Индуцированные мутации бактерий. Химический мутагенез. Радиационный мутагенез. Типы мутаций.

Administrator

Под индуцированным (искусственно вызываемым) мутагенезомпонимают возникновение наследственных изменений в результате воздействияна организм особыми агентами-мутагенами. В зависимостиот природы мутагена различают радиационный и химический мутагенез.

Как известно, частота естественных мутаций невелика и составляетпримерно 10 «5 (в расчете на 1 ген за одно поколение). Индуцированныймутагенез позволяет значительно повысить частоту мутаций.

Таким образом,с помощью данного метода удается обеспечить одно из наиболееважных условий успешной селекции — повышение наследственной изменчивостиселекционируемого материала.Открытие явления индуцированного мутагенеза в 20-30-х годахнашего столетия связано с именами крупных советских и зарубежныхученых: Г. А. Надсона, Г. С. Филиппова, В. В.

Сахарова, М. Е. Лобашева,И. А. Раппопорта (СССР), Г. Меллера, Л. Стадлера (США) и Ш. Ауэрбах(Англия). Позднее, как в области теоретических достижений, так и практическогоприменения данного метода на культурных растениях и микроорганизмах,были достигнуты значительные успехи2.

Основной целью применения индуцированного мутагенеза в селекциирыб, так же как в селекции растений, является увеличение генетическойизменчивости за счет новых (индуцированных) в том числе и полезныхмутаций.

Речь идет в первую очередь о мутациях генов, влияющих на проявлениепризнаков продуктивности: роста, выживаемости, устойчивостик заболеваниям и др. При этом не исключается возможность возникновениякаких-то качественных мутаций, что ведет к появлению особей сновыми, представляющими интерес для селекционера свойствами.

На рыбах уже используется метод химического индуцированного му-1 Более подробные сведения можно найти в специальной публикации [204).2 В работах с домашними животными использование этого метода Затрудненоиз-за их низкой плодовитости.88тагенеза. Разработка этого метода была начата в СССР в середине 60-хгодов по инициативе В. С. Кирпичникова, а в дальнейшем успешно продолженаР. М. Цоем [192, 195 и др.].

Основные сведения, касающиеся закономерностей химического мутагенезау рыб, получены в работах по селекции казахстанского карпа;объектами исследований являлись также пелядь, радужная форель, белыйамур, белый толстолобик, буффало [204].

В работах с рыбами в качестве мутагенов были использованы различныеалкилирующие соединения с высокой биологической активностью(супермутагены): этиленимин (ЭИ), нитрозоэтилмочевина (НЭМ), ди-метилсульфат (ДМС) и др.

Эти соединения, избирательно воздействуяна ДНК хромосом, повреждают ее, что может привести к возникновениюмутаций.

Для получения индуцированных мутаций обычно обрабатывают поло-вые клетки (икру, сперму) или ранние зародыши рыб. Генетический |эффект тем выше, чем доступнее ядро клетки действию мутагена. С этой'точки зрения более эффективна обработка мутагеном зрелых спермиев.

При обработке спермиев снижается также вероятность накопления мутагенав цитоплазме половой клетки и его последующего влияния на разевивающийся зародыш.Мутагенный эффект алкилирующих соединений доказан на примерегенов чешуйного покрова у карпа [192, 204]. Так, при обработке спермыкарпа НЭМ обнаружены мутации аллеля п ->• N и аллеля $-•.

$; при обработкеспермы карпа ДМС эти две мутации обнаружены одновременно.Средняя частота возникновения доминантной мутации ./V среди потомков,полученных с использованием НЭМ и ДМС, составила 1,1 х 10 ~3 (45 му-тантных особей среди 40 323 шт. сеголетков) и была более чем на двапорядка выше частоты естественного мутирования [192].

Другим подтверждением возможности мутагенного эффекта алкилирующихсоединений является повышение частоты хромосомных перестроек(разрывов хромосом, слипаний и др.), что легко регистрируетсяпри анализе эмбриональных митозов (рис. 22).Установлена определенная специфичность мутагенов по характерувызываемых ими мутаций.

Так, например, при обработке спермы карпаНЭМ чаще возникают точковые (генные) мутации, а при обработке спермыДМС — хромосомные перестройки.Косвенным подтверждением мутагенного действия химических соединенийявляется увеличение фенотипической изменчивости различныхпризнаков.У разных видов рыб чувствительность к одному и тому же мутагенуможет быть различной.

