Генные мутации

По характеру действия генные мутации могут быть доминант­ными или рецессивными. Чаще мутантный ген обладает рецессив­ным эффектом. Нормальный аллель подавляет при этом дейст­вие измененного гена. По характеру влияния мутантных генов на контроль биосинтеза белков и ферментов выделяют пять типов мутаций: гипоморфные, гиперморфные, антиморфные, неоморф-ные и аморфные.

Если ген мутирует в рецессивное состояние, то для мутантно-го аллеля чаще всего характерно уменьшение количества того же самого биохимического продукта, синтез которого определяется исходным доминантным аллелем данного гена. Такие мутации называют гипоморфными. При гиперморфных генных мутациях в отличие от гипоморфных количество биохимического продукта, синтезируемого под контролем данного гена, не уменьшается, а увеличивается. К антиморфным генным мутациям относятся му­тации, при которых мутантный аллель вызывает образование продукта, тормозящего синтез или действие продукта исходного аллеля этого гена. Неоморфные генные мутации характеризуются тем, что мутантный аллель определяет синтез в организме биохи­мического продукта, отличающегося от продукта, специфичного для исходного немутантного аллеля и не взаимодействующего с этим продуктом. Иногда в организме в результате данной мута­ции перестает вырабатываться продукт, характерный для данного гена, т. е. ген полностью инактивируется. Такая мутация называ­ется аморфной.

Генные мутации могут представлять дефекты репликации, спирализации, репарации ДНК, посттрансляционные нарушения синтеза структурных белков и т. д.

Молекулярный механизм и причины возникновения генных му­таций. Изучение молекулярной природы генных мутаций пока­зало наличие в структуре ДНК следующих типов изменений, соответствующих участкам отдельных генов: 1) замена (транзи-ции и трансверсии) одних нуклеотидов на другие; 2) вставка или добавление отдельных нуклеотидов в цепочку ДНК; 3) делеция (потеря) отдельных нуклеотидов; 4) делеции групп оснований; 5) инверсия — поворот на 180^е отдельных оснований; 6) транспози­ции — перенос пар оснований внутри гена на новое место.

По характеру влияния на процессы транскрипции и трансля­ции выделяют три основные категории генных мутаций:

1)миссенс-мутации (транзиции, трансверсии). Возни­кают при замене нуклеотида внутри кодона. Это приводит к вставке на определенном месте в цепи полипептида иной амино­кислоты. В результате может измениться физиологическая роль белка, что создает фон для действия естественного отбора;

2) нонсенс-мутации (транзиции, трансверсии) — по-

явление внутри гена концевых кодонов за счет замены отдель­ных оснований в пределах кодонов. В результате процесс транс­ляции обрывается в месте появления терминального кодона;

3) мутации сдвига рамки чтения. Возникают при появлении внутри гена вставок оснований и делеций. Это приводит к изменению смыслового прочтения информации гена в процессах синтеза белка вследствие новых комбинаций основа­ний в триплетах, так как триплеты после выпадения или вставки приобретают новый, состав кодона из-за сдвига на одно основа­ние. В результате вся цепь полипептида после генной мутации в ДНК получает иные аминокислоты. Мутации, возникающие у животных, имеют разную судьбу. Часть прямых мутаций может нивелироваться обратными изменениями генов. В результате об­ратных мутаций полностью или частично восстанавливается ак­тивность мутантного гена. Обратные мутации возникают редко.

Распространение мутации в породе или популяции животных определяется характером ее действия на биологические или хо­зяйственные признаки животных. Мутации могут быть полез­ными, нейтральными и вредными. Так, у овец кара­кульской породы основной окраской шерсти является черная. Однако в результате мутаций появляются животные с целой гаммой расцветок. Шкурки ягнят цветной окраски на мировом рынке ценятся высоко. Поэтому ученые и специалисты стремят­ся создать целые стада с цветной окраской шерсти. В зверовод­стве за счет мутаций получены разных окрасок норки, песцы и лисицы.

Мутации могут затрагивать участки ДНК, ответственные как за качественные, так и за количественные признаки. Однако мута­ции генов, ответственных за проявление количественных призна­ков, труднее улавливать, так как одинарный ген количественного признака обладает слабовыраженным эффектом в отличие от гена, обусловливающего качественный признак. Некоторые мута­ции существенно не влияют на хозяйственные признаки, их отно­сят к категории нейтральных; например у черно-пестрого скота иногда рождаются красно-пестрые телята.

В основном мутации — явление вредное. Они вызывают урод­ства и различные аномалии у животных (подробно примеры таких мутаций приведены в последующих главах).

Понятие о мутабильности генов. Гены-мутаторы. Исследова­ния, проведенные на мухе-дрозофиле и других объектах, указы­вают на различия по частоте мутаций в разных хромосомах. По данным Н. П. Дубинина, частота возникновения летальных му­таций в Х-хромосомах дрозофилы составляет в среднем 0,15 % за поколение; в Y-хромосоме — 0,5 %. Мутация гена, обусловли­вающая желтый цвет мухи, возникает с частотой 0,29 на 10 тыс. гамет, а мутации вырезки на крыльях — 1,5. Таким образом, способность к мутациям у отдельных генов различна.

На дрозофиле, бактерии кишечной палочки и других организ­мах показано наличие генов, ускоряющих спрятанную частоту мутаций в других генах. Эти гены получили название генов-му-таторов. Впервые существование гена-мутатора широкого дейст­вия обнаружил у мухи-дрозофилы Г. Г. Тиняков в 1939 г. Пола­гают, что гены-мутаторы воздействуют на определенные этапы репликации ДНК, например на нарушение нормального синтеза азотистых оснований, изменение свойств ДНК-полимеразы.

Причины и факторы спонтанного мутагенеза. В обычных или естественных условиях среды возникновение мутаций носит как бы случайный характер. Действительно, и у самых опытных ма­шинисток иногда обнаруживают ошибки при перепечатывании текстов, которые могут быть растиражированы в миллионах эк­земпляров газет или книг. Подобно этому не исключается «опе­чатка» при самокопировании или репликации ДНК в одной клетке, которая может стать достоянием целого клона дочерних клеток'йли, если мутантная клетка половая, унаследована всеми клетками потомка.

Спонтанный мутационный процесс зависит как от внутрен­них, так и от внешних (абиотических и биотических) факторов. Среди абиотических факторов наибольшее значение имеют есте­ственный фон радиации, различные химические соединения, по­павшие в биосферу.

Замечено, что мутации чаще встречаются у растений и живот­ных в районах с повышенной естественной и искусственной (техногенной) радиоактивностью.

Частота возникновения спонтанных мутаций зависит от гено­типа, возраста, физиологического состояния организма и т. д. У старых самок ожидаются более частые случаи нерасхождения, хромосом при созревании яйцеклеток. При длительном хранении гамет с большей частотой могут происходить изменения в ДНК. Это вероятно при нарушении сроков осеменения животных.