9.4 Мутационная изменчивость. Теория х. Де Фриза. Классификация

и характеристика мутаций

Мутационная изменчивость — это такой тип изменчивости, при ко-

торой происходит скачкообразное, прерывистое изменение наследственно-

го признака. Мутации — это внезапно возникающие стойкие изменения

генетического аппарата, включающие как переход генов из одного аллель-

ного состояния в другое, так и различные изменения структуры генов, чис-

ла и структуры хромосом, плазмогенов цитоплазмы.

Термин мутация впервые был предложен Х. де Фризом в его труде

«Мутационная теория» (1901–1903). Основные положения этой теории:

1. Мутации возникают внезапно, новые формы вполне устойчивы.

2. Мутации являются качественными изменениями.

3. Мутации могут быть полезными и вредными.

4. Одни и те же мутации могут возникать повторно.

Все мутации делят на группы (таблица 11). Первостепенная роль при-

надлежит генеративным мутациям, возникающим в половых клетках. Ге-

неративные мутации, вызывающие изменение признаков и свойств организ-

ма, могут быть обнаружены, если гамета, несущая мутантный ген, участвует

в образовании зиготы. Если мутация доминантна, то новый признак или

свойство проявляются даже у гетерозиготной особи, происшедшей из этой

гаметы. Если мутация рецессивная, то она может проявиться только через не-

сколько поколений при переходе в гомозиготное состояние. Примером гене-

ративной доминантной мутации у человека может служить появление пузыр-

чатости кожи стоп, катаракты глаза, брахифалангии (короткопалость с недос-

таточностью фаланг). Примером спонтанной рецессивной генеративной му-

тации у человека можно рассматривать гемофилию в отдельных семьях.

Таблица 9 — Классификация мутаций

№

п/п Классифицирующий фактор

I По мутировавшим клеткам

Название мутаций

1. Генеративные.

2. Соматические.

II По характеру изменения генотипа 1. Генные (точковые).

2. Хромосомные перестройки (дефишенси,

делеции, дупликации и инверсии).

3. Межхромосомные перестройки (транслокации).

4. Геномные мутации (полиплоидия, анеуплоидия).

5. Цитоплазматические мутации.

III По адаптивному значению

1. Полезные.

2. Вредные (полулетальные, летальные).

3. Нейтральные.

77

IV По причине, вызвавшей мутацию 1. Спонтанные.

2. Индуцированные.

Соматические мутации по своей природе ничем не отличаются от ге-

неративных, но их эволюционная ценность различна и определяется типом

размножения организма. Соматические мутации играют роль у организмов с

бесполым размножением. Так, у вегетативно размножающихся плодовых и

ягодных растений соматическая мутация может дать растения с новым му-

тантным признаком. Наследование соматических мутаций в настоящее время

приобретает особое значение в связи с изучением причин возникновения рака

у человека. Предполагают, что для злокачественных опухолей превращение

нормальной клетки в раковую происходит по типу соматических мутаций.

Генные или точковые мутации — это цитологически невидимые

изменения хромосом. Генные мутации могут быть как доминантными, так

и рецессивными. Молекулярные механизмы генных мутаций проявляются

в изменении порядка нуклеотидных пар в молекуле нуклеиновой кислоты

в отдельных сайтах. Сущность локальных внутригенных изменений может

быть сведена к 4-м типам нуклеотидных перестроек:

1. Замена пары оснований в молекуле ДНК:

а) транзиция: замена пуриновых оснований на пуриновые или пири-

мидиновых на пиримидиновые;

б) трансверзия: замена пуриновых оснований на пиримидиновые и

наоборот.

2. Делеция (выпадение) одной пары или группы оснований в молекуле ДНК.

3. Вставка одной пары или группы оснований в молекуле ДНК.

4. Дупликация — повтор нуклеотидной пары.

5. Перестановка положения нуклеотидов внутри гена.

Изменения в молекулярной структуре гена ведут к новым формам

списывания с него генетической информации, нужной для протекания

биохимических процессов в клетке, и приводит к появлению новых

свойств в клетке и организме в целом. По-видимому, точковые мутации

являются наиболее важными для эволюции.

По влиянию на характер кодируемых полипептидов точковые мута-

ции могут быть представлены в виде 3-х классов:

1. Миссенс-мутации — возникают при замене нуклеотида внутри ко-

дона и обусловливают подстановку в определенном месте в цепи полипеп-

тида одной неверной аминокислоты. Физиологическая роль белка изменя-

ется, что создает поле для естественного отбора. Это основной класс точ-

ковых, внутригенных мутаций, которые появляются в естественном мута-

генезе под воздействием радиации и химических мутагенов.

2. Нонсенс-мутации — появление внутри гена терминальных кодо-

нов за счет изменения отдельных нуклеотидов в пределах кодона. В ре-

зультате процесс трансляции обрывается в месте появления терминального

78

кодона. Ген оказывается способным кодировать только обрывки полипеп-

тида до места появления терминального кодона.

3. Мутации сдвига рамки чтения возникают при появлении внутри

гена вставок и делеций. В этом случае после измененного сайта изменяется

все смысловое содержание гена. Это вызывается новой комбинацией нук-

леотидов в триплетах, поскольку триплеты после выпадения или вставки

приобретают новый состав в силу сдвига на одну пару нуклеотидов. В ре-

зультате вся цепь полипептида после места точковой мутации приобретает

другие неверные аминокислоты.

