Спонтанний та індукований мутагенез
МУТАГЕНЕЗ - процеси-реакції в генному апараті біологічного об'єкта, при яких відбуваються зміни в будові генів, що передаються у спадок. Такі зміни можуть зачіпати окремі нуклеотиди або групи їх, супроводжуючись в деяких випадках змінами в морфології хромосом. Зміни вже одного нуклеотиду, що входить до складу триплетів, призводять до утворення іншої амінокислоти, що входить до складу білка, і можуть привести до зміни відповідної ознаки.
Мутагенезу можна умовно ділити на спонтанний, коли мутації виникають в "нормальних" умовах зростання, і індукований внаслідок застосування фізичних або хімічних мутагенів. При спонтанному мутагенезі можуть відбуватися всі типи спадкових змін, які спостерігаються при індукованому мутагенезі: заміна пар аденін-тимін або частіше гуанін-цитозин, помилкове спаровування двох пуринів або двох піримідинів, делеции, включення та інші зміни. Кожен біологічний об'єкт характеризується певним фоном спонтанних мутацій, які з різною частотою зачіпають ті чи інші генетичні ознаки. При цьому одні види мають більшу мутабельностио, ніж інші. Частота мутацій на ген на покоління у дрозофіли варіює в звичайних умовах від 10 -5 до 10 -6.
Частота спонтанних мутацій різних генів людини становить 10 -5 -10 -3 на ген на покоління. У зв'язку з тим, що у людини приблизно 2,5 • 10 4 генів, загальна частота його мутацій визначається 1 на кожного індивідуума в кожному поколінні, тобто У кожної людини є один мутований ген, якого не було у його батьків.
Довгий час пояснювали спонтанний мутагенез дією космічних променів і природного радіоактивного фону. Однак при експериментальній перевірці та проведенні відповідних обчислень, виходячи з спонтанної мутабільності дрозофіли, було визначено, що тільки 1 / 500-1 / 1200 частка всіх спонтанних мутацій може відбуватися в результаті дії доз радіації. Вважають, що однією з причин спонтанних змін є локальні флуктуації теплового руху атомів. Залежність частоти спонтанних мутацій від часу підпорядковується експоненціальним законом, тобто логарифм збільшення частки змінилися особин пропорційний часу. Дійсно, при старінні клітин в них накопичуються мутаційні зміни. Таким чином, спонтанний мутаційний процес характерний для кожного біологічного об'єкта, а виникаючі мутації є матеріалів для природного відбору.
Основні положення сучасної мутаційної теорії наступні.
1. Виникнення будь-якого спадкового зміни стрибкоподібно.
2. Зміни характеризуються "розмахом" стрибка, при цьому різкі скачки уловлюються частіше, ніж дрібні, які бувають більш численними.
3. Мутаційний процес не спрямований, тобто всі ознаки можуть бути змінювані, причому кожен ознака може бути змінений в різних напрямках, але не в будь-яких, так як структура ознаки еволюційно закріплена.
4. Мутації можуть виникати на всіх стадіях розвитку.
5. Мутації виникають як в статевих, так і в соматичних клітинах.
6. Темп мутацій може бути різний, причому:
а) різні гени у одного виду мутують з різною частотою, б) подібні гени в різних генотипах мутують з різною швидкістю, в) одні види мають більш високу мутаційної мінливістю, ніж інші, що залежить від генотипического будови, ступеня адаптації до зовнішнього середовища і т . д.
7. Мутантні гени зберігають властивості репродукції, внаслідок чого мутаційні зміни успадковуються.
8. Кожен ген може мутувати в кілька станів, утворюючи серію множинних алелей.
9. Спонтанний мутаційний процес обумовлюється властивістю самого гена, системою генотипу, фізіологічним станом організму і коливанням факторів зовнішнього середовища.
10. Мутації у різних видів організмів утворюють гомологічні ряди спадкових змін, тобто у споріднених видів, що мають спільне походження, виникають і подібні мутації (закон гомологічних рядів; Н. І. Вавилов, 1935).
Вивчення індукованого мутагенезу включає різні напрямки, що мають общебиологическое або прикладне значення. Центральне місце займає проблема управління процесами спадковості. Цей напрямок включає дослідження специфічності дії мутагенів, впливу на мутагенез різних процесів, що протікають в клітині, місця в спадкових структурах і часу виникнення мутацій.
Мутагени використовують в селекції мікроорганізмів, рослин і тварин для отримання корисних форм. Так, загальне число антибіотиків, промисловий біосинтез яких став можливим завдяки мутагенів, наближається до 300. Понад 500 видів рослин (пшениця, горох, кукурудза та ін.), Отриманих методами мутагенезу, перспективні для селекції.
Для знищення шкідливих комах були також застосовані методи індукованого мутагенезу. Так, спеціально розмноження комахи при обробці хімічними мутагенами втрачають здатність до розмноження і при схрещуванні з нормальними комахами не залишають потомства. Такі "стерилізовані" комахи здатні скоротити плодючість природних популяцій на 95-99%. Таким шляхом в США була вирішена проблема знищення мухи каллітрогі, що викликає міаз дрібної рогатої худоби, від якого гинуло безліч тварин. Протягом 6 місяців щотижня на кожну квадратну милю випускали 400 стерилізованих комах, через 3 місяці (термін життя трьох поколінь) каллітрога була винищена повністю.
