Факторы, вызывающие мутагенез

К факторам, вызывающим полиплоидию относится холод. Растения часто встречаются с низкой температурой окружающей среды, при этом ядро может делиться так как оно находится внутри клетки, а сама клетка в результате низкой температуры не делится, таким образом возникают полиплоидные формы растений. Учеными было установлено, что основная масса полиплоидных растений находится в северных широтах и горной местности, где наблюдается резкий перепад температур между днем и ночью. Кроме холода полиплоидию могут вызвать следующие факторы: механическое воздействие на клетку, ионизирующее излучение химических веществ, алкалоид особенно колхицин.

Полиплоиды в животном мире встречаются очень редко, что связано с половым процессом- размножение. Животные всегда имеют гаплоидные гаметы, если даже у одного из родителей образуется диплоидная гамета, то при оплодотворении её гаплоидной гаметой образуется бесплодный триплоид. У животных известен пока один пример, который можно объяснить с точки зрения полиплоидии это зверек золотистый хомячок, который имеет 44 хромосомы, а у других родов серого и обыкновенного хомячка по 22 хромосомы.

В медицинской практике отмечен единичный случай рождения мальчика весом 2190 гр. с 66 хромосомами т.е. триплоид без резких нарушений в развитии отдельных частей тела, но с общим недоразвитием.

Разновидностью полиплоидии является аллоплоидия или амфидиплоидия. Аллоплоиды представляют собой гибриды с диплоидным набором хромосом разных видов. Аллоплоидам свойственна нормальная плодовитость, которые сочетают признаки исходных видов. Впервые аллоплоиды были получены Г. Д. Карпеченко при скрещивании редьки и капусты. Оба эти вида имеют одинаковое количество хромосом по 18. При скрещивании редьки и капусты был получен гибрид, который имел 9 хромосом от редьки и 9 хромосом от капусты. Однако такой гибрид оказался бесплодным, так как хромосомы редьки и капусты не конъюгивировали между собой и распределялись в половые клетки хаотически. В тоже время Карпеченко удалось получить гаметы, которые имели диплоидный набор хромосом: 18 хромосом редьки и 18 хромосом капусты. При их оплодотворении была получена зигота, которая имела 36 хромосом. Был получен капустно- редечный гибрид, он имел крупные размеры равные высоте человеческого роста и нормальную плодовитость, большой выход зеленой массы.

Получение аллоплоидов позволило в нашей стране создать новые формы растений, которые сочетают ценные качества разных видов. Наибольшее распространение в практике растениеводства получил гибрид брюквы и капусты, который называется куузика. Куузику используют как ценный корм для кормления скота, отдельные корнеплоды достигают веса 10-15кг. В настоящее время проводятся работы по получению новой зерновой культуры, которая называется тритикале. Тритикале это гибрид ржи и пшеницы. Имеет большую урожайность, до 100 ц зерна с га и прекрасные пекарские качества. Эта культура будущего зернового хозяйства. Наряду с полиплоидией встречаются растения и низшие организмы у которых имеется гаплоидный набор хромосом в соматических клетках. Это явление получило название гаплоидия. Гаплоидные организмы недоразвиты, нежизнеспособны, бесплодны. Однако среди них встречаются нормальные формы. Примером этого служат трутни у пчёл. Таким образом мутации типа полиплоидия имеют большое значение в практике растениеводства при создании новых перспективных сортов культурных растений.

Гетероплоидия. Гетероплоиды это организмы, у которых к нормальному диплоидному набору хромосом прибавляется одна и две хромосомы или уменьшается на одно или две хромосомы. Особи, имеющие одну хромосому в тройном наборе называются трисомики 2n+1, тетрасомики 2n+2, моносомики 2n-1 , нуллисомики 2n-2.

Изменение числа хромосом приводят к нарушению баланса тех веществ, которые синтезируются под контролем этих хромосом. А это приводит к нарушению в развитии организма. Явление гетероплоидии хорошо изучено на растении- дурман, который имеет 12 пар хромосом. Дурман имеет 12 мутаций типа 2n+1 т.е. тримосомии. Последовательное прибавление к каждой паре одной лишней хромосомы, сказывается на строении коробочки этого растения. Если прибавилась лишняя хромосома к первой паре, коробочка была малая, к 5 паре коробочки -большие и толстые, ко 2 паре- коробочки получились раздвоенные.

У животных наблюдается также мутация типа гетероплоидия, которая приводит к гибели плода, рождения животных с различными аномалиями. В настоящее время хорошо изучена гетероплоидия у человека и установлена трисомия по всем 23 парам хромосом. Так, наличие добавочной хромосомы в 21 паре хромосом вызывает тяжелое заболевание, которое называется болезнь Дауна. Люди с болезнью синдрома Дауна имеют аномалии в строении лица, век, языка и других частей тела, страдают идиотизмом. Болезнью Дауна поражается 0,15% всех рождаемых детей или одно заболевание на 700-800 рождений. Учёные ряда стран изучили рождение детей с болезнью Дауна в зависимости от возраста матери и было установлено, что в возрасте матери от 20 до 29 лет таких детей рождается только 0,04%, в возрасте от 40 до 44 уже 1,24%, а старше 45 лет- 3,12% т.е. в 100 раз чаще, чем у молодых. Трисомия в группе 13-15 пары хромосом вызывает задержку умственного развития, судороги, глухоту, волчья пасть, дефекты зрения, пороки внутренних органов, уродство ступней и другие дефекты. Трисомия по 17 паре хромосом: треугольный рот у новорожденных, отсутствие шеи, дефекты ушей, дефекты сердца. Трисомия по 18 паре вызывает недоразвитие скелета, челюстей, дегенерацию ушей, дефекты стопы и другие аномалии. Трисомия по 22 паре вызывает случаи шизофрении. Наблюдается также трисомия и по половым хромосомам, частота их встречаемости составляет 1,6:1000 новорожденных.

К причинам вызывающим гетероплоидию в основном относят нарушения редукционного деления при образовании половых клеток. В результате чего в одну дочернюю клетку отходят обе хромосомы из пары, а в другую ни одной. При оплодотворении таких клеток в первом случае получают трисомиков, во-вторых моносомиков. Гетероплоидию можно вызвать искусственно, в частности лучами рентгена, радия, химическими веществами. Необходимо отметить, что у животных и человека мутация типа гетероплоидия приносит вред, так как изменения в организме сопровождаются летальным или полулетальным исходом.

В последние годы в ветеринарной, зоотехнической, медицинской практике усиленно изучаются хромосомные комплексы полученные от абортированных плодов, уродливых и мертворожденных животных, чтобы разработать ряд профилактических мероприятий.

Хромосомные абберации (перестройки). Мутации подобного рода связаны с перестройкой хромосом, нарушением их структуры, которые возникают при делении клеток или в результате физического воздействия.

В зависимости от характера, возникающих перестроек различают следующие виды хромосомных аббераций:

1. Нехватка- утеря концевого участка хромосомы.

2. Делеция- утеря средней части хромосомы, в результате чего она укорачивается.

3. Дупликация- удвоение какого- либо участка хромосомы.

4. Инверсия (переворачивание)- оторвавшиеся участки хромосомы переворачиваются на 180º и прикрепляются вновь к местам разрыва, но другими концами.

5.Транслокация (перемещение)- взаимный обмен частями не гомологических хромосом.

6. Фрагментация- распадение хромосомы на части. Фрагментация приводит к гибели организма.

Необходимо отметить, что механизм хромосомных перестроек ещё хорошо не изучен. Однако, все хромосомные перестройки приводят к изменению генетического материала, а это в свою очередь отражается на развитии признака или организма в целом. Было установлено, что всем хромосомным перестройкам свойственны два момента: первый -это разрыв хромосомы, при котором образуется два фрагмента имеющие по одному клейкому концу. Второй момент- соединение фрагментов к клейкому концу. Разрыв может произойти от контакта хромосомы или независимо от контакта.

Исследования хромосомных перестроек дало генетикам метод исследования генотипа как системы. Теперь уже доказано, что каждая хромосома представляет собой систему взаимодействующих генов, которые определяют развитие разных признаков и свойств организма. Следовательно, генотип функционирует как целостная система каждого вида.

Таким образом, с помощью хромосомных перестроек можно изучать взаимодействие генов при изменении положения их в хромосоме, получать новые группы сцепления, создавать новые системы генотипов.

Точковыми или генными мутациями называются изменения структуры молекулы ДНК на участке определенного гена. Изменение гена возникает всегда в одной хромосоме, поэтому изменивший ген всегда существует длительное время в течение ряда поколений в гетерозиготном состоянии и не проявляет своего действия. Генные мутации могут возникать в результате выпадения или вставки нуклеотидных пар в молекуле ДНК. Также может произойти замена одного нуклеотида на другой. Например вместо тимина (Т) ставиться гуанин (Г) или вместо гуанин - аденин. В этом случае изменяется и-РНК, которая приводит к изменению порядка чередования аминокислот в полипептидной цепи белка. В результате точковых мутаций может возникнуть новая аллель данного гена, и это явление получило название множественного аллелизма. Примером множественного аллелизма может служить окраска глаз у мухи дрозофилы, гена scute обуславливающего развитие щетинок, белок гемоглобин крови, который содержит около 300 аминокислот. Замена одной аминокислоты из 300 обуславливает новый тип гемоглобина. Уже в настоящее время известно около 100 типов гемоглобина, которые контролируются серией множественных аллелей.

