Генные мутации

Генные мутации составляют самую большую и наиболее важную долю всех мутаций. У всех форм жизни они являются главной причиной возникновения новых наследственных свойств, лежат в основе многообразия генов и комбинативной изменчивости, служат материалом для естественного и искусственного отборов.

У любого организма генные мутации приводят к разнообразным изменениям всевозможных морфологических, физиологических и биохимических признаков, причем мутация данного гена обычно затрагивает в той или иной мере несколько или даже много признаков (такое множественное проявление гена носит название плейотропии).

Генные мутации могут быть доминантными, полудоминантными и рецессивными. Ген может мутировать в разные аллельные состояния, образуя серию множественных аллелей, по-разному влияющих на контролируемые данным геном признаки организма. Рецессивные мутации возникают чаще, чем доминантные. Доминантные мутации проявляются сразу же, рецессивные могут проявиться только тогда, когда мутировавший ген окажется в гомозиготном состоянии.

Аллели генов, типичные для диких форм вида, называют доминантными или генами дикого типа, а измененные – рецессивными или мутантными. Рецессивный характер мутантных аллелей позволяет им длительное время сохраняться у особей вида в гетерозиготном состоянии. В процессе эволюции происходит переход рецессивного аллеля в доминантное состояние. Наряду с этим могут происходить скачкообразные изменения генов и в обратную сторону (а А).

Изменение признаков при генных мутациях происходит потому, что в результате мутации изменяется количество или качество биохимического продукта (чаще всего фермента), синтез которого контролируется определенным участком молекулы ДНК.

Генные мутации можно разделить на два больших класса. К первому относятся те из них, которые связаны с заменой азотистых оснований. Мутации второго класса обусловлены сдвигом рамки считывания и включают в себя вставки или потери одной или нескольких нуклеотидных пар. Замены оснований составляют не более 20% спонтанных мутаций, большинство остальных мутаций происходит в результате выпадений и вставок различной протяженности.

Существуют два типа замены нуклеотидов – транзиции и трансверсии. Транзиции заключаются в замене одного пурина на другой пурин или одного пиримидина на другой (А на Г; Ц на Т; Т на Ц; Г на А). При трансверсии пурин меняется на пиримидин, или наоборот (А на Т; А на Ц; Г на Т; Г на Ц).

Замены нуклеотидных пар в молекуле ДНК обусловливают два типа нарушений в составе кодонов, а следовательно, и белка:

1. Возникают нонсенс-мутации (бессмысленные), в результате которых кодон изменяется таким образом, что он не включает в белковую молекулу никакой аминокислоты, т. е. превращается в терминирующий кодон: УАГ, УАА или УГА.

2. Миссенс-мутации («искажающие смысл»), при которых измененный кодон кодирует неверную аминокислоту. Миссенс–мутации встречаются чаще, чем нонсенс-мутации. Такие мутации менее глубоко изменяют свойства белка, но многое зависит от того, какая именно замена произошла. Например, замена в гемоглобине фенилаланина на валин изменяет форму эритроцита, ( ), что вызывает заболевание под названием серповидноклеточная анемия. А вот замена валина на лейцин мало отражается на функции полипептида, так как эти аминокислоты химически сходны.

Не всякие замены оснований проявляются в виде мутаций. Благодаря вырожденности генетического года все аминокислоты, кроме метионина и триптофана, кодируются не одним, а двумя, тремя и более кодонами каждая. Иногда замена азотистого основания может привести к превращению кодона в другой, включающий в белковую молекулу ту же аминокислоту.

Нонсенс-мутации чаще всего летальны. Они снижают активность всех структурных генов того же оперона. Значительную долю всех спонтанных мутаций составляют мутации со сдвигом рамки считывания. Большая часть таких мутаций обнаружена в последовательностях, которые состоят из одинаковых азотистых оснований, например:

В обоих случаях произойдет изменение в считывании наследственной информации, так как поменяются кодоны и в белке может добавиться или уменьшиться число аминокислот.

Крупнейшим обобщением работы по изучению мутаций в начале XX века стал «закон гомологических рядов в наследственной изменчивости» Н.И. Вавилова, который он сформулировал в 1920 г. Согласно этому закону, «виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов».

Этот закон может быть выражен в виде формулы:

L₁ (a + b + c + …);

L₂ (a + b + c + …);

L₃ (a + b + c + …).

Буквой L обозначены родственные виды или роды растений, а буквами в скобках – ряды сходных наследственных изменений. Например, у различных родов злаков: ржи, пшеницы, ячменя, овса, проса, сорго, кукурузы, риса, пырея были обнаружены сходные ряды мутаций по остистости колоса, окраске, форме зерна, скороспелости и т. д. (табл. 10).

Таблица 10

Гомологические ряды наследственной изменчивости признаков

зерна в семействе злаковых

Примечание: знаком "+" обозначены формы, имеющие данный признак.

Этот закон позволяет предвидеть, предсказывать появление новых признаков, по аналогии с другими видами и родами.

Использование закона гомологических рядов в селекции позволяет правильно ориентироваться в многообразии наследственных изменений: находить нужные, но отсутствующие в данное время у того или иного вида формы, если они имеются у родственного вида, или создавать их искусственно. У твердой пшеницы до 20-х годов ХХ века были известны только остистые разновидности, но наличие безостых разновидностей у мягкой пшеницы указывало на возможность появления безостых форм. Такие экземпляры твердой пшеницы обнаружил Н.И. Вавилов в Абиссинии (Эфиопия), а саратовский селекционер А.П. Шехурдин вывел безостые сорта твердой пшеницы путем гибридизации твердых остистых сортов с мягкими безостыми.

Гомологические ряды изменчивости имеются и у животных. Например, цветные расы (альбиносы, черные, голубые) известны и у морских свинок, кроликов и других грызунов.

Закон гомологических рядов выражает общую закономерность мутационного процесса и формообразования организмов. Он является биологической основой нового направления – сравнительной генетики.