На самому початку вивчення хімічного мутагенезу в дослідах на дрозофілі було встановлено, що мутаційні зміни реалізуються не відразу. Це виражалося в тому, що при обробці мутагенами мутації часто виникали не в самих сперміях, а пізніше - на різних стадіях розвитку личинки. У зв'язку з цим було виділено предмутантная стадія, мутація гена і мутація клітини. На кожному етапі певна роль в реалізації спадкового зміни відводиться температурі, опроміненню видимим світлом, метаболитам і антиметаболітів і інших чинників, які можуть посилювати чи послаблювати мутаційний ефект. Протягом усього мутаційного процесу проявляється певна специфічність дії мутагенів, що залежить від багатьох факторів. На етапі проникнення мутагена в клітку він реагує з багатьма молекулами, внаслідок чого активність мутагена може частково губитися. Тому багато мутагени, застосовані і одних і тих же концентрація, х по-різному ефективні через неоднаковою концентрації, в якій вони в кінцевому підсумку досягають спадкового матеріалу різних об'єктів. Інша альтернатива мутагена на шляху до спадкового матеріалу - утворення похідного, більш специфічного, ніж вихідний мутаген (наприклад, перетворення азотистого іприту в формальдегід). Крім того, хімічна речовина може взагалі бути слабким мутагенів, але завдяки дії на будь-якої фермент блокування його викликає скупчення мутагенних продуктів (наприклад, ціаністий калій блокує каталазу, яка в звичайних умовах розкладає перекису, що володіють мутагенною дією).
Індукований мутагенез - процес, який має певну специфічність, яка залежить як від властивостей мутагенів, так і особливостей генотипів біологічних об'єктів. Вже перші роботи по индуцированному мутагенезу привели дослідників до рівнозначних уявленням про універсальність дії одних мутагенів і обмеженості дії інших. Іприт і його похідні викликали мутації у всіх випробовуваних організмів, в той час як перекис водню і діазометан були здатні індукувати мутації у комах і мікроорганізмів, але не у рослин. Уретан, феноли і нітрозоаміни мутагенів для рослин, але не індукують мутації у нейроспори. Формальдегід індукує мутації тільки у самців на ранніх стадіях сперматогенезу і не мутагенних для самок. Природно, що специфічність дії мутагенів визначається хімічними особливостями реакцій з генним матеріалом. Припускають, що підвищена Мутабельность окремих локусів може залежати від більшого скупчення одних або інших азотистих основ, з якими даний мутаген найбільш реактогенний. Разом з тим повторюваність азотистих основ в ланцюзі нуклеїнових кислот пояснює причину мінливості під дією мутагенів різних генів.
Розрізняють такі форми специфічності в залежності від роздільної точності застосовуваних методів.
1. Регіональна специфічність, що визначається на хромосомному рівні, полягає у виявленні районів, де найбільш часто відбуваються розриви хромосом. Ця специфічність була вивчена на рослинах, дрозофілі і клітинах культури тканин.
2. Межлокусная специфічність пов'язана з визначенням частоти мутації окремих генів (вірніше, конкретних алелів). Такого роду специфічність знаходиться під контролем всього генотипу і часто залежить від фізіологічного стану біологічного об'єкта. Наприклад, відомий штам кишкової палички з підвищеною частотою мутації до стрептоміцінустойчівості, що пов'язано з присутністю в цьому штамі гена-мутаторів, розташованого в статевому факторі. При передачі статевого фактора іншим штамів вони також набувають властивість мутувати з високою частотою до стрептоміцінустойчівості. Виявилося, що ген-мутатор може бути структурним геном ДНК-полімерази.
3. Внутрілокусная специфічність включає дослідження як прямих мутацій (визначення "гарячих точок"), так і зворотних (аллельспеціфічность). Вивчення мутабельности на рівні 2-3 нуклеотидів проводив Бензер (S. Benzer, 1955, 1959) на області rll бактеріофага Т4.
4. Специфічність, що відображає структурний характер зміни генетичного матеріалу, як відношення числа генних мутацій до числа хромосомних аберацій. Це співвідношення варіює залежно від мутагена: наприклад, етоксікофеін викликає тільки хромосомні розриви, а небулярін індукує генні мутації. Однак цей ефект може залежати також від організму: 5-бромдезоксіурідіна індукує у мікроорганізмів тільки генні мутації, а в культурі клітин людини здатний викликати розриви хромосом.
При порівнянні життєздатності індукованих варіантів, отриманих при дії хімічних і фізичних мутагенних агентів, також була виявлена певна специфічність. Так, під дією рентгенівського проміння і швидких нейтронів виникають 4-5% життєздатних мутацій ячменю, а під дією окису етилену - 9% і етиленіміну - 20%. Виключне становище по специфічності в цьому відношенні займають нітрозоалкілмочевіни, які, на відміну від інших хімічних і фізичних агентів, дають в дослідах на рослинах до 30-60% життєздатних спадкових змін.
Специфічність дії мутагенів в залежності від генотипу виявляється на різноманітних об'єктах. У дослідах на вищих рослинах встановлена різна ступінь стійкості і мутабельности не тільки в межах виду, сімейства, але навіть сорти.
Такі ж закономірності були виявлені на мікроорганізмах. Особливо яскраво залежність мутагенного ефекту від виду показана на актиноміцетах. При цьому різні види актиноміцетів і їх штами неоднакові і за своєю чутливості до мутагенів, і по мутагенному ефекту. Велике значення в різній стійкості надається репаративну процесам.