Что такое мутация когда. Мутация - ошибка природы или эволюция? Кто такие мутанты? Какие из хромосомных мутаций наиболее опасны

МУТАЦИЯ (от лат. mutatio-перемена, изменение). Под этим термином в генетике в настоящее время понимают всякое вновь возникающее в организме наследственное изменение. Однако различные исследователи придают этому слову не совсем одинаковый смысл. М. как генетическое понятие следует отличать от палеонтологического, введенного Ваагеном (Waagen) в 1869 г. В 1901 г. голландский ботаник де Фриз опубликовал книгу под названием «Мутационная теория». В ней он отчетливо разграничил модификации или флюктуации (см.), представляющие собой мелкие отклонения от средней величины, к-рые являются ненаследственными по своей природе и возникают благодаря многообразным влияниям внешних условий, от М.---резких уклонений от нормы, передающихся по наследству. В настоящее время критерием различия между модификациями и М. является только ненаследственный характер первых и наследственный-последних, а не степень изменения. Де Фриз указал на значение М. как материала для эволюционного процесса и на основании гл. обр. изучения М. у растения Oenothera lamar-ckiana высказал ряд (8) положений своей мутационной теории: о внезапности появления новых элементарных видов, их постоянстве и характере, периодичности М. и т. д. Наблюдения де Фриза не были абсолютно новыми. Животноводы и растение-" воды знали, что иногда в совершенно чистых породах появляются отдельные особи с чрезвычайно уклоняющимися свойствами и что такие новые признаки с самого начала являются наследственными. Дарвин в книге «Прирученные животные и возделанные растения» собрал значительное число таких достоверно установленных случаев скачкообразной изменчивости (анконские и моша-новские овцы, черноплечие павлины и т. д.). В 1894 г. писал о прерывистой изменчивости Бетсон. Непосредственным же предшественником де Фриза был русский ботаник Кор-жинский («Гетерогенезис и эволюция», 1899). Основываясь на большом числе фактов из растительного мира, он установил существование т. н. «гетерогенных» вариаций- вариаций, появляющихся в резком виде у одного единственного экземпляра благодаря каким-то внутренним изменениям половых клеток - и в дальнейшем оказывающихся и 32? наследственными. Взгляды Коржинского являются типичным примером автогенетической точки зрения, т. к. автор подчеркивает полную независимость возникновения наследственных изменений от внешней среды. «Чтобы объяснить происхождение высших форм из низших, необходимо принять у организмов наличие особой тенденции к прогрессу», пишет Коржинский, обнаруживая идеалистическую установку в вопросе о факторах эволюции. Хотя ослиннику (Oenothera), изучение которого позволило де Фризу развить мутационную теорию, оказались присущи весьма сложные и запутанные явления, породившие и сейчас порождающие богатую литературу (т. н. «спор об энотерах»), существование М. было в дальнейшем абсолютно доказано, и сейчас известно множество М. у громадного числа видов животных и растений. После 1901 г. появились по М. у растений работы Баура (львиный зев-Antirrhinum "та^иБ), Корренса (ночная красавица--Mirabilis jalapa), Иста, Джонса, Эмерсона (кукуруза), Блёксли (дурман), Нильсона-Эле (овес) и мн. др. Принципиально важно было также открытие Иогансеном М. в чистых линиях фасоли. М. обнаружены и у животных, причем пальма первенства по числу найденных и изученных М. принадлежит необычайно популярному теперь генетическому объекту-плодовой мушке дрозофиле (Drosophila melanogaster). С 1911 года началось изучение генетики дрозофилы в лаборатории американского ученого Моргана, и с тех пор были получены многие сотни М., в том числе и в СССР. Их анализ позволил установить более точно понятие М., классифицировать их и до известной степени приблизиться к пониманию закономерностей в их появлении. Привычный термин «мутация», употребляемый и Морганом в широком смысле слова для обозначения всякого вновь возникающего наследственного изменения, в действительности объединяет очень разные типы явлений, происходящих в наследственных элементах. Наследственные изменения генотипа могут во-первых обусловливаться изменениями в числе хромосом и различной перегруппировкой отдельных их частей. Эта группа М. может быть названа хромосомными аберрациями (уклонениями от обычного типа). Вторая категория М. охватывает изменения отдельных, единичных наследственных факторов или генов, расположенных по длине хромосомы. Таковы локальные М. (под locus обычно понимают то место, где находится мутировавший ген), или иначе «точковые» мутации или трансгенации (американцы употребляют разную терминологию--point mutations, gene-mutations и т. д.). Хромосомные ненормальности также могут быть очень различными: кратные умножения числа хромосом гаплоидного набора-полиплоидия (триплоидия, тетра-плоидияит. д.); прибавление к нормальному набору или утеря одной, двух, трех и т. д. хромосом-полисомия (моносомия, дисомия и т. д.) и гетероплоидия; перемещения отдельных участков из одной хромосомы в другую-транс локации; удвоение отдель- ных участков-дупликации; выпадения или инактивации участков разной величины- делеции и дефишенси; перевертывание хромосом--инверсии и т. д. Если сначала термин М. относился в первую очередь к появлению новых наследственных признаков, то теперь названием М. обозначаются изменения в генной или хромосомной структуре. Поэтому вполне законен и начинает распространяться термин, предложенный Четвериковым, -- геновариация =мутации в смысле Моргана. По месту возникновения М. можно классифицировать на гаметические, если они происходят в зачатковом пути или гамете, и соматические, если мутирует какая-либо из клеток развивающегося организма (так получаются напр. мозаики у животных и почковые М. у растений). Появившееся вследствие М. изменение будет наследоваться по разному в зависимости от того, где и какая М. произошла (сцепленные с полом и ауто-сомные, доминантные и рецессивные и т. д.). М. очень различны как по числу и степени затрагиваемых ими внешних признаков, так и по жизнеспособности. Здесь встречаются все переходы от изменений мало специфичных, очень разнообразных по своему внешнему выражению, до высоко специфичных, от обладающих вполне нормальной жизнеспособностью до почти или вполне летальных. Одни и те же М., как трансгенации, так и хромосомные аберрации, могут повторяться по многу раз. Морган в. сводке 1925 г. (Genetics of Drosophila) указывает напр., что в locus"е, занимаемом геном «белых глаз» («white»), появилось около 25 изменений, из них 11 разных, причем все они влияли на окраску глаза; столько же раз возникала М. «Notch» (вырезки на крыльях) и т. д. В действительности все эти числа можно значительно увеличить, особенно после применения действия рентген, лучей, при помощи к-рых удается получить как хромосомные нарушения, так и локальные М. в почти неограниченном количестве. Характерно, что наряду с точками, мутирующими многократно, существуют и такие, в к-рых М. наблюдались всего по 1--2 раза. Это как будто бы указывает на разную степень устойчивости и способности меняться отдельных точек хромосом, но возможны и иные объяснения этих фактов. В среднем в обычных лабораторных условиях разведения у дрозофил одна М. возникает на 8- 10 тыс. исследованных особей. Но если принять во внимание, что по внешнему выражению М. могут быть очень различными-от сильных и хорошо заметных до чрезвычайно мелких, о появлении к-рых подчас можно судить лишь окольным путем (напр.»