Введение в генетику

Однако при  большом числе повреждений ДНК  они могут стать необратимыми. Это связано с тем, что: во-первых, репарационные системы могут  просто не успевать исправлять повреждения, а во-вторых, могут повреждаться сами ферменты систем репарации, необратимые повреждения ДНК приводят к появлению мутаций – стойких изменений наследственной информации. 

 

Физические  мутагены

К физическим мутагенам  относятся: ионизирующее излучение (альфа-, бета-, гамма-, нейтронное и рентгеновское излучение), коротковолновое ультрафиолетовое излучение, СВЧ-излучение, действие экстремальных температур.

Действие ионизирующего излучения основано на ионизации компонентов цитоплазмы и ядерного матрикса. При ионизации возникают высокоактивные химические вещества (например, свободные радикалы), которые различным образом действуют на клеточные структуры. Рассмотрим наиболее изученные механизмы мутагенного воздействия ионизирующего излучения.

1. Непосредственное воздействие частиц с высокой энергией на ДНК, которое приводит к ее разрывам: одиночным (под воздействием гамма-квантов, рентгеновских лучей) или множественных (под воздействием альфа-частиц, нейтронного излучения). Это универсальный механизм возникновения хромосомных перестроек на всех стадиях клеточного цикла, но он действует очень грубо – обычно клетки теряют способность к нормальному делению и погибают. К разрывам ДНК приводит и ультрафиолетовое облучение.

2. Опосредованное воздействие ионизирующих факторов связано с нарушением структуры ферментов, контролирующих репликацию, репарацию и рекомбинацию ДНК. Этот механизм наиболее эффективно действует на синтетической стадии интерфазы. При больших дозах мутагенов клетки погибают. (Поскольку раковые клетки делятся непрерывно, то облучение является универсальным средством подавления развития метастазов при онкологических заболеваниях – непрерывно делящиеся раковые клетки более уязвимы, чем медленно пролиферирующие или непролиферирующие нормальные клетки.)

Опосредованное  воздействие ионизирующих факторов индуцирует самые разнообразные генные и хромосомные мутации. При опосредованном действии ионизирующих факторов их мутагенный эффект может быть снижен с помощью специальных веществ – радиопротекторов. К радиопротекторам относятся различные антиоксиданты, взаимодействующие с продуктами ионизации. В то же время, мутагенный эффект может быть усилен, например, высокая температура повышает мутагенный эффект радиации.

3. Особенности  мутагенного действия ультрафиолетовых лучей. ДНК интенсивно поглощает жесткий ультрафиолет с длиной волны ≈ 254 нм. Основным продуктом является образование нуклеотидных димеров: два нуклеотида, расположенных рядом в одной цепи ДНК, «замыкаются» сами на себя, образуя пары «тимин–тимин» или «тимин–цитозин». При репликации ДНК напротив такой пары в достраивающейся цепи могут стать два любых нуклеотида, т.е. принцип комплементарности не выполняется. Ультрафиолетовый свет – это сравнительно мягкий мутаген, поэтому его широко используют в селекции растений, облучая проростки.

4. Особенности  мутагенного действия экстремальных  температур. Собственный мутагенный эффект экстремальных температур не доказан. Однако очень низкие или очень высокие температуры нарушают деление клетки (возникают геномные мутации). Экстремальные температуры усиливают действие других мутагенов, поскольку снижают ферментативную активность репарационных систем. 

 

Химические  мутагены

К химическим мутагенам  относятся самые разнообразные  вещества. Рассмотрим мутагенное действие некоторых из них.

Алкилирующие агенты. Вызывают алкилирование ДНК (например, метилирование, этилирование и т.д.). В результате при репликации ДНК нарушается принцип комплементарности, и происходит замена нуклеотидных пар: ГЦ → АТ; ГЦ → ЦГ; ГЦ → ТА

Некоторые из алкилирующих агентов в природе не встречаются, их не распознают ферменты защитных систем. Такие вещества называются супермутагенами(например, N-метил-N-нитрозомочевина). Супермутагены применяются в селекции растений для получения индуцированных мутаций; их используют также как стимуляторы роста (в сверхмалых концентрациях).

Гидроксиламин. Избирательно аминирует цитозин, что также нарушает принцип комплементарности при репликации ДНК. В результате происходит замена ГЦ →АТ.

Нитриты. Осуществляют окислительное дезаминирование гуанина, аденина, цитозина. Также нарушается принцип комплементарности при репликации ДНК. В результате происходит замена АТ → ГЦ.

