Мутагенез

Мутагенез - внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (мутаций). Различают естественный (спонтанный) и искусственный (индуцированный) мутагенез.

Механизмы мутагенеза

Последовательность  событий, приводящая к мутации (внутри хромосомы) выглядит следующим образом. Происходит повреждение ДНК. Если повреждение ДНК не было корректно репарировано, оно приведет к мутации. В случае если повреждение произошло в незначащем (интрон) фрагменте ДНК, или если повреждение произошло в значащем фрагменте (экзон) и, вследствие вырожденности генетического кода не произошло нарушения, то мутации образуются, но их биологические последствия будут незначительными или могут не проявиться.

Мутагенез на уровне генома также может быть связан с инверсиями, делециями, транслокациями, полиплоидией, и анеуплоидией, удвоением, утроением (множественной дупликацией) и т. д. некоторых хромосом.

В настоящее  время существует несколько подходов, использующихся для объяснения природы  и механизмов образования точечных мутаций. В рамках общепринятой, полимеразной модели считается, что единственной причиной образования мутаций замены оснований являются спорадические ошибки ДНК-полимераз. В настоящее время такая точка зрения является общепринятой.

Уотсон и Крик предложили таутомерную модель спонтанного мутагенеза. Они объяснили появление спонтанных мутаций замены оснований тем, что при соприкосновении молекулы ДНК с молекулами воды могут изменяться таутомерные состояния оснований ДНК.

Образование мутаций замены оснований объяснялось  образованием Хугстиновских пар. Предполагается, что одной из причин образования мутаций замены основания является дезаминирование 5-метилцитозина,

Естественный мутагенез

Естественный, или спонтанный, мутагенез происходит вследствие воздействия на генетический материал живых организмов мутагенных факторов окружающей среды, таких какультрафиолет, радиация, химические мутагены.

Мутационная теория Х. Де Фриза  и С. И. Коржинского

Основные  положения мутационной теории Коржинского-Де Фриза можно свести к следующим  пунктам:

Мутации внезапны, как дискретные изменения признаков

Новые формы  устойчивы

В отличие  от наследственных изменений, мутации  не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. Они являют собой качественные скачки изменений

Мутации проявляются  по-разному и могут быть как  полезными, так и вредными

Вероятность обнаружения мутаций зависит  от числа исследуемых особей

Сходные мутации  могут возникать неоднократно

Механизмы мутагенеза

Последовательность  событий, приводящая к мутации (внутри хромосомы) выглядит следующим образом. Происходит повреждение ДНК. Если повреждение  ДНК не было корректно репарировано, оно приведет к мутации. В случае если повреждение произошло в незначащем (интрон) фрагменте ДНК, или если повреждение произошло в значащем фрагменте (экзон) и, вследствие вырожденности генетического кода не произошло нарушения, то мутации образуются, но их биологические последствия будут незначительными или могут не проявиться.

Мутагенез на уровне генома также может быть связан с инверсиями, делециями, транслокациями, полиплоидией, и анеуплоидией, удвоением, утроением (множественной дупликацией) и т. д. некоторых хромосом.

В настоящее  время существует несколько подходов, использующихся для объяснения природы  и механизмов образования точечных мутаций. В рамках общепринятой, полимеразной модели считается, что единственной причиной образования мутаций замены оснований являются спорадические ошибки ДНК-полимераз. В настоящее время такая точка зрения является общепринятой.

Уотсон и Крик предложили таутомерную модель спонтанного мутагенеза. Они объяснили появление спонтанных мутаций замены оснований тем, что при соприкосновении молекулы ДНК с молекулами воды могут изменяться таутомерные состояния оснований ДНК.

Образование мутаций замены оснований  объяснялось образованием Хугстиновских пар. Предполагается, что одной из причин образования мутаций замены основания является дезаминирование 5-метилцитозина,

Точечные  мутации

Точечная мутация, или единственная замена оснований, — тип мутации  в ДНК или РНК, для которой  характерна замена одного азотистого основания другим. Термин также применяется  и в отношении парных замен  нуклеотидов. Термин точечная мутация включает так же инсерции и делеции одного или нескольких нуклеотидов.

