Причины и частота возникновения мутаций
Спонтанные мутации – это мутации, которые возникают без видимых причин. Они широко распространены в природе. У каждого вида все свойства и признаки организма подвержены спонтанным мутациям.
Частота мутаций в природе определяется отношением числа гамет, несущих данную мутацию, к общему числу гамет (данного поколения, в данной популяции). Частота мутации различных генов – 10-5–10-7 (1 гамета из 100 тысяч – 10 млн). У различных видов растений и животных частота спонтанных мутаций очень близка.
Так как число генов достаточно велико, суммарная частота мутаций у того или иного вида высока. Так, у дрозофил 25% гамет несут измененные гены (т.е. каждая четвертая гамета).
Мутации могут идти и в прямом, и в обратном порядке (т.е. рецессивные гены – в доминантные, а доминантные – в рецессивные).
Причины спонтанных мутаций условно делятся на две группы – внешние и внутренние. Внешние обусловлены естественным радиационным фоном: космическими излучениями, радиацией элементов земной коры, радиактивными изотопами, поступающими в организм с пищей. Обычные показатели естественного радиационного фона – 13–27 микрорентген в час. Внутренние причины обусловлены генотипом. Так, у кишечной палочки есть гены-мутаторы, наличие которых увеличивает частоту мутаций других генов в 2000 раз. Длительное хранение семян приводит к увеличению частоты спонтанных мутаций у растений. У дрозофилы в норме частота летальных мутаций, локализованных в Х-хромосоме, составляет приблизительно 0,15%, но есть линии, где эта частота равна 1%.
Индуцированные мутации возникают в результате целенаправленного действия какого-то фактора. Русские ученые Надсон и Филиппов (1925) впервые получили их у дрожжевых клеток с помощью рентгеновских лучей. Американский ученый Меллер (1927) впервые получил мутации у дрозофилы.
Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенными. По природе они делятся на три группы: физические, химические, биологические.
Физические факторы
· Ионизирующие излучения – рентгеновское, альфа-, бета-, гамма-лучи и поток нейтронов.
Под действием ионизирующего излучения в клетках образуются ионы Н+, ОН- и свободные радикалы, которые активно вступают в химические реакции. В ходе этих реакций нарушается строение ДНК, т.е. возникают мутации.
Дозу радиоактивного излучения принято измерять в «радах» (сокращенно рад) или «греях» (Гр). 1 рад = 100 эргам энергии, поглощенных 1 граммом вещества. 1 грей = 100 рад.
Чувствительность организмов к действию ионизирующей радиации разная. Так, летальная доза (разовая минимальная, вызывающая смертельный исход) для человека – 600 рад или 6 Гр; для мыши – 900 рад или 9 Гр; для амебы – 100000 рад или 1000 Гр.
· Температура
В опытах на дрозофилах обнаружено, что повышение температуры окружающей среды приводит к увеличению частоты мутаций. У курящих чаще, чем у некурящих, наблюдается рак губы.
· Ультрафиолетовое излучениеведет к образованию в молекуле ДНК димеров.
Химические факторы
Сегодня известны десятки и сотни тысяч химических веществ, вызывающих мутации. Приведем некоторые из них:
– колхицин, митотический яд – разрушает веретено и останавливает деление клетки на метафазе; селекционеры используют его для получения полиплоидных форм;
– формальдегид и его производное – формалин;
– пестициды, гербициды;
– кофеин;
– многие лекарственные препараты (отечественный аспирин, сульфаниламиды);
– фотореактивы;
– консерванты;
– ракетное топливо.
Биологические факторы
· Вирусы (герпес, ветряная оспа, коревая краснуха, энцефалит, полиомиелит).
· Живые вакцины, сыворотки, гистамин, стероидные гормоны.
· Возраст(чем больше, тем выше вероятность возникновения наследственных заболеваний,– так, синдром Дауна в 14 раз чаще возникает у детей от матерей, рожающих после 40 лет).
· Нарушение функции какого-то органа(рак молочной железы чаще возникает у нерожавших женщин).
Различия в действии ионизирующей радиации и химических мутагенов
Химические мутагены обладают определенной специфичностью действия (можно предвидеть, какие именно гены будут мутировать). Ионизирующая же радиация действует неспецифически. С другой стороны, она обладает кумулятивным эффектом, т.е. способна накапливаться в организме. Так, один и тот же эффект будет получен как при однократном облучении дозой 20 рад, так и при воздействии четыре раза по 5 рад.