При одинаковых дозах воздействия НЭМ на спермин(концентрация мутагена 0,0025—0,02 %) выживаемость эмбрионовв мутагенных потомствах составила (в % от контроля): 36,5—0,0 (белыйтолстолобик), 63,8-0,0 (белый амур) и 111,3-26,1 (карп).

Эти данныесвидетельствуют о меньшей чувствительности к мутагену у полиплоидныхвидов (карп), чем у диплоидных (белый амур и белый толстолобик) [204].Многие мутагены активны в широком диапазоне концентраций, нонаиболее эффективными являются концентрации мутагена, близкие кполулетальным.

89Сравнительная оценка многих алкилирующих соединений с использованиемцитогенетического и других тестов позволила выявить наиболееэффективные мутагены. Ими оказались НЭМ и ЭИ [195].

Мутагенные' потомства первого поколения характеризуются пониженнойвыживаемостью и повышенным числом уродливых особей, что являетсяследствием индуцированных вредных, в том числе летальных доминантныхмутаций. Основная гибель особей — носителей таких мутаций -происходит в эмбриогенезе, начиная с поздней бластулы; значительнаячасть потомков погибает в период вылупления.

Среди жизнеспособнойчасти потомства встречаются разнообразные уроды. Например, в мутагенныхпотомствах карпа обнаружено 23 типа уродств. Разные мутагеныиндуцируют различный спектр аномалий. Наиболее частыми нарушениями(встречающимися при использовании практически всех мутагенов) оказалисьискривление позвоночника, уродства головы и рта.

При высокихдозах мутагенов уроды могут составлять в потомстве 20—30 % [192].Как показали работы с казахстанским карпом [192, 195, 204 и др.

],в мутагенном потомстве первого поколения наблюдается повышеннаяфенотипическая изменчивость пЬ многим количественным признакам,Мутагенным называют потомство, полученное с использованием мутагенов;мутантным — потомство, имеющее какой-либо мутантный признак.90в том числе и по важнейшему показателю продуктивности — массе тела.

В отдельных потомствах коэффициент вариации массы тела возрастал вдва-три раза по сравнению с контролем, а среди потомков появлялисьособи, превышающие по темпу роста лучших контрольных рыб болеечем в два раза. К сожалению, данных о «вкладе» генетических факторовв повышение фенотипической изменчивости и появление такого рода рекордистовпока еще не имеется.

Получение второго и последующих поколений селекции осуществляютобычно без применения мутагенеза. Важнейшей задачей является элиминацияиндуцированных вредных мутаций в селекционируемом материале.В отношении доминантных мутаций это достигается интенсивным отбором.

Гораздо сложнее обстоит дело с вредными рецессивными мутациями,которые при обычном разведении остаются в скрытом состоянии в течениемногих поколений. Для ускоренной элиминации рецессивных мутацийцелесообразно применение индуцированного гиногенеза (см. ниже).У карпа, по имеющимся данным [197], уже во втором гиногенетическомпоколении 80-90 % всех генов переходит в гомозиготное состояние, чтоприводит к фенотипическому проявлению многих рецессивных мутаций.Одновременно таким же путем могут быть выявлены и полезные мутации.Таким образом, использование индуцированного гиногенеза позволяетрезко ускорить мутагенную селекцию. В этой связи индуцированный онтогенезбыл включен в программу селекции казахстанского карпа.Сравнительно недавно на рыбах были начаты Исследования по радиационномумутагенезу с использованием в качестве мутагена ультрафиолета[157,196].Применение индуцированного мутагенеза особенно целесообразнопри сильном истощении генетической изменчивости в селекционируемомстаде (что может быть результатом предшествующей интенсивной селекции),когда обычные методы селекции становятся неэффективными.

Индуцированные мутации

Индуцированные мутации возникают под влиянием внешних факторов, которые называют мутагенами. Мутагены бывают физическими (ултрафиолетовые (УФ) лучи, у-радиация), химическими и биологическими (транспозоны).

Химические мутагены по способу действия на наследственные структуры можно разделить на пять групп:

• 1) окислители и восстановители;
• 2) алкилирующие соединения;
• 3) свободные радикалы;
• 4) аналоги пуринов и пиримидинов;
• 5) интеркалируюшие соединения.