данные Zeleny по подбору числа фасеток, доказывающие возникновение мелких М., влияющих на число фасеток),--действительная частота М. значительно выше. Подсчеты Аль-тенбурга и Меллера (Altenburg, Muller) показали, что приблизительно в 1% ж-хромо-сом дрозофилы возникает летальная М. Локальная М. (трансгенация) одного и того же гена может происходить в разных направлениях, т. е. возникшая М. какого-либо гена может мутировать обратно к исход- ному положению (обратные М.) по схеме A-* Aj-> А. В этом смысле мутационный процесс обратим. Данные по нек-рым генам дрозофилы позволяют судить и о сравнительной скорости «прямого» и «обратного» мутирования (Тимофеев-Ресовский). Когда мы говорим о повторном возникновении одних и тех же М., следует иметь в виду, что критерий идентичности М. весьма условен. М. white («белые глаза») у дрозофилы появлялась много раз, но у нас нет достаточных оснований считать все white одинаковыми. Анализ многих аллеломорфов гена «scute» (Дубинин и др.) показал, что все они отличаются в той или иной степени по своему действию. Это же относится и к обратным М. Обратная М. не всегда (а м. б. даже никогда) является точным возвратом гена к исходному нормальному состоянию. Громадное большинство М., в частности у дрозофилы, возникало в условиях разведения в лаборатории, что раньше давало повод указывать на условия лабораторного содержания как на причину мутационных явлений у дрозофилы. Однако и в природе внутри внешне однородного вида все время возникают М., к-рые в течение долгого времени находятся в скрытом (гетерозиготном) состоянии и насыщают данный вид (Четвериков). Долгое время не удавалось ни вызвать М. путем искусственных воздействий ни даже увеличить частоту их появления. Старые материалы ламаркистов приходилось отбрасывать как неудовлетворительные по методике и построенные на неправильных принципиальных основаниях (см. Ламаркизм, Наследственность и др.), точные же эксперименты га дрозофиле давали отрицательные результаты. В 1927 г. Меллер сообщил, что ему удалось получить у дрозофилы путем воздействия рентгеновск. лучами М. различных типов, причем частота появления М. в эксперименте оказывалась в 150 раз больше, чем в обыкновенных условиях. С этого момента проблема М. вступила в новую фазу. Последующие годы принесли полное подтверждение и углубление данных Меллера на различных животных и растительных объектах. Что касается хромосомных аберраций, то известны уже многие воздействия, физ. и химич. применение к-рых вызывает появление многих хромосомных неправильностей. Но какие еще факторы кроме такого специфического типа лучистой энергии, как рентген, лучи, способны вызывать трансгенации, сказать трудно, хотя они вполне возможны. Были лишь попытки показать роль радиоактивного излучения земли, космического излучения, наконец высокой t° (Goldschmidt, Jollos). С этим непосредственно связан коренной вопрос о причинах М. Генетики в этом вопросе разбиваются на два направления: автогенетиков, признающих, что причина появления М. лежит в самих мутирующих генах, и эктогенетиков, считающих, что М.- результат действия на гены каких-то факторов внешней среды. Одним из ярких представителей автогенетического направления является Коржинский, аналогичные взгляды развивались до последнего времени Морганом и рядом других американок. генетиков, в СССР в пользу автогенеза высказывался Филипченко («Эволюционная идея в биологии»). Эктогенез был отчетливо сформулирован Жоффруа Сент-Илером, отчасти Гек-келем и Спенсером. Ряд советских генетиков, работавших по вопросу об искусственном получении М. действием рентген, лучей (Агол, Левит, Серебровский), остаются по существу на идеалистической позиции автогенетиков, утверждая, что внешние условия вызывают лишь ускорение того процесса возникновения М., который протекает и без экспериментального воздействия. «Мутации закономерно возникают в любой среде, в значительной мере автономно от последней. Среда, окружающая организм, может естественно, трансформируясь внутри организма и его половых клеток, лишь ускорять, усиливать (или, наоборот, замедлять) спонтанно протекающий процесс» (С. Г. Левит). При изучении сущности мутационного процесса необходимо иметь в виду как свойства самих зародышевых клеток и их составных частей (хромосомы, гены), так и специфические (равно и неспецифические) воздействия внешней среды.. * При М. типа хромосомных аберраций в громадном большинстве случаев можно с уверенностью сказать, что произошло в хромосоме или хромосомном комплексе. Прибавления или утери целых хромосом обычно сразу же доказываются цитологическим путем. Но даже такие изменения, как перемещение кусков от одной хромосомы к другой или выпадения участков хромосом, доказываемые генетическим анализом, нередко блестяще подтверждались цитологическими картинами (Painter, Меллер). Не то при трансгенациях. Основанная на Бетсо-новской теории «присутствия-отсутствия» точка зрения, что при трансгенации происходит выпадение участка хромосомы, не может быть признана в какой бы то ни было степени доказанной, хотя принятие ее и заманчиво, т. к. она позволяет набросать единую схему М., охватывающую столь как-будто бы различные типы, как выпадение целых хромосом или их кусков, с одной стороны,и локальные М.--с другой (Серебровский). Считая, что гены-это части (м. б. радикалы) гигантской белковой молекулы (Кольцов), надо думать, что малейшие хим. изменения в них, отрыв одних атомов, замена их другими, должны явиться источниками новых М. Не удивительно, что до сих пор мы достоверно имеем в качестве источника мутационных изменений рентген, лучи и температурные воздействия, т. к, все грубые хим. или механические воздействия бесповоротно нарушают сложную белковую структуру хромосомы. М. в отличие от модификаций являются важным звеном эволюционного процесса, создавая новые признаку, служащие материалом для искусственного и естественного отбора. Учение о наследственной изменчивости (мутациях) вместе с Дарвиновской идеей отбора в основном исчерпывает содержание эволюционной теории. Очередной задачей изучения М. является выяснение закономерностей мутационного процесса в экспериментальных условиях и решение вопроса о факторах, вызывающих М. в природе. В наст, время ведутся работы по изучению влияния темп-ры ультрафиолетовых лучей и др. факторов на мутационный процесс. Серьезного внимания требует и природа реагирующей на внешние воздействия системы, каковой является зародышевая клетка, носительница наследствен, зачатков. М. у человека. Хотя несомненно, что многочисленные известные нам наследственные заболевания или уродства появились благодаря М., число таких случаев, когда появление М. было действительно прослежено, насчитывается единицами. Главное объяснение конечно в том, что исследователю удается проследить лишь очень небольшое число поколений. Чаще всего ^практически же и это чрезвычайно редко) можно проследить появление доминантной М. Если в течение одного или больше поколений ни один представитель семьи не имел соответствующего изменения и если в дальнейших поколениях оно появляется и ведет себя как доминант, мы бесспорно имеем дело с происшедшей М. Таков описанный С. Г. Левитом случай гетерогемофилии в одной семье. Рокицкий считает его бесспорным; если это так, то это пожалуй один из немногих точно зарегистрированных случаев мутации. Кольцов описал случай доминантной шестипалости, а Патлис--клешневидной конечности, где также первое поколение не имедо этого признака. Но даже в случае доминантности изменения возможны ошибки при определении момента М., ;т. к. 1) доминантность может быть неполной,и в силу каких-либо причин, повлиявших на степень доминирования, особенность «перескочит» поколение; 2) если признак или б-нь таковы, что по бытовым условиям старались ее скрывать, детям может остаться неизвестным ее присутствие у отцовского или дедовского поколения. Это обстоятельство все сильнее будет сказываться, чем дальше вверх приходится подыматься по родословной. Рецессивная, но сцепленная с полом М. обнаруживается не на много труднее доминантной. Если М. возникла в половых клетках матери, то уже ее сыновья проявят новую особенность. Пря возникновении М. у отца его дочери будут «носителями» нового гена, но проявят его только их сыновья, т. е. особенность не проявится лишь одно поколение. Возможность проследить рецессивную аутосомную М. значительно меньше. Рецессивное изменение, раз возникнув, может неопределенно долгое время находиться в скрытом состоянии, пока не произойдет брак между двумя гетерозиготами. Поэтому, наблюдая видимое появление какого-либо рецессивного признака, мы в громадном большинстве случаев должны искать ту М., результатом к-рой он является, в глуби веков. Наглядным образчиком, продолжительности нахождения рецессивного гена в гетерозиготном состоянии может служить описанный Рютимейе-ром и Фреем (Riitimeyer, Frey) случай Фридрейховекой атаксии у 20 б-ных одной швейцарской деревушки. Оказалось, что их общий предок жил в 16 в. и отстоит от обследованных семей на 11-12 поколений. Но при всех трудностях отыскания М. у человека поиски их бесспорно необходимы и имеют большое значение при изучении наследственности человека (см. также Соматическая мутация). Лит.: Вавилов Н., Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, Саратов, 1920; Кольцов Н., Об экспериментальном получении мутаций, Ж. эксп. биологии, т. VI, в. 4, 1930; Коржи н с к и й С, Гетерогенезис и эволюция, Зап. Росс, академии-наук, том IX, кн. 2, 1899; Новейшие экспериментальные работы по искусственному вызыванию мутаций, Усп. эксп. биол., т. VIII, в. 4, 1929; Серебровский А., Хромосомы и механизмы эволюции, Ж. эксц. биологии, сер. Б, т. V, в. 1, 1926; Филипченко Ю., Изменчивость и методы ее изучения, Москва-Ленинград, 1927 (приведена литература); Четвериков С, О нек-рых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики, Журн. экспериментальн. биологии, сер. А, т. II, в. 1, 1926; Muller H., Artificial transmutation of the gene, Science, v. LXVI, p.84, 1927; d e V r i e s H., Die Mutationstheorie, B. I-II, Lpz., 1901-03. См. также лит. к статьям Генетика, Изменчивость и Наследственность. П. Рокицкий.