Хромосомные мутации

Инверсии

Реципрокные транслокации

Делеции

Дупликации и инсерционные транслокации

Геномные  мутации

1. Анеуплоидия

2. Полиплоидия

Ядерные и цитоплазматические мутации

Ядерные мутации — геномные, хромосомные, точечные.

Цитоплазмотические мутации — связанные с мутациями неядерных генов находящихся в митохондриальной ДНК и ДНК пластид — хлоропластов.

Искусственный мутагенез

Искусственный мутагенез широко используют для изучения белков и улучшения их свойств (направленной эволюции (англ.)).

Ненаправленный  мутагенез

Методом ненаправленного мутагенеза в последовательность ДНК вносятся изменения с определенной вероятностью. Мутагенными факторами (мутагенами) могут быть различные химические и физические воздействия — мутагенные вещества, ультрафиолет, радиация. После получения мутантных организмов производят выявление (скрининг) и отбор тех, которые удовлетворяют цели мутагенеза. Ненаправленный мутагенез более трудоемок и его проведение оправдано, если разработана эффективная система скрининга мутантов.

Направленный мутагенез

В направленном (сайт-специфическом) мутагенезе изменения в ДНК вносятся в заранее известный сайт. Для  этого синтезируют короткие одноцепочечные молекулы ДНК (праймеры), комплементарные целевой ДНК за исключением места мутации.

 

Вещества и воздействия, приводящие к возникновению мутаций, получили название мутагенных факторов.

 

Их  можно классифицировать следующим  образом:

1. Физические мутагены.

2. Химические мутагены.

3. Прочие мутагенные  факторы.

Среди физических мутагенов выделяются три  группы: электромагнитные ионизирующие излучения (рентгеновские лучи, γ-лучи, космические лучи), корпускулярные ионизирующие излучения (а- и β-частицы, протоны, нейтроны) и ультрафиолетовые лучи.

Проходя через клетку, ионизирующие излучения вырывают электроны из внешних оболочек атомов веществ  и соединений, находящихся на их пути. Потеря электронов приводит к  тому, что эти вещества и соединения становятся положительно заряженными и, как следствие, более реакционноспособными. Такие измененные вещества могут вступать во взаимодействие с другими, веществами и соединениями и приводить к их изменению.

К числу физических мутагенов, обладающих незначительным мутагенным эффектом, относится повышенная температура. Мутагенный эффект этого фактора наиболее сильно проявляется у организмов с постоянной температурой тела.

Химические  мутагены представлены тысячами разнообразных веществ. Их можно классифицировать следующим образом:

Алкилирующие соединения — вещества с высокой эффективностью, осуществляющие обмен алкильной группы (типа СН2, С2Н5, т. е. остатки нормальных алканов), с другими молекулами, в том  числе молекулами ДНК. К числу  наиболее эффективных мутагенов  этой группы относятся этиленметансульфонат, нитрозоалкилмочевина, нитрозометилмочевяна, нитрозоэтилмочевина, этиленимин, диэтилсульфат, иприт и многие другие.

Аналоги азотистых оснований по своей структуре близки к нормальным азотистым основаниям, входящим в  состав нуклеиновых кислот. К их числу относятся: 5-бромурацил, 5-бром-дезоксиуридин, 5-фтордезоксиуридин, 2-аминопурйн, 8-азагуанин и др.

Акридиновые красители: акридин желтый, акридин оранжевый, профлавин, бромистый  этидий, двуйодистый пропидий и другие.

К четвертой группе химических мутагенов относятся различные вещества, способные вызывать мутации и не относящиеся ни к одной из первых трех групп. Они различны по своему химическому строению, отличаются и по характеру мутагенного действия.

К числу прочих мутагенных факторов можно отнести агенты, постоянно присутствующие в клетках живых организмов или сопутствующие им. Это — вирусы и ДНК, а также агенты неустановленной природы.