Окислители и восстановители. Окисление обусловлено потерей атомом или молекулой электрона, а восстановление — его приобретением. В отличие от неорганических веществ окисление органических молекул сопровождается потерей ими атома водорода, который при присоединении к другим молекулам вызывает их восстановление.

К мутагенам, вступающим в окислительно-восстановительные процессы, относятся азотистая кислота, фенолы, пероксид водорода в присутствии формальдегида, йод и др.

Реакции азотистой кислоты. Азотистая кислота (НМО2), проникая в клетки, способна дезаминировать азотистые основания. Дезаминированию подвергаются аденин, гуанин и цитозин, в составе которых содержатся Ь1Н2-группы.

В результате дезаминирования аденин превращается в гипоксантин (рис. 6.9)[1]. В отличие от аденина гипоксантин приобретает способность спариваться с цитозином. При репликации ДНК это может привести к замене комплементарно спаренных А—Т на пару Г—Ц. Произойдет изменение в нуклеотидной последовательности ДНК.

При дезаминировании гуанина образуется ксантин. Последний обладает одинаковыми с гуанином водородными связями. В процессе репликации ДНК он, как и гуанин, сохраняет способность комплементарно спариваться с цитозином. Таким образом, дезаминирование гуанина не завершается изменениями нуклеотидной последовательности в молекуле ДНК.

Рис. 6.9. Превращение цитидина в уридин под влиянием азотистой кислоты

При дезаминировании цитозина образуется уридин, который, в отличие от цитозина, способен комплементарно спариваться с аденином. Поэтому в процессе репликации ДНК пара Г—Ц заменится парой А—Т.

Алкилирующие соединения. Это наиболее обширная группа химических соединений, способных ковалентно присоединять алкильные радикалы к активным группам нуклеотидов в молекуле ДНК.

Такой способностью обладают сернистый и азотистый иприты, лекарственные противоопухолевые препараты, являющиеся производными дихлорэтиламина (циклофосфамид, мелфалан), нитрозомочевины (кармустин, ло-мустин), а также алкил сульфонаты (бисульфан, цисплатин) и др.

Они являются источниками для введения в молекулы реагирующих с ними веществ, радикалов метила (СН3), этила (С2Н5), пропила (С3Н7) и др.

Алкилирующие соединения характеризуются широким спектром мутагенного действия, вызывая простые и сложные замещения в молекулах ДНК, а также разрывы нитей этих сложных молекул.

Аналоги оснований ДНК — производные пуринов и пиримидинов (5-бромурацил, 2-аминопурин, аминоптерин, производные фолиевой кислоты и др.) способные замещать в молекулах нуклеиновых кислот нормальные азотистые основания.

Производные пуринов и пиримидинов могут выступать в разных таутомерных формах. Встраиваясь в синтезирующуюся молекулу ДНК, в зависимости от их таутомерного состояния они могут комплементарно соединяться то с одним, то с другим видом азотистых оснований.

Например, 5-бромурацил, будучи аналогом тимина, в нормальной кетоформе может включаться в синтезирующуюся нить ДНК, комплементарно соединяясь с аденином. В редкой энольной форме 5-бромура-цил оказывается способным образовывать водородные связи не с аденином, а с гуанином.

Таким образом, в новом цикле репликации в соответствующих точках пара А—Т замещается парой Г—Ц.

Интеркаляторы. Химические красители обладают способностью интеркалировать (встраиваться) между основаниями ДНК, вызывая мутации со сдвигом рамки считывания. К таким красителям относятся, например, бромистый этидий и производные акридина. Молекулы акридиновых красителей обладают способностью внедряться между соседними основаниями в молекуле ДНК.

При этом нить ДНК растягивается на расстояние, соответствующее одному нуклеотиду. В процессе репликации ДНК напротив внедрившейся молекулы красителя встраивается дополнительный дезоксирибонуклеотид. Кроме того, дополнительные вставки или выпадения нуклеотидов в точках, оппозитных к внедренным в ДНК молекулам красителя, осуществляется во время рекомбинации.

Мутагенез — это… Что такое Мутагенез?

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

Естественный мутагенез

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

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

Мутационная теория составляет одну из основ генетики. Она зародилась вскоре после переоткрытия Т. Морганом законов Менделя в начале 20 столетия. Можно считать, что она почти одновременно зародилась в умах голландца Хуго Де Фриза[1] (1903) и отечественного ученого-ботаника С. И. Коржинского[2] (1899).

Однако приоритет в первенстве и в большем совпадении изначальных положений принадлежит российскому ученому[3]. Признание основного эволюционного значения за дискретной изменчивостью и отрицание роли естественного отбора в теориях Коржинского и Де Фриза было связано с неразрешимостью в то время противоречия в эволюционном учении Ч.

Дарвина между важной ролью мелких уклонений и их «поглощением» при скрещиваниях (см. кошмар Дженкина).

Основные положения мутационной теории Коржинского-Де Фриза можно свести к следующим пунктам[4]:

1. Мутации внезапны, как дискретные изменения признаков
2. Новые формы устойчивы
3. В отличие от наследственных изменений, мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. Они являют собой качественные скачки изменений
4. Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными
5. Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследуемых особей
6. Сходные мутации могут возникать неоднократно

Механизм мутагенеза

Последовательность событий приводящая к мутации (внутри хромосомы) выглядит следующим образом:

• Происходит повреждение ДНК.

• В случае, если повреждение произошло в незначащем (интрон) фрагменте ДНК, то мутации не происходит.

• В случае если повреждение произошло в значащем фрагменте (экзон), и произошла корректная репарация ДНК, или вследствие вырожденности генетического кода не произошло нарушения, то мутации не происходит.

• Только в случае такого повреждения ДНК, которое произошло в значащей части, которое не было корректно репарированно, которое изменило кодировку аминокислоты, или которое привело к выпадению части ДНК и соединению ДНК вновь в единую цепь — то оно приведет к мутации.

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

Точечные мутации

Основная статья: Точечная мутация

1. Инверсии
2. Реципрокные транслокации
3. Делеции
4. Дупликации и инсерционные транслокации

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.

Мутагенез по Кункелю

Для бактериальной плазмиды (внехромосомной кольцевой ДНК) получают уридиновую матрицу, то есть такую же молекулу, в которой остатки тимина заменены на урацил.

Праймер отжигают на матрице, проводят его достройку in vitro с помощью полимеразы до кольцевой ДНК, комплементарной уридиновой матрице.

Двухцепочечной гибридной ДНК трансформируют бактериальные клетки, внутри клетки уридиновая матрица разрушается как чужеродная, и на мутантной одноцепочеченой кольцевой ДНК достраивается вторая цепь. Эффективность такого способа мутагенеза менее 100 %.

Мутагенез с помощью ПЦР

Полимеразная цепная реакция позволяет проводить сайт-направленный мутагенез с использованием пары праймеров, несущих мутацию (рис. 1), а также случайный мутагенез. В последнем случае ошибки в последовательность ДНК вносятся полимеразой в условиях, понижающих ее специфичность.

Рис. 1. Сайт-направленный мутагенез. Синтезируют пару праймеров, несущих мутацию, и пару праймеров, комплементарных концам нужного фрагмента ДНК. В ходе первых двух реакций образуются фрагменты ДНК с мутацией, которые объединяют в третьей реакции. Полученный фрагмент вставляют в нужную генно-инженерную конструкцию.

Примечания

1. ↑ Фриз Г. де, Избр. произв., пер. [с франц.], М., 1932
2. ↑ Коржинский С., Гетерогенезис и эволюция. К теории происхождения видов, СПБ, 1899 (Записки АН. Серия 8. Отдел физико-математич., т. 9, № 2)
3. ↑ Мутационная теория
4. ↑ С. Г. Инге-Вечтомов. Генетика с основами селекции. М.: Высшая школа. 1989 г. 591 с.

Конспекты к гос экзаменам для студентов биологов

С самого начала становления генетики вопросам причин и природы мутаций уделялось особое внимание. Учёных прежде всего очень интересовало, откуда берутся внезапные скачкообразные изменения фенотипа.

Первым реальным шагом в этом направлении стали исследования по экспериментальному мутагенезу — воздействие на организм мутагенами — сильнодействующими физическими факторами или определёнными химическими веществами, приводящими к появлению мутаций.

Внедрение математических методов, с помощью которых оказался возможным строгий учёт количества появляющихся мутаций, также дал ряд интересных результатов, стимулировавших дальнейшее развитие генетики.

Кроме того, их направленный поиск в природе показал, что мутации проявляются и в естественной среде обитания, где происходит так называемый спонтанный мутагенез.