mutation) - изменение количества или структуры ДНК данного организма. При точечной мутации (point mutation) (или генной мутации (gene mutation)) такому изменению подвергается какой-либо один ген; при хромосомной мутации (chromosome mutation) изменяется структура или количество хромосом. Все виды мутаций являются достаточно редким явлением и могут возникать самопроизвольно или под действием каких-либо внешних агентов (мутагенов). Если мутация возникает в развивающихся половых клетках (гаметах), то она может передаваться по наследству. Мутации в каких-либо других клетках (соматические мутации (somatic mutations)) по наследству обычно не передаются.

МУТАЦИЯ

Скачкообразное изменение генетического материала, вызванное факторами, отличными от нормальных Менделевских рекомбинаций. Мутации становятся частью генетического материала (то есть они генотипичны), хотя их влияние может не проявляться в фенотипе отдельного организма. Большинство мутаций затрагивают отдельные гены, но встречаются также и глобальные изменения хромосом, затрагивающие многие гены. Мутация может также происходить в теле клетки (так называемая соматическая мутация), затем она передается путем митоза этой клетки. С точки зрения адаптивной ценности мутации для отдельного организма, результаты очень случайны; их роль в эволюции опосредована процессом естественного отбора. Вообще говоря, большие (макро) мутации вредны для организма, и, следовательно, они не передаются; малые (микро) мутации, согласно стандартной точке зрения, являются самой "сутью" эволюции.

Мутация

внезапные естественные или искусственно вызванные изменения носителей наследственной информации организма, не связанные с процессом нормального перераспределения (рекомбинации) генов. Способность к М. присуща всем растительным и животным организмам и обусловливает одну из двух основных форм наследственной изменчивости - мутационную изменчивость. Различают три типа мутаций: генные, хромосомные и геномные.

