Классификация мутаций

I. По локализации в клетках: соматические (в неполовых клетках организма, они передаются только дочерним клеткам при делении и не наследуются потомками) и генеративные (мутации в половых клетках, они наследуются потомками).

II. По влиянию на организм: летальные – мутации, которые приводят к внутриутробной гибели или к смерти в младенческом возрасте (моносомия по аутосомам несовместима с жизнью); полулетальные – мутации, значительно снижающие жизнеспособность, приводя организм к смерти. Продолжительность жизни носителей полулетальных мутаций может значительно варьировать, однако в любом случае они погибают до достижения половой зрелости (пигментная ксеродерма); нейтральные– мутации, не влияющие существенным образом на процессы жизнедеятельности; полезные мутации– мутации, обеспечивающие организм новыми полезными свойствами.

III.По воздействующим факторам: спонтанные(возникают при обычных состояниях организма без видимого дополнительного воздействия на организм внешних факторов, могут возникать в результате действия химических соединений, образующихся в процессе метаболизма, воздействия естественного фона радиации или УФ-излучения, ошибок репликации) и индуцированные(мутации, вызванные направленным воздействием факторов внешней или внутренней среды). Индуцированный мутагенез может быть контролируемым (в эксперименте) или неконтролируемым (в результате облучения при выбросе радиоактивных элементов в среду).

IV.По локализации в клетке: ядерные и цитоплазматические.

V. По характеру изменений генетического материала различают мутации, обусловленные: а) изменением числа хромосом (геномные); б) изменением структуры хромосом (хромосомные аберрации); в) изменением молекулярной структуры гена (генные, или точковые мутации).

VI.Классификация мутаций в зависимости от их фенотипического эффекта: а)аморфные мутации – это состояние, при котором признак, контролируемый патологическим аллелем, не проявляется, так как патологический аллель не активен по сравнению с нормальным аллелем. К таким мутациям относятся ген альбинизма (11q14.1) и около 3000 аутосомно-рецессивных заболеваний; б) антиморфные мутации – значение признака, контролируемого патологическим аллелем, противоположно значению признака, контролируемого нормальным аллелем. К таким мутациям относятся гены около 5-6 тыс. аутосомно-доминантных заболеваний; в) гиперморфные мутации – признак, контролируемый патологическим аллелем, выражен сильнее признака, контролируемого нормальным аллелем. Среди этих заболеваний: анемия Фанкони, пигментная ксеродерма, синдром Блума, многие формы рака и др. При этом частота рака у гетерозиготных носителей генов этих заболеваний в 3-5 раз выше, чем в норме, а у самих больных (гомозигот по этим генам) частота рака в десятки раз выше, чем в норме; г)гипоморфные мутации – проявление признака, контролируемого патологическим аллелем, ослаблено по сравнению с признаком, контролируемым нормальным аллелем. К таким мутациям относятся мутации генов синтеза пигментов, а также более 3000 форм аутосомно-рецессивных заболеваний; д) неоморфные мутации – признак, контролируемый патологическим аллелем, будет иного (нового) качества по сравнению с признаком, контролируемым нормальным аллелем. Пример: синтез новых иммуноглобулинов в ответ на проникновение в организм чужеродных антигенов.

Наиболее часто встречающиеся мутации называются мажорными мутациями (например, мутации в генах миодистрофии Дюшенна-Беккера, муковисцидоза, фенилкетонурии и др.). Вновь возникшие мутации называются новыми мутациями или мутациями de novo (например, ахондроплазия, нейрофиброматоз, болезнь Альцгеймера и др.).

3.4. Геномная изменчивость. Гаплоидный набор хромосом, а также совокупность генов, находящихся в гаплоидном наборе хромосом, названы геномом. Мутации, связанные с изменением числа хромосом, называются геномными. К ним относятся полиплоидия и гетероплоидия (анеуплоидия).