Возникшая мутация фенотипически проявляется не всегда. В природе существует мощная система антимутационных барьеровна молекулярном, субклеточном, клеточном и организменном уровнях.
Антимутационные барьеры
1. Наличие двух нитей молекулы ДНК. Изменения, возникшие в одной нити, могут быть восстановлены благодаря существованию второй неизмененной нити ДНК. Процесс восстановления поврежденной молекулы ДНК называется репарацией. Она бывает нескольких видов:
Дорепликативная (световая и темновая),
Пострепликативная,
SOS-репарация.
Световая дорепликативная репарация – устраняет повреждения, возникшие под действием ультрафиолетовых лучей. Протекает только на свету. Ультрафиолетовые лучи вызывают образование в ДНК димеров, которые нарушают ее функцию. Димер – это возникновение дополнительной связи между двумя нуклеотидами одной цепи и разрыв связей между нуклеотидами противоположных цепей:
Ц – А – Т – А – Г – Т = Т – А – Г
║ ║ ║ ║ ║ ║ ║
Г – Т – А – Т – Ц – А – А – Т – Ц
Под действием квантов видимого света в клетке образуется фермент дезоксириботидпиримидинфотолиаза, которая восстанавливает нарушенные связи.
Темновая дорепликативная репарация происходит как на свету, так и в отсутствие света. Способна устранять повреждения, вызванные любым мутагенным фактором. Условно в ней выделяют пять фаз: 1) узнавание; 2) надрезание; 3) вырезание; 4) синтез нового участка; 5) сшивание вновь синтезированного участка с концами неповрежденной ДНК.
У человека есть рецессивная мутация, которая проявляется в виде неспособности клеток устранять димеры, образованные под действием ультрафиолетовых лучей. Это заболевание называется пигментная ксеродерма. Оно характеризуется сухостью и шелушением кожи, образованием пигментных пятен, заболеванием глаз.
Пострепликативная репарация наблюдается в синтетический период интерфазы. Во время репликации ДНК участки с димерами не реплицируются, поэтому вновь синтезированная нить содержит бреши. Потом эти бреши заполняются путем рекомбинативного синтезас неповрежденной молекулой ДНК.
SOS-репарация происходит в том случае, если молекула ДНК сильно разрушена. Тогда нить строится из первых попавшихся нуклеотидов и исходная структура ДНК не восстанавливается.
2. Сходство аминокислот по функциональному действию. В результате мутации одна аминокислота заменена на другую, сходную по функциональному действию, поэтому свойства и функции белка не изменились.
3. Вырожденность генетического кода. В связи с тем, что триплетов существует 64, а аминокислот 20, одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько триплетов (до 6). Поэтому во многих случаях замена одного нуклеотида на другой ведет к образованию триплета-синонима.
4. Дублирование генов. Многие гены в клетке дублируются от 100 до 1000000 раз.
5. Парность хромосом в диплоидном наборе. Благодаря этому рецессивные мутации не проявляются.
6. Отбор. Он происходит на всех уровнях: молекулярном, клеточном, организменном (гибель эмбриона, мертворождение, гибель в раннем детстве, бесплодие). Направлен на защиту популяции от вырождения. Благодаря этому виды существуют длительное время.
ГЕНЕТИКА ПОПУЛЯЦИЙ
Популяция является формой существования любого вида. Популяция - это совокупность особей одного вида, достаточно длительное время существующая на одной территории, внутри которой осуществляется панмиксия и которая отделена от других таких же совокупностей той или иной степенью изоляции.
Совокупность генотипов всех особей, составляющих данную популяцию, носит название генофонд.
Существует ли закономерность в распределении генов и генотипов внутри генофонда? Да. Она была сформулирована в 1908 году одновременно двумя учеными: английским математиком Харди и немецким врачом Вайнбергом и получила название закона Харди-Вайнберга. Этот закон полностью справедлив только для идеальных популяций, т.е. популяций, отвечающих следующим требованиям:
1) бесконечно большая численность;
2) внутри популяции осуществляется панмиксия (свободное скрещивание);
3) отсутствуют мутации по данному гену;
4) отсутствует приток и отток генов;
5) отсутствует отбор по анализируемому признаку (признак нейтральный!).
Природные популяции в большинстве своем приближаются к идеальным, поэтому данный закон находит применение.
Закон Харди-Вайнберга имеет математическое и словесное выражения, причем в двух формулировках: