Мутації як вид мінливості. Три рівні виникнення мутацій у людини

Термин «мутация» был впервые введен в 1901г голландским ботаником , автором мутационной теории Гуго Де Фризом.

Мутации – внезапные и устойчивые изменения генотипа, возникающие под влиянием факторов внешней и внутренней среды. Мутагенез – процесс образования мутаций. Мутагены – факторы, вызывающие мутации.

Классификация мутаций

1. По месту возникновения:

- Генеративные (в половых клетках) – передаются следующим поколениям организмов при половом размножении и проявляются, как правило, во всех клетках потомков.

К этому типу относятся как аномалии половых хромосом, так и аномалии аутосом.

- Соматические ( в клетках тела) - наследуются дочерними клетками, которые образуются в процессе митотических делений.Фенотипические последствия таких изменений проявляются только у самой мутантной особи и только в том случае, если возникшие мутации препятствуют осуществлению специфических функций, свойственных данной клетке.

Генеративные мутации

Изменения наследственной программы половых клеток человека приводят к рождению потомства с различными наследственно обусловленными болезнями, в зависимости от ранга мутаций — генными или хромосомными.

Различные генные мутации по-разному сказываются на жизнеспособности организма, причем в случае их рецессивности они могут долго не проявляться фенотипически у потомков. Хромосомные перестройки и геномные мутации приводят к выраженным отклонениям в развитии и часто являются причиной гибели организма на разных стадиях его онтогенеза, обычно в раннем эмбриогенезе. В значительной степени именно этими мутациями определяется высокий процент (15%) прерывания диагностированных беременностей.

Триплоидии плода, как правило, приводят к прерыванию беременности на ранних стадиях, однако описано очень небольшое число случаев живорождения триплоидов. Анэуплоидия по разным хромосомам встречается как в материале абортусов, так и у рожденных детей. Некоторые анэуплоидий несовместимы с жизнью. Так, трисомия по 16-й хромосоме обнаруживается только в материале абортусов. В то же время у человека известны синдромы, связанные с аномалиями числа хромосом, характеризующиеся разной степенью жизнеспособности.

Соматические мутации

Мутации в соматических клетках организма (соматические мутации) могут приводить к различным заболеваниям особи, однако без передачи их потомству при половом размножении.

Мутации различного ранга (генные, хромосомные или геномные), возникающие в соматических клетках организма, наследуются потомками этих клеток и делают организм мозаиком, т.е. особью со смешанными популяциями клеток.

Нередко у человека встречается мозаицизм по геномным мутациям, связанный с нарушением расхождения хромосом при митозе. Например, в случае синдрома Дауна (трисомия по 21-й хромосоме) мозаицизм встречается с частотой 2 на 48 пациентов, а в популяции их частота равна 1 на 31 000. Чем раньше в ходе развития организма происходит нарушение деления соматических клеток, сопровождающееся нерасхождением дочерних хромосом к полюсам ахроматинового веретена, тем более выраженной будет симптоматика заболевания, вызываемого данной анэуплоидией. Нарушение митоза на более поздних стадиях индивидуального развития приводит к локальному мозаицизму, который может не сопровождаться выраженными отклонениями от нормы. В этом случае наиболее опасным является мозаицизм клеток генеративных тканей, из которых с достаточно большой вероятностью организм может образовывать гаметы с аномальным числом хромосом.

Иногда возникающие соматические мутации являются причиной появления злокачественных новообразований. На рис. 4.2 представлена последовательность событий, приводящих к образованию таких опухолей. Как правило, в основе лежит повреждение ДНК, вызываемое внутренними факторами (нарушением процессов репликации, репарации или рекомбинации) или внешними воздействиями (ионизирующей радиацией, химическими мутагенами или вирусами). Одним из результатов такого повреждения ДНК может оказаться появление клона клеток, обладающего дефектами регуляции клеточного размножения, что приводит к опухолевому росту.

Причиной злокачественного разрастания ткани могут быть также нарушение митоза и неравноценное распределение хромосом между дочерними клетками с возникновением анэуплоидий или хромосомных аберраций. Это вызывает либо гибель клеток, либо приводит к появлению клонов, способных к неконтролируемому росту. В злокачественных образованиях обычно встречаются субклоны, имеющие разные кариотипы, что свидетельствует о множественных аномалиях митоза в клетках опухолей.

Рис. 4.2. Соматические мутации как причина злокачественного перерождения тканей

Так как в основе злокачественного перерождения тканей может лежать изменение наследственного материала клеток, становится очевидной важная роль мутагенных факторов в процессе возникновения опухолей. Одним из таких мутагенных факторов являются вирусы, которые могут индуцировать в хромосомах то или иное мутационное изменение. Среди опухолей человека вирусное происхождение имеет лимфома Беркитта.

Пониманию молекулярно-биологических механизмов опухолевого роста способствовало открытие так называемых онкогенов, вызывающих злокачественное перерождение клеток и входящих в состав генома ретровирусов. Геном ретровируса состоит из одноцепочечной РНК и содержит ген обратной транскриптазы. При проникновении вируса в клетку-хозяина под контролем фермента обратной транскриптазы образуются множественные копии генетической информации вируса, но уже в виде двухцепочечной ДНК, которые встраиваются в ДНК клетки-хозяина. Функционирование таких ДНК-копий в составе генома клетки приводит к синтезу вирусных РНК и белков, причем вирусный онкоген (v-onc) трансформирует клетку-хозяина в опухолевую.

Использование ДНК-зондов на основе ретровирусных онкогенов обнаружило их гомологию некоторым собственным нуклеотидным последовательностям генома клеток. Эти участки получили название протоонкогенов или клеточных онкогенов (c-onc). Протоонкогены участвуют в контроле клеточного роста, но в обычном состоянии не приводят к опухолевой трансформации. Их мутантные аллели, стимулируя митоз, могут вызвать рост опухолей. Иногда активация клеточного онкогена обусловливается единичной точковой мутацией в нем. В других случаях нет необходимости в такой мутации, так как трансформирующий эффект наблюдается при присоединении онкогена к фрагментам ДНК, обладающим сильными промоторными свойствами. В таких ситуациях следует допустить, что протоонкогенам присущи свойства транспозонов, или «прыгающих генов».

Предполагают, что вирусные онкогены на каком-то этапе эволюции произошли от клеточных онкогенов, интегрированных в геном вируса. Причины, обусловливающие большую трансформирующую активность вирусных онкогенов в сравнении с клеточными, до настоящего времени не вполне ясны.

В опухолевых клетках часто наблюдаются хромосомные аномалии, причем некоторые опухоли отличаются наличием специфических хромосомных дефектов.

Установлено, что онкогены нередко обнаруживаются в непосредственной близости от точек разрывов, происходящих при опухолеспецифичных хромосомных перестройках. Это подтверждает их роль в злокачественной трансформации клеток.

2. По способу возникновения:

- спонтанные – возникают случайно, т.е. в любой момент любой ген может претерпеть изменения.

Причины: факторы экзогенной и эндогенной природы (естественный фон облучения, действие вирусов, ошибки репликации ДНК, нарушения функционирования репаративных систем, физиологическое состояние и возраст организма.

Возникают на 3х уровнях:

1) генный уровень

2) хромосомный

3) геномный

- индуцированные - возникают в результате направленного воздействия на организм мутагенных факторов различной природы:

1) физические факторы – радиация, температура, давление и т.п.;

2) химические – пестициды, тяжелые металлы и др.;

3) биологические – вирусы, бактерии).

3. По действию на организм (функциональные):

- отрицательные – приводят либо к гибели организма (летальные), либо к снижению его жизнеспособности (полулетальные);

- нейтральные – не оказывают существенного влияния на процессы жизнедеятельности;

- положительные – повышают адаптационные способности организма (встречаются достаточно редко).

Свои отрицательные или положительные свойства мутации способны проявлять не сами по себе. А только при определенных условиях (например, усиление пигментации – полезно в Африке, белая кожа – в северных странах).

4. По локализации в клетке:

- ядерные – возникают в ядерных элементах клетки;

- цитоплазматические – возникают в результате изменений генома ДНК-содержащих митохондрий уже рассматривали их).

5. По уровню возникновения:

- генные – затрагивают один или несколько нуклеотидов внутри одного гена;

- хромосомные – затрагивают множество нуклеотидов или структуру хромосомы в целом (происходит перестройка хромосом):

1) дупликация - удвоение участка;

2) делеция – нехватка участка;

3) инверсия – поворот участка на 180;

4) транслокация – перемещение участка на негомологичную хромосому.

- геномные – когда происходит нарушение численности хромосом (полиплоидия – кратное увеличение числа хромосом).

Остановимся подробнее на этой классификации.