Мутация

лат. mutatio - изменение, перемена) – скачкообразное и стойкое изменение генетического материала, вызванное факторами, отличными от считающихся нормальными Менделевских рекомбинаций генов. Различаются: 1. гаметические мутации (возникающие в генеративных, половых клетках); 2. соматические мутации (возникающие в соматических клетках тела). В зависимости от характера изменений генетического аппарата мутации делятся далее на: 3. геномные мутации (это, например, диплоидия, то есть удвоение генома клетки); 4. хромосомные мутации (например, трисомия, то есть появление какой-то одной дополнительной к нормальным двум хромосомы); 5. генные мутации (например, изменение структуры одного какого-то гена, нескольких генов одновременно); 6. цитоплазматическими называют мутации генов, локализованных вне клеточного ядра. Большинство известных мутаций затрагивает отдельные гены, реже встречаются другие мутации. Роль мутаций в эволюции опосредована процессом естественного отбора. Подавляющее большинство мутаций носит деструктивный, нарушающий жизнеспособность и препятствующий эволюции биологических видов характер. См. Дарвинизм.

МУТАЦИЯ (лат. mutatio изменение, перемена) - всеобщее свойство живых организмов, лежащее в основе эволюции и селекции всех форм жизни и заключающееся во внезапно возникающем изменении генетической информации. Для медицины изучение природы М. чрезвычайно важно с точки зрения профилактики и лечения наследственных болезней (см.).

Внезапное возникновение наследственных изменений было описано еще в 18-19 вв. Это явление было известно и Ч. Дарвину. Однако изучение явления М. началось только после сформирования экспериментальной генетики как науки с начала 20 в. Термин «мутация» в современном понимании стал употребляться в научной литературе с 1901 г. после выхода в свет книги X. de Фриса «Мутационная теория». Ранее словом «мутация» называли особи, отклоняющиеся по своим признакам от нормальных индивидов.

После установления того факта, что генетическая информация записана в молекулах нуклеиновых к-т, в теории М. произошел коренной перелом (см. Ген , Дезоксирибонуклеиновые кислоты). Позже было установлено, что наследуемые изменения могут происходить не только в ДНК хромосом, но и в ДНК цитоплазматических самовоспроизводящихся структур. В этом случае говорят о цитоплазматических М.

Процесс возникновения М. в естественных условиях или в результате экспериментального воздействия различных физ., хим. и биол, факторов называют мутагенезом (см.).

Особь, несущую М., действие к-рой проявляется в фенотипе, называют мутантом. М. могут изменять внешние признаки особи, ее физические особенности, биохим, процессы, нарушать процессы развития, ослаблять жизнеспособность (сублетальные М.) или даже приводить к гибели особи (летальные М.) и т. д. Наряду с М., влияние к-рых на развитие особи выражено отчетливо, существуют М., слабо изменяющие нормальное развитие особи. Такие М. получили название малых. М. могут возникнуть в зародышевых и в соматических клетках, в клетках культуры ткани и, наконец, в выделенных из клеток молекулах ДНК.

По действию М. могут быть вредными, нейтральными и полезными, правда, такая их оценка относительна, поскольку эффект М. зависит от условий окружающей среды. Напр., для бабочек, живущих на березах, М. меланизма вредны, ибо темных бабочек на светлых стволах берез легче обнаруживают птицы. Однако в индустриальных р-нах, где стволы деревьев темнее, М. меланизма стали полезными.

Учитывая значение М. для последующих поколений, их делят на генеративные и соматические. Генеративные М. возникают в зародышевых клетках и переходят в последующие поколения. Соматические М. не передаются потомству. Появляясь в одиночной клетке тела, они наследуются только потомками этой клетки, образуя в организме мутантную ткань. Естественно, что в случае вегетативного размножения соматические М. могут сохраняться длительно. Соматические М. широко известны и для животных организмов. У дрозофилы на ранних стадиях развития глаза нормальный аллель (см. Аллели), определяющий красную окраску глаз, в отдельной клетке может мутировать в аллель, определяющий белую окраску глаз. Клетка, содержащая вновь появившийся аллель, дает начало ткани, занимающей часть глаза, в результате чего на фоне красной окраски в глазу такой дрозофилы появляется сектор белого цвета (см. Мозаицизм). Соматическая М., возникающая на той или иной стадии онтогенеза, генетически выделяет исходную клетку и произошедшую из нее ткань, что в нек-рых случаях позволяет изучить закономерности индивидуального развития. Соматические М. могут оказать серьезное влияние на жизнь особи. Организм человека состоит примерно из 10 14 клеток. Если предположить, что нек-рый определенный ген мутирует с такой низкой частотой, как 10 -8 , то и в этом случае в организме человека должно содержаться более 10 6 клеток, несущих М. только в данном гене. Число генов у человека условно равно 10 5 . Даже если допустить, что частота мутирования предельно низкая (10 -8), все равно получается огромное число мутантных клеток (10 11). Это показывает, что очень большая популяция клеток тела человека испытывает на себе влияние М. Мутабельность, т. е. способность изменяться, резко повышена в клетках раковых опухолей. По-видимому, в ряде случаев появление рака объясняется соматическими М. с последующей тканевой селекцией.

Успешное развитие исследований по культивированию тканей человека позволило в прямых опытах определять частоту М. генов в клетках, а также исследовать генетическую природу злокачественного роста в эксперименте.

Признаки, присущие данному виду, вырабатываются в процессе эволюции и контролируются нормальными аллелями, к-рые обычно доминантны по отношению к другому гену аллельной пары. Очевидно, что мутационный процесс, идущий в нормальных особях, в основном превращает доминантные нормальные аллели в мутантные рецессивные. Однако процесс мутирования обратим. Последующие М. в мутантном гене приводят к появлению не только серии других рецессивных аллелей, но и к возникновению нормальных доминантных аллелей. Изменения нормальных аллелей в мутантные называют прямыми мутациями (А -> а), превращения мутантных рецессивных аллелей в нормальные доминантные - обратными мутациями (а -> А).

В естественных условиях М. появляются под влиянием факторов внешней и внутренней среды и обозначаются термином «естественные (или спонтанные) мутации». М., полученные в условиях эксперимента, называют индуцированными. Агенты, вызывающие М., получили название мутагенов (см.). В процессе естественного мутирования гены мутируют с определенной частотой. Средняя частота М. на один ген в одном поколении у бактерий - 10 -7 , у дрозофилы в зародышевых клетках - 10 -5 и т. д.