Полиплоидия– увеличение диплоидного числа хромосом путем добавления целых хромосомных наборов в результате нарушения мейоза. Вспомним, что половые клетки имеют гаплоидный набор хромосом, а для зигот и всех соматических клеток характерен диплоидный набор. У полиплоидных форм отмечается увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору: 3n – триплоид, 4n – тетраплоид, 5n – пентаплоид, 6n – гексаплоид и т.д. Полиплоидия, которая может быть естественной и искусственной, придает особям новые свойства и качества. Благодаря гетерозису полиплоиды представляют выдающийся интерес для сельскохозяйственной практики. Овладение методом направленного увеличения наборов хромосом открывает широкие практические перспективы. Культурные растения в своем большинстве – полиплоиды, т.е. эволюция ряда цветковых растений шла путем полиплоидизации. Наибольшее число полиплоидных видов у хризантем: исходная форма в гаплоидном наборе имеет 9 хромосом. Встречаются виды хризантем с 18 (2n), 36, 54 и т.д. до вида со 198 хромосомами. У последнего вида исходный гаплоидный набор повторяется 22 раза (22n). Полиплоидными растениями являются: ячмень, яблоня, груша, клубника, картофель и т.д. Полиплоидные формы фенотипически отличаются от диплоидных: вместе с изменением числа хромосом изменяются и наследственные свойства. У полиплоидов клетки обычно крупные, иногда растения имеют гигантские размеры. Такое увеличение размеров обусловлено явлением гетерозиса. Полиплоиды более стойкие к неблагоприятным факторам, поэтому на севере и в горах многие виды растений – полиплоиды. В селекционной практике, с целью получения полиплоидов, растения подвергаются действию критических температур, ионизирующей радиации, химических агентов. Пионером в этом отношении был русский ботаник И.И. Герасимов. Воздействуя на делящиеся клетки спирогиры различной температурой и наркотиками, он получил полиплоидные формы. Наибольшей популярностью из химических веществ пользуется алколоид колхицин. Он блокирует образование нитей веретена деления при митозе, что способствует образованию полиплоидов.

Среди животных как в естественных, так и в искусственных условиях, полиплоидия наблюдается сравнительно редко. У гермафродитных животных и животных, размножающихся партеногенетическим путем, описаны случат полиплоидии. Например, у дождевых червей встречаются ряды 1n, 2n, 3n и более. По-видимому, возникновение полиплоидов у раздельнополых животных и двудомных растений затруднено наличием хромосомного определения пола. Однако и среди раздельнополых животных встречаются случаи, хотя и относительно более редкие, полиплоидии. Так, кариотип рыжего таракана состоит из 24 хромосом, а черного, более крупного таракана – 48 хромосом. Известны полиплоиды у шелкопряда, рыб и ящериц.

Различают две формы полиплоидии. Формы, возникающие в результате умножения хромосом одного генома, называются автоплоидными. Автоплоиды обладают пониженной плодовитостью, так как при гаметогенезе у них развиваются половые клетки с несбалансированным числом хромосом. Это происходит в результате нарушения мейоза, когда в профазе I, кроме бивалентов, образуются пол – и униваленты. Но и те половые клетки, которые оказываются жизнеспособными, при оплодотворении дают потомков с резко измененным расщеплением. Аллоплоидией называется явление, возникающее на основе увеличения числа хромосом генома гибрида, получившегося в результате скрещивания разных видов. Так, Г.Д. Карпеченко создал аллоплоидный гибрид редьки и капусты. Каждый вид имеет 18 хромосом, а гибрид – 36, т.е. является аллотетраплоидом. Известно, что при отдаленной гибридизации наблюдается бесплодие, так как образующиеся их генеративные клетки не имеют гомологичных хромосом для конъюгации и образуются нежизнеспособные гаметы, они гибнут при первом же делении.

Гетероплоидия.В результате нарушения митоза и мейоза число хромосом может изменяться, увеличиваться или уменьшаться на одну или несколько хромосом, становиться не кратным гаплоидному набору. Формы гетероплоидии: трисомия, моносомиия, нулисомия. Явление, когда какая-либо из хромосом, вместо того чтобы быть парной, оказывается в тройном числе, называется трисомией. Если наблюдается трисомия по одной паре хромосом, то такой организм называется трисомиком и его хромосомный набор 2n+1. Трисомия может быть по любой из хромосом и даже по нескольким. Явление трисомии впервые описали Блексли и Беллинг у дурмана. Все типы трисомиков отличаются как друг от друга, так и от нормальной диплоидной формы. Это служит доказательством того, что хромосомы имеют прямое отношение к явлениям наследственности. Трисомики чаще всего не жизнеспособны, либо с пониженной жизнеспособностью. Известна трисомия у многих растений, а также животных и человека. Синдром Дауна – трисомия по 21 паре хромосом (46+1), синдром Патау – трисомия по 13-15 паре хромосом, синдром Эдвардса – трисомия по 16-18 паре хромосом, а также по половым хромосомам: ХХХ, ХХУ, ХУУ.

Явление, противоположное трисомии, т.е. утрата одной хромосомы из пары в диплоидном наборе, называется моносомией, организм – моносомиком, его генетическая формула 2n–1. Как правило, моносомики тоже отличаются пониженной жизнеспособностью. Моносомиками являются женщины с синдромом Шерешевского–Тернера.

Если из диплоидного набора выпадают обе гомологичные хромосомы, организм называется нулисомиком. Он, как правило, нежизнеспособен. Чем больше нарушение, тем ниже жизнеспособность. У человека нарушение сбалансированного набора хромосом влечет за собой болезненные состояния, известные как хромосомные болезни.

3.5. Хромосомные аберрации. Возникают в результате перестройки хромосом. Они являются следствием разрыва хромосомы, приводящего к образованию фрагментов, которые в дальнейшем воссоединяются, но при этом нормальное строение хромосомы не восстанавливается. Различают две большие группы хромосомных мутаций: внутрихромосомные и межхромосомные. Внутрихромосомные мутации – это аберрации в пределах одной хромосомы.Различают 3 основных типа хромосомных аберраций: нехватки (делеции), удвоения (дупликация), инверсии. Нехватки (делеции, дефишенси) возникают вследствие потери хромосомой того или иного участка. Нехватки в средней части хромосомы называют делециями. Потеря концевого участка хромосомы - дефишенси. Потеря значительной части хромосомы приводит организм к гибели, утрата незначительных участков вызывает изменение наследственных свойств. Делеция короткого плеча 5-й хромосомы известна как синдром кошачьего крика. Удвоения (дупликации) связаны с включением лишнего, дублирующего участка хромосомы. Это также ведет к появлению новых признаков. Инверсии наблюдаются при разрыве хромосомы и перевороте оторвавшегося участка на 180⁰. Если разрыв произошел в одном месте, оторвавшийся фрагмент прикрепляется к хромосоме противоположным концом, если же в двух местах, то средний фрагмент, перевернувшись, прикрепляется к местам разрыва, но другими концами. Инверсии широко распространены у дрозофилы. Межхромосомные мутации, или мутации перестройки представлены транслокациями. Транслокации возникают в тех случаях, когда участок хромосомы из одной пары прикрепляется к негомологичной хромосоме, т.е. хромосоме из другой пары. Нередко две поврежденные негомологичные хромосомы взаимно обмениваются оторвавшимися участками – реципрокная транслокация. Возможно присоединение фрагмента к своей же хромосоме, но в новом месте – транспозиция. Транслокация участка одной из хромосом (21) на 13-15 известна и у человека, она является причиной болезни Дауна. Транслокация длинного плеча 22-й хромосомы на 9-ю приводит к хроническому миелолейкозу. Большинство транслокаций, затрагивающих крупные участки хромосом, делает организм нежизнеспособным. Хромосомные перестройки, как правило, проявляются в изменении морфологии хромосом, что можно наблюдать в световой микроскоп. Метацентрические хромосомы превращаются в субметацентрические и акроцентрические и наоборот, появляются кольцевые хромосомы и полицентрические. Особую категорию хромосомных мутаций представляют аберрации, связанные с центрическим слиянием или разделением хромосом, когда две негомологичные структуры объединяются в одну – робертсоновская транслокация, или одна хромосома образует две самостоятельные хромосомы. При таких мутациях не только появляются хромосомы с новой морфологией, но и изменяется их количество в кариотипе.

3.6. Генные мутации, или трансгенации, затрагивают структуру самого гена. Мутации могут изменять участки молекулы ДНК различной длины. Мутон – наименьший участок, изменение которого приводит к появлению мутации. Его может составлять только одна пара нуклеотидов. Изменение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК обуславливает изменение в последовательности триплетов и в конечном итоге – программу синтеза белка. Следует помнить, что нарушение в структуре ДНК приводят к мутациям только тогда, когда не осуществляется репарация. Точковая (генная) мутация может заключаться:

1) в замене основания в кодоне, это так называемая миссенс-мутация – замена нуклеотида в кодирующей части гена, приводящая к замене аминокислоты в полипептиде;

2) в изменении кодонов, которое приведет к остановке считывания информации – нонсенс-мутация – замена нуклеотида в кодирующей части, приводит к образованию кодона-терминатора (стоп-кодона) и прекращению трансляции;

3) в нарушении считывания информации, сдвиг рамки считывания – фреймшифт, когда молекулярные изменения ДНК приводят к изменению триплетов в процессе трансляции полипептидной цепи.