Аналоги оснований. Это вещества, сходные с «обычными» азотистыми основаниями. Однако они способны образовывать комплементарные пары с разными «нормальными» основаниями. Например, при репликации ДНК напротив гуанина вместо цитозина достраивается  5-бромурацил (аналог тимина). В дальнейшем напротив 5-бромурацила достраивается аденин, а напротив аденина – обычный тимин. Этот же процесс может идти и в противоположную сторону. В результате происходят замены: ГЦ → АТ или АТ → ГЦ.

Существует  множество иных химических факторов, обладающих мутагенным, канцерогенным  и тератогенным действием. Например, ионы тяжелых металлов, связываясь с ферментами репликации, репарации и рекомбинации, снижают их ферментативную активность. Таким образом, не являясь собственно мутагенами, ионы тяжелых металлов способствуют появлению мутаций. Кроме того, нужно учесть, что воздействие совершенно разных мутагенов может приводить к сходным результатам.  

 

Опасность загрязнения окружающей среды мутагенами

Проблемы  генетической безопасности 

 

Во второй половине ХХ века над биосферой нависла угроза загрязнения мутагенами. Любая популяция способна выдержать лишь определенный груз мутаций. Увеличение частоты мутаций может привести к снижению устойчивости популяций из-за нарушения генетического гомеостаза.

Необходимо  дальнейшее усиление эколого-генетического  мониторинга – контроля за состоянием окружающей среды на популяционно-генетическом уровне.

В качестве профилактических мер следует использовать развитие «безотходных» технологий, ограничение  производства веществ с мутагенным действием, усиление всех видов контроля за состоянием потенциально опасных предприятий: АЭС, химические и микробиологические производства, научно-промышленные установкибиотехнологического характера.

Существуют  факторы, которые снижают частоту  мутаций – антимутагены. К антимутагенам относятся некоторые витамины–антиоксиданты (например, витамин Е, ненасыщенные жирные кислоты), серосодержащие аминокислоты, а также различные биологически активные вещества, которые повышают активность репарационных систем.   

 

Установлено, что мутагены при определенных условиях оказывают канцерогенное и тератогенное действие. Канцерогены – это факторы, провоцирующие развитие онкологических заболеваний; тератогены – это факторы, провоцирующие развитие различных аномалий, уродств. Тератогенный эффект дают многие лекарственные препараты. Например, в 1960-е гг. на Западе широко использовалось снотворное талидомид, применение которого привело к рождению большого числа детей с недоразвитыми конечностями.

Наряду с тератами – уродствами – часто встречаются морфозы – изменения, которые не ведут к утрате органом его функций. Отличить мутагенное действие оттератогенного сравнительно легко: тераты (уродства) являются ненаследственными модификациями, они предсказуемы (направлены) и не сохраняются в последующих поколениях. Например, серая окраска тела у дрозофилы – это нормальный признак. В то же время известна мутация yellow – желтое тело (эту мутацию легко получить искусственно, обрабатывая родительских особей различными мутагенами; при этом разные мутагены могут давать одинаковый фенотипический эффект). Если же личинкам дрозофилы добавлять в корм азотнокислое серебро, то все эти личинки разовьются в мух с желтым телом. Но, если от этих желтых мух получить потомство и выращивать его на обычной питательной среде, то все потомки вновь станут серыми. Таким образом, в данном случае «пожелтение» тела мух – это не мутация, а модификация, или фенокопия (модификация, по фенотипу копирующая мутацию); азотнокислое серебро в данном случае является не мутагеном, а тератогеном. 

1. Организация  прокариотической клетки. Размножение  прокариот 

 

Прокариоты – это организмы, в клетках которых отсутствует оформленное ядро. Функции ядра выполняет нуклеоид (то есть «подобный ядру»); в отличие от ядра, нуклеоид не имеет собственной оболочки. 

 

Одним из представителей эубактерий является кишечная палочка (Escherichia coli). Кишечная палочка составляет значительную часть содержимого толстого кишечника человека, а также кишечника других животных. Эти бактерии вырабатывают некоторые витамины и препятствуют развитию патогенных бактерий. Однако некоторые формы кишечной палочки вызывают воспаления кишечника – энтериты. Кишечная палочка встречается и вне организма человека: в воде и почве. Кишечная палочка широко используется в биотехнологии.  