В одном и том же организме разные гены мутируют с разной частотой. Из восьми генов эндосперма кукурузы ген, контролирующий окраску, мутирует с частотой 496*10 -6 , ген Wx, контролирующий крахмалистость эндосперма, мутирует в 330 раз реже, с частотой, равной всего лишь 1,5*10 -6 . Частота мутирования остальных шести генов представляет среднюю величину между приведенными крайними значениями.

Определение частоты М. у человека гораздо сложнее, чем у бактерий или растений. Однако в нек-рых случаях она примерно установлена. Так, ген кишечного полипоза мутирует с частотой 10 -4 , а ген прогрессирующей мышечной дистрофии - с частотой 10 -5 . Частота мутирования при прямых М. (А -> а), как правило, выше, чем частота мутирования при обратных М. (а -> А); соотношение прямых и обратных М. характерно для каждого отдельного гена. Если учитывать частоту прямых и обратных М. суммарно по многим генам, то становится ясно, что процесс мутирования - это массовый, статистически хорошо фиксируемый процесс.

В 1921 г. Райт (S. Wright) предложил называть устойчивость массового процесса мутирования термином «давление мутаций», к-рый характеризует естественную жизнь популяций организмов (см. Популяционная генетика). Прямые и обратные М. не обязательно являются скачком от одного состояния только к другому. Рецессивные и доминантные аллели изменяются многообразно, в результате из одного и того же локуса (см.) в разных организмах возникает множество аллелей. Изучение популяций показало, что в нек-рых случаях количество аллелей для отдельных генов исчисляется десятками и даже сотнями. Ген W, локализованный в Х-хромосоме у дрозофилы и определяющий цвет глаз, имеет более десятка аллелей, к-рые контролируют эозиновый, медовый, абрикосовый, вишневый, коралловый и белый цвет глаз плодовых мушек. Ген С + , вызывающий появление серой окраски шерсти у кролика (агути), мутирует в три разных рецессивных аллеля: аллель C ch обеспечивает шиншилловую окраску кролика, аллель С h - белую с черными пятнами (гималайский кролик), аллель с - чисто белую.

Практически всякий ген, испытывая М., дает серию множественных аллелей. Классическим примером серии аллелей служат аллели генов групп крови (см.) у человека.

Антиген А. в эритроцитах появляется при наличии у людей гена IA, антиген В - при действии гена IB. Оба эти гена являются аллельными, их влияние независимо друг от друга, они не связаны доминантностью или рецессивностью. Такое независимое проявление аллелей, когда у гетерозиготных особей возникают два признака под действием двух аллелей, получило название ко доминантности.

Множественные аллели участвуют в создании естественных приспособительных биол, особенностей организмов.

Когда М. происходит в отдельном гене, говорят о генных, или точко-вых М. При изменениях структуры хромосом (структурные М., аберрации хромосом) или их числа, речь идет о хромосомных мутациях. Сущность аберраций хромосом состоит в дислокации участков хромосом, т. е. их перемещении внутри данной хромосомы или между разными хромосомами. В начальный период развития генетики наличие структурных М. хромосом устанавливалось путем генетического анализа (см.) и примитивного наблюдения за хромосомами. Возможность тонкого наблюдения хромосомных мутаций под микроскопом появилась после открытия гигантских хромосом в слюнных железах дрозофилы. В 1930 г. Д. Костов предположил, а Пейнтер (Т. S. Painter) в 1933 г. доказал, что видимая под микроскопом структура этих хромосом, представленная рядом последовательно расположенных дисков, отражает их генетическое содержание. Структурные М. широко представлены в популяциях растений, животных и человека, на их основе осуществляется эволюция видовых кариотипов (см.). Основными типами структурных М. хромосом являются делеции (см.), симметричные и асимметричные транслокации (см.), образование кольцевых хромосом (центрических и ацентрических), дупликации (см.), инверсии (см.).

Транслокации представляют собой обмен фрагментами между разными хромосомами. Это становится возможным при совпадении двух разрывов - одного в одной хромосоме и другого - в другой. Возникающие четыре фрагмента свободно комбинируются друг с другом.

Деления, т. е. потеря участка хромосомы, может произойти в результате одного разрыва хромосомы. Концевой фрагмент, лишенный центромеры, теряется. Такой тип делеций получил название концевых. При появлении двух разрывов средний участок хромосомы выпадает, а концевые фрагменты соединяются в одну хромосому. Так возникают интерстициальные делеции. Размер делеций может быть различным. В тех случаях, когда теряются заметные блоки генов, зиготы погибают. Сравнительно небольшие делеции передаются по поколениям через гетерозиготных особей. Однако при появлении зигот, гомозиготных по утраченному участку, они, как правило, погибают. М., вызванные делецией в этом случае, имеют летальный эффект.

У человека обнаружен ряд делеций, служащих причиной наследственных болезней. Так, концевая нехватка части короткого плеча 5-й хромосомы обусловливает появление так наз. синдрома крика кошки, интерстициальная делеция в 21-й хромосоме является причиной злокачественной анемии.

Явления дупликации, т. е. удвоения какого-либо блока генов в хромосомах, могут служить источником увеличения объема генетической информации видов, они важны с эволюционной точки зрения.

Термин «инверсия» был введен Стертевантом (A. H. Sturtevant) в 1926 г. при изучении кроссинговера у самок дрозофилы; он показал, что срединный участок одной из хромосом 3-й пары перевернут на 180°. Инверсии могут быть одиночными и сложными, последние приводят к заметной перестановке блоков генов. В случае, если при образовании инверсии оба разрыва проходят по одну сторону от центромеры, образуется парацентрическая инверсия. Такая инверсия не изменяет морфологии хромосом. Однако у гетерозиготных особей на инвертированном участке для заключенного в ней блока генов не происходит кроссинговера (см. Рекомбинация). Это обеспечивает наследование этого блока целиком. Если инверсия захватывает центромеру, то возникает перицен-трическая инверсия. Когда две инверсии непосредственно примыкают друг к другу, появляются так наз. тандемные инверсии. Этот тип инверсий имеет две формы: прямую тандемную инверсию (при сохранении обеими инверсиями исходно свойственных их блокам генов в хромосоме) и обратную тандемную инверсию, когда блоки генов, заключенные в инверсиях, меняются местами. При наличии одной инверсии вторая может произойти на ее внутреннем участке. Этот тип хромосомных М. называют включенной инверсией. Если вторая инверсия происходит с частичным захватом части материала первой инверсии и части генов из соседнего нормального района хромосомы, то ее называют заходящей. Причиной отсутствия на участке инверсии у гетерозиготных особей обмена генами являются биол, последствия кроссинговера. У гетерозиготной особи, имеющей нормальную хромосому - 12345678 и хромосому с инверсией - 12654378, кроссинговер на участке 5-6 приведет к появлению двух кроссинговерных хромосом - 126678 и 123455437 8. В половине таких хромосом часть генов потеряна, а в другой половине часть генов представлена в удвоенном количестве. Такие последствия кроссинговера наблюдают при парацентрических и перицентрических инверсиях. В последнем случае, кроме того, появляется хроматида с двумя центромерами (дицентрики) и фрагмент без центромеры. Появление несбалансированной хромосомы в зиготе приводит ее к гибели. Явление, когда у особей часть зигот регулярно погибает, а другая часть оказывается нормальной, получило название полустерильности.

Явление транслокации, лежащее в основе еще одного типа хромосомной М., состоит в переносе участка хромосомы на другую хромосому или в другое место той же хромосомы. В большинстве случаев при транслокациях хромосомы обмениваются участками. Эти транслокации назвали взаимными, в отличие от невзаимных транслокаций, когда средний участок одной хромосомы вставляется в другую хромосому. В этом случае для образования срединного фрагмента в одной хромосоме необходимы два разрыва. Хромосома, в к-рую вставляется посторонний срединный участок, разрывается в одном месте. Взаимные транслокации бывают двух видов: 1) симметричные, возникающие при таком обмене участками, когда в каждой хромосоме сохраняется по одной центромере (подобные транслокации связаны с сохранением всего генетического материала, к-рый по-разному распределяется между хромосомами, они передаются последующим поколениям); 2) асимметричные, наблюдающиеся при слиянии двух центромерных фрагментов и образовании дицентрической хромосомы. Соединение двух ацентрических фрагментов ведет к появлению одного ацентрического фрагмента. Во время репликации (см.) хромосом в фазе синтеза ДНК дицентрическая хромосома и ацентрический фрагмент удваиваются. В первом же митозе ацентрические фрагменты теряются. Что касается дицентрика, то он или образует хромосомный мост и рвется, или, при отхождении обеих центромер к одному полюсу, попадает в дочернюю клетку. Через ряд митозов дицентрик теряется. Симметричные транслокации благодаря действию сил притяжения гомологичных локусов в профазе мейоза (см.) образуют крестообразную конфигурацию. При расхождении из такой фигуры хромосомы часто образуют кольцо, состоящее из четырех хромосом. Поскольку симметричные транслокации сопровождают лишь перераспределение генного материала, особи, гетерозиготные по транслокациям, наряду с нормальными дают гаметы с нарушениями в виде больших дупликаций или делеций. Зиготы, возникающие при участии таких гамет, погибают, что приводит к полусте-рильности растений и животных, гетерозиготных по взаимной транслокации. Транслокации не только изменяют порядок генов, но и число хромосом в связи с приобретением или потерей центромер.

Своеобразным типом структурных М. служит появление кольцевых хромосом. В норме у животных и растений в кариотипе кольцевые хромосомы не встречаются. Образование кольцевой хромосомы связано с возникновением в одной хромосоме двух разрывов, в результате чего образуются два концевых и один срединный фрагмент. Срединный участок соединяется местами разрывов и замыкается в кольцо. Если срединный участок хромосомы включал центромеру, то возникает центрическое кольцо. Такая кольцевая хромосома передается поколениям клеток и организмов. Если кольцевая хромосома образуется из срединного участка хромосомы, лишенного центромеры, возникает ацентрическая кольцевая хромосома.

Существует два типа М. числа хромосом: анеуплоидия, т. е. потеря или появление дополнительных хромосом (единицей М. служат одна или несколько хромосом, число к-рых меньше, чем гаплоидный набор); гаплоидия и полиплоидия, кратное изменение числа хромосом, при них единицей М. служит гаплоидный набор хромосом (n). Гаплоидия - потеря целого набора (2n - n). Полиплоидия возникает при добавлении целых наборов (2n + n, 2n + 2n и т. д.). Особи, несущие три набора хромосом, называются триплоидами (Зn), четыре набора - тетраплоидами (4n) и т. д. Анеуцлоидии возникают в процессе митоза или мейоза, как правило, вследствие нерасхождения гомологичных хромосом. Для диплоидов характерны следующие типы анеу-плоидии: нулисомия - потеря пары гомологичных хромосом (2n - 2r, где r обозначает гомолог); моносомия - потеря одной хромосомы из какой-либо пары (2n - 1); трисомия - появление одной лишней хромосомы (2n + 1); тетрасомия - наличие двух лишних гомологичных хромосом (2n + 2r). При более сложных явлениях возможна двойная моносомия (2n - 1 - 1), двойная трисомия (2n + 1 + 1), сочетание двух типов (2n - 1, 2n + 1) и т. д. Анеу-плоидии вызывают нарушение генного баланса и, как правило, заметно изменяют признаки особи. Тетрасомия позволяет локализовать гены в определенных хромосомах, т. к. наличие четырех хромосом создает систему из трех аллелей у одного из родителей, что изменяет характер расщепления.

Анеуплоидии у человека объясняют появление целого ряда наследственных болезней. Впервые ане-уплоидию у человека обнаружили Ж. Лежен и др. в 1959 г. при анализе хромосом больного болезнью Дауна (см. Дауна болезнь). Оказалось, что больные имеют трисомию по 21-й хромосоме, регулярно возникающую с частотой 1 на 700 рождений. С частотой 1 на 5000 яйцеклеток вследствие нерасхождения X-хромосом возникает яйцеклетка, лишенная половой хромосомы (см. Пол). Женщины с генотипом ХО несут признаки синдрома Шерешевского - Тернера (см. Тернера синдром). В результате нерасхождения X-хромосом появляются люди с 47 хромосомами, включающими набор XXY. Дети XXY оказываются мальчиками с так наз. синдромом Клайнфелтера (см. Клайнфелтера синдром). Обнаружены и другие анеуплоидные изменения у человека, в частности трисомия и тетрасомия по Х-хромосоме и комбинированная трисомия. Сложные нарушения, числа половых хромосом обнаружены у мужчин (XXXY, XXYY, XXXXY, XYY) и женщин (ХХХХ, ХХХХХ). Анеуплоидия часто возникает как соматическая М. В случае соматической М. анеуплоидия в результате нерасхождения гомологов в митозе проявляется как хромосомная мозаика, при к-рой одни ткани имеют нормальный набор хромосом, а другие - состоят из клеток с анеуплоидным числом хромосом. У человека обнаружены хромосомные мозаики по половым хромосомам: ХО/ХХ, XO/XY, XX/XY, XXY/XX хх/ххх, ххх/хо, хххх/ххххх и др. (см. Хромосомные болезни).

Термином «гаплоидия» или «моно-плоидия» обозначают наличие в геноме только одного гомолога из каждой пары хромосом. У высших растений и животных диплоидность хромосом (парность аллелей) заключает в себе одно из преимуществ полового размножения, жизнеспособности организма при индивидуальном развитии, т. е. является важнейшим генетическим явлением.

Полиплоидия широко представлена у растений. Полиплоидные растения отличаются от диплоидных многими морфол., физиол, и биохим, особенностями. Их клетки и ядра имеют большие размеры, чем у диплоидов. Общие размеры растений, их цветки, семена и плоды увеличены.

Полиплоидия у животных распространена меньше, чем у растений. Это связано с тем, что для животных большое значение имеет генный баланс между половыми хромосомами и аутосомами. Отклонение от диплоидности у животных часто вызывает стерильность. Полиплоидные виды обнаружены среди червей, насекомых, ракообразных, рыб, амфибий, рептилий и других животных. Среди этих форм нек-рые виды утратили способность к половому размножению. Связь партеногенеза с по-липлоидностью установлена у рачков рода Artemia, мокриц Trichoni-seus, бабочек Solenobia и др. Тетра-плоидными формами, размножающимися половым путем, являются отдельные виды рыб, южноамериканская лягушка Odontophymis ame-ricanus и нек-рые другие организмы. Тихоокеанские лососи являются полиплоидами, то же касается ряда видов карповых рыб.

Причиной генных, или так наз. точечных, М. является замена одного азотистого основания в молекуле ДНК на другое, потеря, вставка или перестановка азотистых оснований в молекуле ДНК. В результате генных М. у человека могут развиться патол, состояния, патогенез к-рых различен. Потеря одного или нескольких нуклеотидов (деле-ция) может привести к нарушению последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи кодируемого белка, т. е. к нарушению его первичной структуры. Делеция нескольких нуклеотидов может привести к полному прекращению синтеза белка, кодируемого мутантным геном. Аналогичный эффект возможен в случае превращения триплета, кодирующего включение в полипеп-тидную цепь определенной аминокислоты, в триплет, кодирующий окончание синтеза полипептидной цепи.

Генная М., не изменяя количество синтезируемого белка, может изменить его конформацию и тем самым - его ферментативную активность вплоть до полного ее исчезновения, и, наоборот, не влияя на ферментативную активность белка,- изменить скорость его синтеза, синтеза его ингибитора или активатора. Все это в конечном итоге приводит к развитию энзимопатий (см.).

Все генетическое разнообразие людей так или иначе является следствием М. Средняя частота возникновения М. на одну гамету человека оказалась близкой к 1*10 -5 . Частота М. нормального аллеля в аллель гемофилии (см.) или в аллель альбинизма (см.) составляет 3*10 -5 . Клетки костного мозга человека в культуре ткани мутируют от нормального аллеля в аллель устойчивости к 8-азагуанину с частотой 7*10 -4 .

Огромный полиморфизм в популяциях человека существует не только за счет отдельных генов, но и за счет их сочетаний, создающих полиморфные системы ферментов, групп крови, изменчивости по аллелям тканевой несовместимости в локусе HLA и др.

Библиография: Ауэрбах Ш. Проблемы мутагенеза, пер. с англ., М., 1978; Б а-р а ш н e в Ю. И. и Вельти-щ e в Ю. Е. Наследственные болезни обмена веществ у детей, JI., 1978; Бердышев Г. Д. и Криворучко И. Ф. Генетика человека с основами медицинской генетики, Киев, 1979; Б о ч-ков H. П. Генетика человека, М., 1978; Дубинин Н. П. Общая, генетика, М., 1976; М а к к ь ю с и к В. А. Наследственные признаки человека, пер. с англ., М., 1976; McKusick Y. Mendelian inheritance in man, Baltimore, 1978.

Под мутацией понимают изменение количества и структуры ДНК в клетке или у организма. Другими словами, мутация - это изменение генотипа . Особенностью изменения генотипа является то, что это изменение в результате митоза или мейоза может быть передано следующим поколениям клеток.

Чаще всего под мутациями понимают небольшое изменение в последовательности нуклеотидов ДНК (изменения в одном гене). Это так называемые . Однако кроме них существуют и , когда изменения затрагивают крупные участки ДНК, или меняется количество хромосом.

В результате мутации у организма внезапно может появиться новый признак.

Мысль, что именно мутация является причиной появления новых передающихся через поколения признаков, была впервые высказана Гуго де Фризом в 1901 году. Позже мутации у дрозофилы были изучены Т. Морганом и сотрудниками его школы.

Мутация - вред или польза?

Мутации, происходящие в «незначащих» («молчащих») участках ДНК, не изменяют признаки организма и могут спокойно передаваться из поколения в поколение (на них не будет действовать естественный отбор). Такие мутации можно считать нейтральными. Также нейтральными являются мутации, когда участок гена заменяется на синонимичный. При этом, хотя последовательность нуклеотидов в определенном участке и будет отличаться, но синтезироваться будет такой же белок (с той же последовательностью аминокислот).

Однако мутирование может затронуть значащий ген, изменить аминокислотную последовательность синтезируемого белка, а, следовательно, вызвать изменение признаков организма. В последствии, если концентрация мутации в популяции достигнет определенного уровня, то это приведет к изменению характерного признака всей популяции.

В живой природе мутации возникают как ошибки в ДНК, поэтому все они априори вредны. Большинство мутаций понижают жизнеспособность организма, вызывают различные заболевания. Мутации, возникающие в соматических клетках, не передаются следующему поколению, но в результате митоза образуются дочерние клетки, составляющие ту или иную ткань. Нередко соматические мутации приводят к образованию различных опухолей и других заболеваний.