Среди точковых мутаций выделены мутации первого и второго типов. Первый тип – мутации транскрипции(мутации в области промотора; мутации сплайсинга мРНК; мутации полиаденилирования; мутации кэп-сайта; мутации (делеции) энхансеров).Второй тип мутаций – мутации трансляции(мутации кодона инициации транскрипции или индикаторного кодона (АУГ); мутации в терминирующих кодонах – ТАА, ТАГ и ТГА; молчащая (нейтральная) мутация; нулевая мутация; регуляторная мутация).

По типу молекулярных изменений выделяют: 1) делеции – происходит утрата сегмента ДНК размером от одного нуклеотида до целых генов; 2) инверсии – поворот на 180⁰ сегмента ДНК размерами от двух нуклеотидов до фрагмента, включающего несколько генов; 3) инсерции – вставка фрагмента ДНК размером от одного нуклеотида до целого гена. Именно генные мутации обуславливают развитие большинства наследственных форм патологии. Болезни, обусловленные генными мутациями, называют генными (моногенными или болезнями обмена веществ). Типичными генными мутациями являются альбинизм, муковисцидоз, гемохроматоз, фенилкетонурия, адреногенитальный синдром и др. Появление мутации для каждого генного локуса – событие редкое. Различные аллели имеют неодинаковую частоту мутирования. Для каждой аллели частота мутирования постоянна и колеблется в пределах 10^-5 – 10^-7. Однако ввиду огромного числа генов у каждого организма мутации довольно часты.

3.7. Значение изменчивости в эволюции. В природе не существует полного и точного единообразия, нет двух абсолютно идентичных особей внутри любого биологического вида. Даже генетически равноценные однояйцевые близнецы отличаются друг от друга фенотипически. Внутри каждого вида, будь то микроорганизм, гриб, растение, животное или человек, встречается неисчерпаемая изменчивость всех морфофизиологических, биохимических, экологических особенностей, отличий по всем признакам как качественным, так и количественным. Такая всеобщая изменчивость, определяемая первично генетически (комбинативная изменчивость) приводит к тому, что каждая особь любого вида, размножающегося половым путем, оказывается генетически уникальной. В процессе онтогенеза появляются мутации, изменяются частоты генов, происходит отбор, приводящие к возникновению новых признаков и свойств. Мутации могут накапливаться, повышать свою концентрацию в популяциях, а также возникать вновь и вновь с определенной частотой. Если такие мутации захватывают в той или иной степени жизненно важные свойства организма, то они играют значительную роль в эволюционном процессе, являясь элементарным материалом для эволюции.

3.8. Мутагенез и антимутагенез.Надо отметить, что большинство вновь возникающих мутаций находится обычно в рецессивном состоянии, увеличивая лишь скрытую, потенциальную изменчивость, характерную для организмов любого вида. Факторами, индуцирующими мутационный процесс (мутагены), могут быть самые разнообразные влияния внешней среды: температура, ультрафиолетовое излучение, радиация (физические мутагены), пестициды, гербициды, фенолы, лекарственные препараты (химические мутагены), а также вирусы, простейшие, грибы (биологические мутагены).

Общие свойства мутагенов:

1. Универсальность, т.е. способность вызывать мутации во всех живых организмах
2. Отсутствие нижнего порога мутационного действия, т.е. способность вызывать мутации при действии в любых малых дозах
3. Ненаправленность возникающих мутаций

Химический мутагенезвпервые целенаправленно начал изучать сотрудник Н.К. Кольцова В.В. Сахаров в 1931 году на дрозофиле при воздействии на ее яйца йодом, а позже М.Е. Лобашов, исследуя действие аммония. В1943 году М.Е. Лобашов отметил, что химические мутагены должны обладать тремя качествами: высокой проникающей способностью, свойством изменять коллоидное состояние хромосом, определенным действием на состояние гена или хромосомы. В 1946 году генетик И.А. Рапопорт обнаружил сильное мутагенное действие формалина. Некоторые химические мутагены усиливают мутационный процесс в сотни раз по сравнению со спонтанным: они называются супермутагенами, т.е. оказывают сверхмутагенное действие. Химические мутагены используются для получения мутантных форм плесневых грибов, актиномицетов, бактерий, вырабатывающих в большом количестве пенициллин, стрептомицин и другие антибиотики. Этот факт свидетельствует о том, что, по-видимому, и в естественных условиях подобные факторы могут служить причиной появления спонтанных мутаций. Следовательно, есть необходимость изучения мутагенного действия новых фармакологических веществ и других химических соединений, которые все шире используются в медицине.

Радиоактивным мутагенезомначали заниматься в 20-х годах прошлого столетия.Индуцированные мутации, вызванные облучением, впервые получены советскими учеными Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым, которые в 1925 году наблюдали мутационный эффект на дрожжах после воздействия на них ионизирующей радиацией. В 1927 году американский генетик Г. Меллер показал, что рентгеновы лучи могут вызвать множество мутаций у дрозофилы. Для искусственных мутаций часто используются гамма-лучи, источником которых в лабораториях может являться радиоактивный кобальт. В последнее время для индуцированных мутаций все шире применяются нейтроны, обладающие большой проникающей способностью. Физические методы мутагенеза применяют для получения ценных в хозяйственном отношении сортов культурных растений. В настоящее время работы в этой области переросли в одну из наук – радиационную биологию, имеющую большое практическое применение. Например, в сельском хозяйстве благодаря мутациям получены высокоурожайные растения. Радиационная генетика имеет значение в изучении, освоении космических пространств.

К учету генетических последствий облучения обратились в 1950-х, когда после бомбардировок Хиросимы и Нагасаки облучению подверглось большое количество людей, и стало понятно, что нормирование должно касаться не только профессионалов, работающих с источниками излучений, но и населения. Для этого начиная с 1950-х гг. в США был выполнен многолетний дорогостоящий проект под названием «Грандиозная мышь». Первоначально планировали использовать 1 млн. животных, но впоследствии оказалось использовано 7 млн. Эти эксперименты оказались очень важны для определения генетических последствий облучения.

Одним из самых опасных последствий облучения является образование свободных радикалов ОН или НО₂ из находящейся в тканях воды. Эти радикалы обладают высокой реактивной способностью и могут расщеплять органические вещества, в том числе нуклеиновые кислоты.

Научным комитетом ООН по радиации установлено, что для человека дозой рентгеновых и гамма-лучей удваивающих количество естественных мутаций, является доза 0,5-1,5 Гр. (50-150 рад).

Биологический мутагенез начали изучать несколько позже, хотя мутагенное действие некоторых вирусов (краснухи) и простейших (токсоплазмы) известны давно. К биологическим мутагенам относятся вирусы (кори, гриппа, цитомегаловирус) и токсины ряда организмов, особенно плесневых грибов. В 1958 году советский генетик С.И. Алиханян показал, что вирусы вызывают мутации у актиномицетов.

Антимутагены (протекторы) – соединения, нейтрализующие сам мутаген или снимающие поражения с молекулы ДНК, вызванные мутагенами. Например, после введения цистеина в организм мышей, они способны перенести смертельную дозу радиации. Известно около 30 протекторов, которые снижают эффекты радиации, но также могут быть использованы и от химических мутагенов. Это гистамин, глутатион, серотонин, резерпин и др. Антимутагенными свойствами обладают и ряд витаминов. Предполагают, что некоторые антимутагены можно использовать в качестве пищевых добавок и антимутагенных лекарств.

Антимутагеы условно можно разделить на три группы:

1. Блокирующие действие автомутагенов, естественно возникающих в клетках в процессе метаболизма (антиавтомутагены), например, фермент каталаза, который разрушает обладающую мутагенным действием перекись водорода. Эти антимутагены обеспечивают сохранение определенного уровня спонтанных мутаций;

2. Снижающие действие внешних, искусственных физических или химических мутагенов. Такими антимутагенами являются сульфгидрильные соединения, некоторые спирты, углекислые соли и др. соединения, которые могут разрушать мутагены, действовать как восстановители и т.д.

3. Ферментные системы, действующие непосредственно на уровне наследственных структур, т.е. «исправляющие» поврежденные мутагеном участки хромосом.