Хромосомные перестройки возникают в результате разрыва участков

хромосомы и их перекомбинаций. Различают:

1. Дефишенси и делеции — нехватка, соответственно концевого и

срединного участка хромосомы.

2. Дупликации — удвоение или умножение тех или иных участков

хромосомы.

3. Инверсии — изменение линейного расположения генов в хромосо-

ме вследствие переворота на 180° отдельных участков хромосомы.

Межхромосомные перестройки связаны с обменом участками меж-

ду негомологичными хромосомами. Такие перестройки получили название

транслокации.

Геномные мутации затрагивают геном клетки и вызывают изменение

числа хромосом в геноме. Это может происходить за счет увеличения или

уменьшения числа гаплоидных наборов или отдельных хромосом. К ге-

номным мутациям относят полиплоидию и анеуплоидию.

Полиплоидия — геномная мутация, состоящая в увеличении числа

хромосом, кратному гаплоидному. Клетки с разным числом гаплоидных

наборов хромосом называются: 3n — триплоидами, 4n — тетраплоидами и т. д.

Полиплоидия приводит к изменению признаков организма: увеличению

плодовитости, размеров клеток, биомассы. Используется в селекции расте-

ний. Полиплоидия известна и у животных, например, у инфузорий, тутово-

го шелкопряда, земноводных.

Анеуплоидия — изменение числа хромосом, некратное гаплоидному

набору: 2n+1; 2n-1; 2n-2; 2n+2. У человека такие мутации вызывают пато-

логии: синдром трисомии по Х-хромосоме, трисомия по 21-й хромосоме

(болезнь Дауна), моносомия по Х-хромосоме и т. д. Явление анеуплоидии

показывает, что нарушение числа хромосом приводит к изменению в

строении и снижению жизнеспособности организма.

Цитоплазматические мутации — это изменение плазмогенов, при-

водящее к изменению признаков и свойств организма. Такие мутации ста-

бильны и передаются из поколения в поколение, например, потеря цито-

хромоксидазы в митохондриях дрожжей.

По адаптивному значению мутации делят: на полезные, вредные (ле-

79

тальные и полулетальные) и нейтральные. Это деление условно. Между

полезными и летальными мутациями существуют почти непрерывные пе-

реходы вследствие экспрессивности гена. Примером летальных и субле-

тальных мутаций у человека можно назвать эпилойю (синдром, характери-

зующийся разрастанием кожи, умственной отсталостью) и эпилепсию, а

также наличие опухолей сердца, почек, врожденный ихтиоз, амавротиче-

скую идиотию (отложение в ЦНС жирового вещества, сопровождающееся

дегенерацией мозгового вещества, слепотой), талассемию и др.

Спонтанные мутации возникают в естественных условиях без спе-

циального воздействия необычными агентами. Мутационный процесс ха-

рактеризуется, главным образом, частотой возникновения мутаций. Опре-

деленная частота возникновения мутаций характерна для каждого вида ор-

ганизмов. Одни виды обладают более высокой мутационной изменчиво-

стью, чем другие. Установленные закономерности частоты спонтанного

мутирования сводятся к следующим положениям:

а) различные гены в одном генотипе мутируют с разной частотой

(имеются гены мутабильные и стабильные);

б) сходные гены в разных генотипах мутируют с разной частотой.

Каждый ген мутирует относительно редко, но т. к. число генов в генотипе

велико, то суммарная частота мутирования всех генов оказывается довольно

высокой. Так, у человека частота возникновения мутаций в популяции состав-

ляет для талассемии 4Ч10–4, альбинизма — 2,8Ч10–5, гемофилии — 3,2Ч10–5.

На частоту спонтанного мутагенеза могут влиять особые гены — ге-

ны-мутаторы, которые могут резко изменять мутабильность организма.

Такие гены открыты у дрозофилы, кукурузы, кишечной палочки, дрожжей

и других организмов. Допускается, что гены-мутаторы изменяют свойства

ДНК-полимеразы, влияние которой ведет к массовой мутации.

На спонтанный мутагенез влияют физиологическое и биохимическое

состояние клетки. Так, показано, что в процессе старения частота мутаций

значительно увеличивается. Среди возможных причин спонтанного мути-

рования можно назвать накопление в генотипе мутаций, блокирующих

биосинтез тех или иных веществ, вследствие чего будет происходить чрез-

мерное накопление предшественников таких веществ, которые могут об-

ладать мутагенными свойствами. Определенную роль в спонтанном мути-

ровании человека может играть естественная радиация, за счет которой

можно отнести от 1/4 до 1/10 спонтанных мутаций у человека.

На основании изучения спонтанных мутаций внутри популяций одно-

го вида и при сравнении популяций разных видов Н. И. Вавилов сформу-

лировал закон гомологичных рядов наследственной изменчивости: «Ви-

ды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами на-

следственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в

пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм

80

у других видов и родов». Чем генетически ближе расположены в общей

системе роды, тем полнее сходство изменчивости в их рядах. Главное в за-

коне гомологичных рядов состояло в новом подходе к пониманию прин-

ципов мутаций в природе. Оказалось, что наследственная изменчивость

является исторически сложившимся явлением. Мутации являются случай-

ными, если их брать по отдельности. Однако, в целом, они в свете закона

гомологичных рядов становятся в системе видов закономерным явлением.

Мутации, идущие как бы случайно в разных направлениях, при их

объединении обнаруживают общий закон.

Индуцированный мутационный процесс — возникновение наслед-

ственных изменений под влиянием специального воздействия факторов

внешней и внутренней среды.