Мутации, которые вызывают в лабораторных условиях, стали назы­вать индуцированными (искусственными) мутациями, а те, которые находят в природных популяциях, — спонтанными (естественными).

И те, и другие, как правило, по своему фенотипическому проявлению почти не отличаются, но учёные всё же отмечают, что индуцированные мутации гораздо разнообразнее и фенотипически проявляются сильнее, чем спонтанные. Например, у дрозофил к обычным относят мутации «жёлтое тело» и «закрученные крылья».

Их можно вызвать в лаборатории и наблюдать в природе, но выраженность этих аномалий всегда сильнее у лабораторных особей.

Основным генетическим критерием оценки мутагенности любого фактора является определение частоты мутации (количество мутаций на единицу (концентрации). Все другие оценки мутагенности основаны на этом критерии.

Для оценки генетической опасности химических соединений важно использовать, как и в радиобиологии, еще один количественный критерий – «относительную генетическую эффективность» (ОГЭ) разных классов веществ.

Впервые ОГЭ рассчитал Эхлинг при сравнении доз ионизирующего излучения и концентраций химических мутагенов, вызывающих одинаковую частоту мутаций.

По мнению исследователя, использование этого подхода для определения ОГЭ не зависит от величины пороговой дозы химического мутагена, и поэтому его генетическая опасность может быть скорее завышена.

Другой способ определения ОГЭ основан на использовании для сравнительной оценки веществ одного и того же класса одинакового способа воздействия и показателя мутагенного эффекта, что позволяет рассчитать ОГЭ одного соединения по отношению к другому.

Учет количества возникающих мутаций необходим:

• при исследовании природы гена, его изменения,
• для понимания механизма влияния внешних условий,
• для понимания физиологического состояния организма на мутационный процесс.

Методы обнаружения мутаций должны быть разными в зависимости от особенностей объекта — главным образом способа размножения организма. Объективно регистрировать общее число возникающих мутаций пока практически невозможно. Однако подсчет мутаций в отдельных локусах и определенного типа мутаций вполне доступен.

Некоторые видимые морфологические изменения можно учитывать довольно точно; несколько более сложным является определение физиологических и биохимических изменений у многоклеточных организмов. Легче всего обнаруживаются видимые доминантные мутации, которые могут проявляться в гетерозиготном состоянии в первом же поколении, труднее анализировать рецессивные мутации.

Для того чтобы учитывать мутации, особенно рецессивные, возникшие как единичные изменения в хромосомах половых клеток, их необходимо переводить в гомозиготное состояние. Для дальнейшего анализа мутантную линию скрещивают с линией-анализатором, имеющей одну или несколько маркированных групп сцепления.

Такой подход позволяет не только подтвердить ее наследование, но и сберечь время на анализ принадлежности мутации к соответствующей группе сцепления.

Для хорошо изученных в генетическом отношении объектов (дрозофила, кукуруза, ряд микроорганизмов) с установленными группами сцепления изучение новой мутации проводить довольно легко. Для этих объектов разработаны специальные методики учета частоты мутаций, возникающих в отдельных хромосомах.

Так, например, для обнаружения видимых мутаций в половой хромосоме у дрозофилы используется методика сцепленных Х-хромосом — уу (двойной желтый).

По данной схеме скрещивания можно обнаружить отдельные видимые рецессивные сцепленные с полом мутации, возникшие в Х-хромосоме половых клеток отцовского организма и проявляющиеся у мужского пола в F1.

Поскольку хромосомы обладают свойством репродуцироваться даже в измененном состоянии, различные изменения хромосом могут сохраняться в ряду клеточных делений и наследоваться.

Поэтому под генетическим эффектом ионизирующих излучений следует понимать любые изменения хромосом, связанные с возникновением мутаций. Обычно в большем количестве возникают летальные, семилетальные (понижающие жизнеспособность) и другие мутации, вызывающие гибель зигот. Такие мутации могут быть доминантными и рецессивными.

Если в сперматозоиде возникла мутация, то после слияния его с яйцеклеткой она перейдет в зиготу. Сравнивая количество отмирающих эмбрионов в потомстве облученных родителей с таковым в потомстве необлученных, можно установить частоту возникновения доминантных леталей, вызванных облучением половых клеток у родителей.

