Мутации и механизмы её возникновения

В самом широком смысле мутации микроорганизмов можно определить как внезапно возникающее и наследуемое изменение в генетическом материале клетки. Представление о скачкообразном изменении наследственных признаков /мутации/ утверждалось с большим трудом. В силу чрезвычайной изменчивости морфологических и физиологических свойств микроорганизмов, связанных с фенотипической изменчивостью, потребовалось усовершенствовать старые и разобрать новые селекционно-микробиологические методы исследования, чтобы доказать у бактерий наличие «Скачкообразного изменения наследственного признака» /Де Фриз, Бейерник/.

Отличить фенотипическую адаптацию микроорганизмов изменённом условиям среды от генетических изменений оказалось нелёгкой задачей, хотя критерий различия достаточно прост. Фенотипическая адаптация проявляется у всех клеток данной культуры, тогда как изменения генотипа затрагивает лишь немногие клетки. Благодаря свой лучшей приспособленности к среде, клетки, ставшей, например, наследственно устойчивыми, к ядам, солям тяжёлых материалов, к высокой температуре и т.д., растут быстрее чем клетки исходного штамма и в конце концов вытесняют их.

Возник ещё один вопрос: не вызывается ли изменения генотипа самим селекционным фактором, оказывающим направленное воздействие на гены? Или же мутации происходят независимо от среды и носят ненаправленный характер? Ответы на эти вопросы дали в своих теориях в начале Ламорк, признававший наследование приобретенных адаптированных признаков /несостоятельная теория/, и затем Дарвин, согласно которого новые типы и виды возникают в результат мутаций, независящих от среды, с последующим отбором наиболее приспособленных форм. Теория Дарвина получила экспериментальные доказательства и признание в микробиологии: у бактерий мутации носят спонтанный и ненаправленный характер.

Из множества классических экспериментов наиболее легко доступны для понимания и четкого доказательства спонтанного возникновения мутаций в культуре является непрямой обор мутантов методы реплик /отпечатков/. Таким методом доказывается, например, спонтанное возникновение фагоустойчивых мутантов без всякого контакта с селективным агентом /рис.1/.

Различают мутации цитоплазматические, затрагивающие внехромосомные генетические детерминанты /плазмиды/, и мутации хромосомные. В свою очередь по характеру изменений наследственного материала хромосомные мутации можно разделить на три типа:

А) изменение числа хромосом /а/, числа и порядка генов – перестройка в хромосомах /б/, в конкретном гене, связанные с количественными и качественными и качественными образованиями нуклеотидов ДНК, т.е. внутригенная перестройка /в/.

В селекции микроорганизмов основное значение имеют последние два типа мутаций.

Хромосомная перестройка /2-й тип мутации/ реализуется четырьмя видами изменений:

1) выпадение участков хромосомы /деляция/;

2) удвоение или умножение числа отдельных генов или группы генов /ампликация/;

3) вставка участков хромосом в новые места /транспозиция/;

4) изменение порядка расположения генов в хромосоме /инверсия/.

Все четыре вида мутации путем хромосомной перестройки могут вызывать в микроорганизме как утрату, так и приобретение новых функций или признаков. В результате появляются гибридные белки, увеличится или уменьшится количество вне- и внутриклеточных метаболитов и конечных продуктов жизнедеятельности клетки, за исключением ампликации, все хромосомные перестройки этого типа стабильны.

Внутригенные мутации изменяют последовательность основной ДНК в пределах одного гена по типу:

1)выпадения или вставки одного или нескольких оснований, нарушающих порядок считывания гена в процессе трансляции /т.н. мутации со сдвигом рамки/, что приводит к синтезу неактивного белка с измененной последовательностью аминокислот;

2)транзиции-замена одного пуринового основания на другое /А Г/ или одного пиримидина на другой /Т Ц/;

3)трансверсии-замена пуринового основания на одно из двух поромидиновых: А или Г , или наоборот Т или Ц .

Внутригенная транзиция и трановерсия ДНК нередко приводит к таким мутациям, при которой появляется мутантный фенотип микроорганизма с плотностью или частично нарушенной функцией /признака/ мутируемого гена. Часть мутаций с заменой нуклеиновых оснований представляет собой бессмысленные мутации / нонсенс – мутации, неспособные кодировать аминокислоты./ В этом случае синтез белка прерывается, а незавершенные фрагменты белковой молекулы, как правило, функционально неактивны из-за быстрого протеолиза.

Такова млекулярно-биологическая природа и ненаправленный характер мутаций, в результате которых возникают микроорганизмы с измененными, наследственно передаваемыми признаками /функциями/. Также штаммы микроорганизмов называют мутантами.