Мутации, возникающие в половых клетках, могут быть переданы следующему поколению. В стабильных условиях внешней среды почти все изменения генотипа оказываются вредными. Но если условия среды изменились, то может оказаться, что ранее вредная мутации станет полезной.

Например, мутация, вызывающая образование коротких крыльев у какого-нибудь насекомого, скорее всего будет вредна в популяции, живущей в местах, где нет сильного ветра. Данная мутация будет сродни уродству, заболеванию. Обладающие ею насекомые с трудом будут находить партнеров для спаривания. Но если на местности начнут дуть более сильные ветры (например, в результате пожара участок леса был уничтожен), то насекомых с длинными крыльями будет сносить ветром, им будет тяжелее перемещаться. В таких условиях преимущество могут получить короткокрылые особи. Они чаще длиннокрылых будут находить партнеров и пищу. Через некоторое время в популяции окажется больше короткокрылых мутантов. Таким образом, мутация закрепится и превратится в норму.

Мутации лежат в основе естественного отбора и в этом их основная польза. Для организма же подавляющее число мутаций - это вред.

Почему возникают мутации?

В природе мутации возникают случайно и спонтанно. То есть любой ген в любой момент времени может мутировать. Однако частота мутаций у разных организмов и клеток различна. Например, она связана с продолжительностью жизненного цикла: чем он короче, тем мутации возникают чаще. Так у бактерий мутации возникают намного чаще, чем у организмов-эукариот.

Кроме спонтанных мутаций (случающихся в естественных условиях) бывают индуцированные (человеком в лабораторных условиях или неблагоприятными условиями среды) мутации .

В основном мутации возникаю в результате ошибок при репликации (удвоении), репарации (восстановлении) ДНК, при неравном кроссинговере, неправильном расхождении хромосом в мейозе и др.

Так в клетках постоянно происходит восстановление (репарация) поврежденных участков ДНК. Однако если в следствие различных причин механизмы репарации нарушаются, то ошибки в ДНК будут оставаться и накапливаться.

Результатом ошибки при репликации становится замена одного нуклеотида в цепочке ДНК на другой.

Что вызывает мутации?

Повышенный уровень мутаций вызывает рентгеновское излучение, ультрафиолетовые и гамма-лучи. Также к мутагенам относятся α- и β-частицы, нейтроны, космическое излучение (все это частицы, обладающие высокой энергией).

Мутаген - это то, что способно вызывать мутацию.

Кроме различных излучений, мутагенным действием обладают многие химические вещества: формальдегид, колхицин, компоненты табака, пестициды, консерванты, некоторые лекарственные препараты и др.

Окружающая среда играет не последнюю роль в формировании организмов. Несмотря на то, что репликация ДНК происходит с феноменальной точностью, время от времени происходит сбой программы, или мутация. Причиной сбоя может быть наследственная дисфункция ДНК, однако, часто это проявление возможного влияние окружающего мира.

Следует иметь в виду, что вся классификация мутаций в достаточной степени условна и зависит во многом от того, в каких условиях происходит жизнедеятельность конкретного организма.

Скажем, некоторые насекомые мутировали и приобрели иммунитет к действию ДДТ и прочим инсектицидам до того, как впервые встретились с их разрушительным воздействием на популяцию. Следовательно, сначала их мутация была нейтральной, не воздействующей на организм и способ жизнедеятельности. Но после того как эта мутация помогла насекомым выжить в критических условиях, она стала полезной.

Сторонники мутационной теории эволюции считают сами мутации явлениями случайными. При этом высоко оценивая «естественный отбор», в чьи функции входит оценка мутационных изменений и пресечение развития вредных мутаций организма.

Особую роль в развитии отдельного вида играют такие хромосомные и геномные мутации как полиплоидия (увеличение числа хромосом) и дупликации (изменения некоторых участков хромосом). Они создают некий генетический резерв вида, обеспечивая эволюционному процессу свободу маневра, увеличивая количество генов с абсолютно новыми свойствами.

Видео по теме

Мутации могут быть генными, хромосомными или геномными. Все они в той или иной степени затрагивают генотип и сказываются на жизни организма или последующих поколений. Значительно повышают вероятность мутаций мутагенные факторы.

Генные мутации

Наиболее часто встречаются генные, или точечные, мутации. Они представляют собой замену в пределах одного гена на другой, «неправильный» нуклеотид. Такое бывает, когда во время редупликации ДНК перед делением клетки вместо комплементарного азотистого основания (аденин – тимин, гуанин – цитозин) к нуклеотиду «подстраивается» неправильное сочетание (например, аденин – цитозин или тимин – гуанин). Так появляются мутации, которые передаются следующим поколениям клеток, а если речь идет о половых клетках – гаметах – то и следующему поколению организмов. В большинстве случаев генные мутации приводят к неблагоприятным изменениям, ведь «испорченные» гены кодируют белки с искаженной структурой, которые не смогут выполнять свои функции в организме.

Хромосомные мутации

Когда затрагивает несколько генов в пределах хромосомы, такую называют хромосомной. Это может быть отрыв концевой части хромосомы (утрата), «вырезание» срединного фрагмента (делеция), удвоение участка (дупликация), разворачивание фрагмента на 180˚ (инверсия). При транслокации, являющейся также одним из видов хромосомных мутаций, участок хромосомы прикрепляется к другой, негомологичной ей.

Почему возникают хромосомные мутации

Хромосомные мутации обычно возникают в процессе деления клеток. При неравном кроссинговере, к примеру, одна из гомологичных хромосом может лишиться вообще каких-либо генов, а другая – приобрести «лишние».

Какие из хромосомных мутаций наиболее опасны

Самые опасные из хромосомных мутаций – делеция и утрата. Утрата концевой части 21-й хромосомы вызывает у человека развитие острого лейкоза – белокровия, что приводит к смертельному исходу. Последствия делеции варьируются от смерти и тяжелых наследственных заболеваний до отсутствия нарушений вообще (если утрачивается фрагмент, не несущий информации о свойствах организма).

Геномные мутации

Наиболее «масштабными» являются геномные мутации, когда в генотипе отсутствует какая-либо хромосома или наоборот присутствует лишняя. Такое может произойти при неправильном расхождении (или нерасхождении) хромосом при образовании гамет в мейозе. Так, нерасхождение 21-й хромосомы в яйцеклетке женщины в случае ее оплодотворения вызывает у ребенка синдром Дауна.