 

Общая характеристика прокариот

Тело прокариот, как правило, состоит из одной клетки. Размеры прокариотических клеток изменяются от 0,1-0,15 мкм (микоплазмы) до 30 мкм и более. Большинство бактерий имеет размеры 0,2-10 мкм. Однако при неполном расхождении делящихся клеток возникают нитчатые, колониальные и полинуклеоидные формы (бактероиды). В прокариотических клетках отсутствуют постоянные двумембранные и одномембранные органоиды: пластиды и митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи и их производные. Их функции выполняют мезосомы – складки плазматической мембраны. В цитоплазме фотоавтотрофных прокариот имеются разнообразные мембранные структуры, на которых протекают реакции фотосинтеза. Иногда их называют бактериальными хроматофорами. Специфическим веществом клеточной стенки прокариот являетсямуреин, однако у некоторых прокариот муреин отсутствует. Поверх клеточной стенки часто имеется слизистая капсула. Пространство между мембраной и клеточной стенкой служит резервуаром протонов при фотосинтезе и аэробном дыхании. У подвижных бактерий имеются жгутики, основой которых служит белки флагеллины.

В естественных условиях мутанты, лишенные клеточной  стенки, нежизнеспособны. Поэтому такие  мутанты широко используются в биотехнологии, поскольку не могут существовать вне лабораторных условий (это один из аспектов генетической безопасности).  

 

Специфика строения прокариотической клетки позволяет  выделить прокариот в отдельное  надцарство (или доминион) живой  природы. Изучено около 3 тысяч видов  прокариотических организмов: эубактерии, архебактерии, спирохеты, риккетсии, микоплазмы, миксобактерии, актиномицеты, цианобактерии, а также организмы с неопределенным систематическим положением. Это виды, которые культивируются в лабораторных условиях. Однако существуют прокариоты, которые не выделены в виде чистых культур. Поэтому истинное их видовое разнообразие может достигать 10...100 тысяч видов, а, может быть, и намного больше.

Для оценки уровня биоразнообразия прокариот используются методы метагеномики. Метагеномика – раздел систематики микроорганизмов, основанный на выделении фрагментов ДНК не отдельных биологических видов, а микробоценозов (сообществ микроорганизмов). 

 

Экология  прокариот определяется типами обмена веществ. Свободноживущие гетеротрофные прокариоты (сапротрофы) должны полностью обеспечивать себя всеми необходимыми веществами. Такие организмы называются прототрофными. Однако вследствие мутаций (включая делеции протяженных участков ДНК; у кишечной палочки возможна потеря 15% генома) возникают ауксотрофные биотипы. Например, ауксотрофы по лейцину не могут самостоятельно синтезировать лейцин, а ауксотрофы по биотину не могут синтезировать биотин. Двойные и множественные ауксотрофы нуждаются в поступлении двух и более необходимых органических веществ извне.

В естественных условиях мутанты-ауксотрофы могут  существовать только при наличии недостающих веществ во внешней среде (например, при переходе к комменсализму или паразитизму). Ауксотрофы широко используются в биотехнологии, поскольку не могут существовать вне лабораторных условий (это один из аспектов генетической безопасности).

В природных  условиях прокариоты образуют популяции (генетические неоднородные множества  организмов одного вида) и сообщества из разных видов (микробоценозы). Тогда  возможно явление протокооперации: мутант-ауксотроф может восполнять дефицит необходимых веществ за счет взаимодействия с прототрофами по данному веществу. 

 

Размножение прокариот

Бесполое (вегетативное) размножение прокариот происходит путем деления клеток, которое  называется дроблением. У некоторых  прокариот (актиномицеты) бесполое размножение происходит с помощью спор (конидий).

При размножении  бактерий в искусственных условиях (в ограниченном объеме питательной  среды) в развитии культуры выделяется 4 периода, или фазы.

1 фаза – лаг-фаза. Численность бактерий увеличивается  очень медленно (иногда даже снижается). Бактерии как бы осваивают новую среду.

2 фаза – фаза  экспоненциального роста. Численность  бактерий увеличивается лавинообразно,  в геометрической прогрессии.

3 фаза – стационарная  фаза. Численность бактерий стабилизируется.

4 фаза – фаза  отмирания. Численность бактерий  начинает уменьшаться и вскоре  активных бактерий не остается. Наличие стационарной фазы и  фазы отмирания связано с уменьшением  концентрации питательных веществ  и накоплением вредных продуктов  обмена. 

 

У некоторых видов известен половой процесс (конъюгация). При конъюгации одна из клеток передает генетическую информацию другой клетке. При этом увеличения числа особей не происходит. Перенос генетической информации может происходить с помощью вирусов (трансдукция) или путем прямого переноса ДНК через мембрану (трансформация).