроль популяции при помощи индуцированной доминантной летальности.
4. Контроль популяции посредством создаваемой доминантной летальности.
5. Контроль популяции на базе индуцированной наследственной стерильности.
6. Контроль популяции на основе искусственной наследственной частичной стерильности.
7. Рецессивные условно летальные мутации.
8. Доминантные условно летальные мутации.
9. Условно летальные мутации: генетическая «бомба замедленного действия».
10. Кинетика уменьшения популяции при помощи мужской стерильности.
11. Специальные проблемы и условия.
Индуцирование генетических изменений улучшается при совместном использовании двух факторов: чувствительности методов обнаружения и выявления и эффективного применения вызывающих мутации агентов или мутагенов.
Первые эксперименты показали, что частота индуцируемых мутаций сильно зависит от дозы облучения: чем выше доза, тем больше частота мутаций. Эта связь между облучением и мутированием была интерпретирована в том смысле, что ген является «мишенью», а его мутации вызываются отдельными «попаданиями» радиации. Существуют доказательства того, что только одна теория мишеней далее не может удовлетворительно-объяснять эффекты радиации.
Мутагенные агенты и интерпретацию их действия обсуждали Сперроу, Ауэрбах, Хаас, Доудни и Када.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Спонтанная мутация
Мутации.
Вирусам, как и всем живым организмам, свойственны наследственность и изменчивость. На раннем этапе исследования генетики вирусов животных в основном заключались в сборе и последующей генетической и физиологической характеризации вирусных мутантов. В последнее время вирусные мутанты стали использовать в качестве специфических инструментов для исследования генетических и биохимических событий, происходящих в зараженной клетке. Работы такого рода с вирусами животных в целом запаздывали по сравнению с аналогичными работами на прокариотических системах.
Некоторые вирусы дают значительную долю мутантов при пассировании в отсутствие каких-либо известных мутагенов. Эти спонтанные мутации накапливаются в геномах вирусов и приводят к изменчивости фенотипа, которая является объектом селективного давления в ходе эволюции вируса.
Скорость спонтанного мутагенеза в ДНК-геномах значительно ниже (10 -8 - 10 -11 на каждый включенный нуклеотид), чем у РНК-геномных (10 -3 - 10 -4 на каждый включенный нуклеотид). Более высокая частота спонтанных мутаций связана с низкой точностью репликации РНК-геномов, которая вероятно связана с отсутствием у РНК-репликаз корректирующей активности, свойственной ферментам, реплицирующим ДНК. Наиболее часто спонтанные мутации наблюдаются у ретровирусов, что связано с более высокой частотой сбоев в обратной транскрипции, не способных к самокоррекции.
Таким образом, в то время как геномы ДНК-содержащих вирусов относительно стабильны, этого нельзя сказать об РНК-содержащих вирусах, К сожалению для генетиков, ряд факторов стимулирует неравновесие в популяции геномов, и эти факторы часто способствуют накоплению мутантов в популяции. Из-за спонтанного мутагенеза трудно поддерживать гомогенность популяции вируса. Для того чтобы обойти эту трудность, вирусы периодически реклонируют, однако мутанты часто возникают и в ходе образования бляшки, и в ходе роста вируса, поэтому бывает трудно получить генетически однородные препараты вируса с высоким титром.
Индуцированные мутации у вирусов получают при действии различных химических и физических мутагенов, которые подразделяют на действующие in vivo и in vitro .
Большая часть мутантов, выделенных в ходе исследования вирусов животных, получена из популяций дикого типа, обработанных мутагенами. Мутагены обычно применяют для того, чтобы увеличить частоту мутаций в популяции, после чего мутанты подвергают скринингу с помощью подходящего селективного давления. Основной проблемой, связанной с использованием мутагенов, является подбор подходящей дозы. Как правило, желательно получить мутанты, которые отличаются от дикого типа только одной мутацией. Для этого отбор ведут при наиболее низкой дозе мутагена, дающей достаточную частоту мутаций с желаемым фенотипом.
В системах с вирусами животных было использовано множество различных мутагенов, но все они входят в небольшое число классов, определяемых по механизму мутагенеза.
Мутагены одного класса, обычно называемые мутагенами in vitro, действуют путем химической модификации нуклеиновой кислоты, содержащейся в вирусной частице. Азотистая кислота дезаминирует основания, в первую очередь аденин, с образованием гипоксантина, который при последующей репликации спаривается с цитозином. В результате действия азотистой кислоты на аденин происходит транзиция от АТ-пары к GС-паре. Азотистая кислота дезаминирует также цитозин, приводя к транзиции CG->-ТА. Другим мутагеном in vitro является гидроксиламин; он реагирует специфически только с цитозином и вызывает транзицию СG->-ТА. Большой класс мутагенов in vitro представлен алкилирующими агентами, которые действуют на многие позиции в основаниях. Алкилирующие агенты - нитрозогуанидин, этанметансульфонат и ме-тилметансульфонат -являются мощными мутагенами.
Во второй класс входят мутагены in vivo, которые требуют для своего действия метаболически активной нуклеиновой кислоты.
Одна группа мутагенов in vivo содержит аналоги оснований, которые включаются в нуклеиновую кислоту в ходе синтеза по правилам нормального спаривания. Включившись, эти аналоги способны претерпевать таутомерные переходы, которые приводят их к спариванию с различными основаниями, вызывая таким образом транзиции и трансверсии. Часто используют аналоги: 2-аминопу-рин, 5-бромдезоксиуридин и 5-азацитидин.
В другую группу мутагенов in vivo включены интеркалирующие агенты, которые внедряются в стопку оснований, что при последующей репликации нуклеиновой кислоты приводит к вставкам или делециям.
Примерами интеркалирующих агентов являются акридиновые красители, такие как профлавин.
Ультрафиолет также иногда используют в качестве мутагена. Основным продуктом действия ультрафиолета являются димеры пиримидинов. В ДНК пиримидиновые димеры вырезаются. Для РНК механизм ультрафиолетового мутагенеза неизвестен.
Большинству мутаций присуще свойство возврата (реверсии) к дикому типу. Каждая мутация имеет характерную частоту реверсий, которую можно точно измерить.
Классификация вирусных мутаций .
Вирусные мутации классифицируют по изменениям фенотипа и генотипа. По фенотипическим проявлениям мутации вирусов разделяют на четыре группы:
· Мутации, не имеющие фенотипического проявления.
· Летальные мутации, т.е. полностью нарушающие синтез или функцию жизненно важных белков и приводящие к утрате способности к репродукции. Мутация является летальной, если вследствие ее нарушается, например, синтез или функция жизненно важного вирусспецифического белка, например вирусной полимеразы.
· Условно летальные мутации, т.е. мутации с потерей способности синтезировать определенный белок или с нарушением его функции только в определенных условиях. В некоторых случаях мутации являются условно летальными, так как вирусспецифический белок сохраняет свои функции в определенных, оптимальных для него, условиях и теряет эту способность в неразрешающих (непермиссивных) условиях. Типичным примером таких мутаций являются температурно-чувствительные (temperature sensitive) – ts-мутации, при которых вирус теряет способность размножения при повышенных температурах (39-42° С), сохраняя эту способность при обычных температурах выращивания (36-37° С).
· Мутации, имеющие фенотипическое проявление, например изменение размеров бляшек под агаровым покрытием или термостабильности, по изменению спектра хозяев, устойчивости к ингибиторам и химиопрепаратам.