Точковые мутации могут быть доминантными, неполнодоминирующими, рецессивными. Чаще всего встречаются рецессивные мутации. В естественных условиях внешней среды мутации одного признака возникают сравнительно редко. У мухи дрозофилы мутации белоглазия возникают с частотой 1:100000 гамет, у человека многие гены мутируют с частотой 1:200000 гамет.

Необходимо отметить, что частота мутаций зависит от факторов внешней среды, физиологического состояния организма и отдельных генов входящих в генотип особи. Существуют гены, которые мутируют очень редко, в тоже время другие мутируют очень часто. Гены, которые мутируют очень часто называются мутабильными генами, например у крупного рогатого скота к таким генам относится гены некоторых групп крови. Причина возникновения спонтанных точковых мутаций в природе состоит в том, что происходит отклонение от нормы синтеза ДНК. Отклонение от нормы синтеза ДНК можно объяснить тем, что в клетках в большом количестве имеется аналогичные для ДНК основания это 5- бромурацил и 5- хлорурацил. Эти основания иногда используются при синтезе ДНК, заменяя тимин. Кодон получается нового типа.

Некоторые мутации снижают в естественных условиях жизнеспособность организмов, однако они являются ценными для человека. Человек, создавая лучшие условия внешней среды, ослабляет их вредное последствие на организм (пример: норка их расцветки меха).

В практике животноводства большое значение имеют спонтанные мутации. Наследственные различия между породами с.-х. животных обусловлены возникновением точковых мутаций и накопление их в процессе отбора. М.Ф. Иванов подчеркивая большое значение точковых мутаций в совершенствовании породных качеств с.-х. животных. В своей работе по созданию асканийской породы овец, он использовал барана с длинной и густой шерстью крупного по весу. Этот баран получен от родителей, которые не имели этих качеств. Получение такого барана М.Ф. Иванов объяснил возникшими мутациями. По характеру влияния мутантного гена на контроль биосинтеза белков и ферментов выделяют пять типов генных мутаций: аморфные, гипоморфные, гиперморфные, антиморфные, неоморфные.

Аморфные генные мутации приводят к образованию неактивного генного продукта в результате чего контролируемый геном признак не развивается. К таким мутациям относится альбинизм - отсутствие пигмента, безволосость и беззубость у крупного рогатого скота и собак, отсутствие конечностей у свиней и овец. Безхвостость у кур и мышей и других животных. Иногда аморфные мутации в гомозиготном состоянии вызывают летальный исход. У домашних кур утрачивается инстинкт насиживания яиц.

Гипоморфные мутации ослабляют выраженность признака по сравнению с исходным типом. Причиной этому служит нарушение генного баланса, что приводит к нарушению активности фермента, который контролирует развитие признака. Примером гипоморфных мутаций могут быть карликовость у различных видов животных, ослабление степени окраски волов, недоразвитие органов, глаз, головы и другие. В гомозиготе гипоморфы летальны.

Гиперморфные мутации усиливают развитие признака, примером служит гигантизм, который имели предки наших млекопитающих животных, мамонты, слоны. Гиперморфные мутации используются для производства антибиотиков, витаминов, аминокислот, где повышается в сотни и тысячу раз по сравнению с исходными формами. При гиперморфных мутациях способность коров давать более 20 тыс. кг молока, куры ежедневно сносить по яйцу, овцы давать высокий настриг шерсти.

Антиморфные мутации существенно изменяют характер признака. Например, вместо одного пигмента образуется другой. У насекомых на действия ядов образуется фермент, который способен разрушать яд. У животных млекопитающих с помощью антиморфной мутации произошло превращение потовых желез в молочные.

Неоморфные мутации: при их возникновении развивается новый признак.

Эти мутации имеют большое значение в эволюции органических форм и их разделения. Так растения приобрели хлорофилл, а животные гемоглобин. С помощью неоморфных мутаций можно создать новые сорта растений. Был создан учеными новый сорт овса - зеленый, который имеет стебель высокий практически с человеческий рост, очень толстый, даёт зеленой массы столько сколько дает кукуруза. Это новая кормовая культура, которую человечество не знало.

Изучению индуцированных мутаций в настоящее время уделяется большое внимание. Индуцированный мутагенез широко применяется в селекции растений для создания исходного материала. Мутантные растения могут использоваться для выведения новых сортов культурных растений. Так, мутанты послужили для выведения сорта пшеницы Новосибирская 67, подсолнечника Первинец и других сортов.

Широкий спектр действия мутагенов позволил условно подразделить их на три большие группы. Это физические, химические и биологические мутагены.

К физическим мутагенам относятся: ионизирующие излучения (радиация, рентгеновские лучи, гамма- лучи, космические и ультрафиолетовые лучи, протоны, электроны, температура, механические раздражители и многие другие факторы.

Было установлено очень большое количество мутагенных факторов, однако наибольшей мутагенной активностью обладают органические химические соединения и ионизирующие излучения в частности радиация.

В настоящее время установлено, что частота мутаций прямо пропорциональна дозе облучения. При увеличении дозы облучения увеличивается частота мутаций. Степень чувствительности клеток и особей к действию мутагенов не одинаково и зависит от генотипа и физиологического состояния клеток в момент действия мутагена.

Было установлено, что разные живые существа имеют различную чувствительность к действию радиации и при этом летальной дозой является: у свиней- 400R, у мышей- 600R, ослов-650R, кур- 700R, кроликов- 800R, у рыб (карась)- 1800R, мухи дрозофилы- 20000R, амёбы от 100000 до 250000, для человека 700R, и за всю свою жизнь человек получает облучения в количестве 10R.

Как указывает Н.П. Дубинин бактерии выдерживают облучения в сотни и десятки тысяч R рентгенов. Поэтому все опыты по действию радиации проводятся на низших организмах.

По-разному реагируют на ионизирующие излучения различные клетки. Очень чувствительны к радиации половые клетки, менее соматические; зрелые менее чувствительны, чем молодые; сухие менее чувствительны, чем мокрые. Ядро клетки более чувствительно к облучению, чем цитоплазма, так как там находится молекула ДНК. Ядро может поражаться в несколько рентген, в тоже время как цитоплазма способна выдержать большие дозы. Эти различия между ядром и цитоплазмой могут составить более 100000раз.

В радиационной генетике кроме летальной дозы различают критические дозы облучения. Эта доза, которая вызывает угнетение, однако некоторые особи выживают и дают потомство, но с различными мутациями. Генетическим эффектом радиации является поражения хромосом. Генные мутации возникают с меньшей частотой и среди них много летальных мутаций и мутаций с пониженной жизнеспособностью.

Химические мутагены по сравнению с излучениями имеют более избирательный характер. Они кроме хромосомных мутаций могут вызвать генные мутации. Необходимо отметить, что круг химических соединений очень велик и широк. Сюда относятся: отравляющие вещества ОВ (иприт, хлор), кислоты, спирты, различные органические соединения (гербициды, пестициды, удобрения- нитраты, нитриты) и многие другие химические вещества. Каждый класс химических соединений обладает определённой специфичностью и вызывает широкий спектр мутаций. Среди химических соединений выделяется группа особо активных соединений или их называют супермутагенами. Супермутагены могут увеличить частоту мутаций от 100 до 100000 раз, по сравнению с другими химическими мутагенами.

К сильным химическим мутагенам относятся аналоги нуклеотидов ДНК (бромурацил, аминопурин), перекиси, алколоиды (колхицин), соли тяжёлых металлов, алкирующие соединения (алкилсульфаты) и другие химические вещества.

Необходимо отметить, что в настоящее время супермутагены широко используются, как в промышленности, так и в сельском хозяйстве. С помощью супермутагенов производится очистка промышленных стоков от ядовитых веществ, участвуют в производстве лекарств, особенно антибиотиков и аминокислот. Химические мутагены дают широкий спектр хромосомных аберраций.

Биологические мутагены. К биологическим мутагенам относятся вирусы, бактерии, гельминты, живые вакцины, лекарственные препараты. Мутагенное действие этих организмов связано с проникновением в клетки чужеродной ДНК. Биологические мутагены вызывают широкий спектр мутаций в клетках животных (геномные мутации и различные аберрации). Установлено, что у свиней заражённых вирусом свиной лихорадки, уровень хромосомных аберраций зависит от дозы и продолжительности действия вируса.

Исследования последних лет показали, что многие лекарственные препараты используемые в медицине и ветеринарии, такие как сульфаниламиды, обладают мутагенными свойствами. Мутагенными свойствами обладают некоторые антибиотики, кормовые добавки, консерванты при их передозировке.

Необходимо отметить, что наиболее чувствительными к физическим и химическим мутагенным факторам являются молекулы ДНК, на которых зашифрована вся наследственная информация организма. Физические и химические мутагенные факторы находятся во внешней среде, поэтому в настоящее время большое внимание уделяется охране окружающей среды.

Таким образом, знание закономерностей мутагенеза позволяет разработать мероприятия, которые будут способствовать защите генотипов всех живых существ от вредных воздействий мутагенных факторов.