Рецессивные летальные мутации можно обнаружить лишь в последующих поколениях F2 и F3, т. е. после того, как они перейдут в гомозиготное состояние. Такой учет летальных мутаций прост и позволяет производить объективную количественную оценку частоты их возникновения.

На оснований количественного учета мутаций была установлена зависимость частоты их возникновения от дозы облучения. Многочисленные опыты с дрозофилой, кукурузой, ячменем и другими объектами позволили сделать вывод, что число точковых мутаций (n) возрастает прямо пропорционально дозе ионизирующего излучения (D).

Линейная зависимость частоты возникновения мутаций от дозы облучения навела на мысль о том, что мутация гена является следствием мономолекулярного акта, т. е. отдельной ионизации. Поэтому дальнейшие исследования сосредоточились в направлении изучения роли различных физических сторон действия ионизации на мутационный процесс, а именно:

• влияния мощности (интенсивности) излучения — величины дозы в единицу времени,
• влияния плотности ионизации и возможности специфичного действия различных ионизирующих излучений.

Интересно отметить, что равные дозы ионизирующих излучений, различающиеся по интенсивности в 10 000 и даже 100 000 раз, вызывают мутации с одинаковой частотой.

При действии на хромосомы ионизирующих излучений возникает большое количество хромосомных перестроек. Оказалось, что летальные мутации в большинстве своем связаны с хромосомными перестройками, которые можно обнаруживать генетическими и цитологическими методами.

Необходимо подчеркнуть, что действие ионизирующих излучений на возникновение хромосомных перестроек сначала было обнаружено генетическими методами. Впоследствии этот эффект был подтвержден цитологическими методами на хромосомах соматических клеток корешков растений, эмбриональных тканей и костного мозга животных и человека, а также, на гигантских хромосомах слюнных желез дрозофилы.

Итак, все виды ионизирующих излучений вызывают глубокие изменения хромосом, которые благодаря репродукции воспроизводятся в митозе и могут сохраняться в ряду последующих клеточных делений.

Радиопротекторы (синоним радиозащитные препараты) — это химические соединения, применяемые для ослабления вредного действия ионизирующей радиации на организм. Радиопротекторы используются лишь с целью профилактики и облегчают течение лучевой болезни. Введение радиопротекторов после облучения оказывается неэффективным. Условно радиопротекторы можно разбить на две группы:

1. радиопротекторы кратковременного, одномоментного действия, которые вводят в организм за короткий промежуток времени до облучения,
2. радиопротекторы пролонгированного действия, которые вводят многократно, обычно небольшими дозами до лучевого воздействия.

К радиопротекторам первой группы относят большинство известных радиозащитных соединений: например, различные аминотиолы (меркамин, пропамин, аминоэтилизотиоуроний и др.), аминокислотуцистеин, цистамин, некоторые биогенные амины, не содержащие сульфгидрильных групп, цианофоры, аминофеноны, некоторые спирты, отдельные представители углеводов и др.

Представление о радиопротекторах как химических соединениях, защищающих «критические» молекулы клеток. Гипотеза предполагает, что в результате химических реакций серосодержащие радиопротекторы реагируют с сульфгидрильными группами биологически важных молекул и тем самым «прикрывают» их от действия ионизирующей радиации.

Представление о радиопротекторах как соединениях, повышающих радиоустойчивость биохимических систем.

Эта гипотеза основывается на том, что абсолютное большинство радиопротекторов одномоментного действия оказывает радиозащитный эффект только в том случае, если их вводят в субтоксических дозах.

При этом тормозятся различные радиочувствительные биохимические системы, например биосинтез ДНК, окислительное фосфорилированиев микроструктурах клеток, образование макроэргических соединений в ядре клетки и т. д.

Механизм временного торможения биохимических систем в свою очередь основывается на способности радиопротекторов вступать в химические связи с молекулами ферментов. Существенную роль при этом играет временное образование смешанно-дисульфидной связи между радиопротекторами и содержащими сульфгидрильную группу молекулами белков-ферментов.

Важное практическое применение генетического действия ионизации — радиационная селекция, т. е. отбор хозяйственно-ценных мутаций, получаемых главным образом у культурных растений и промышленных микроорганизмов в результате их облучения.

Выведенные таким способом новые сорта овса, ячменя, гороха, арахиса, плодовых и декоративных культур и др. уже занимают большие посевные площади.

Многие высокопродуктивные промышленные штаммы микроорганизмов — продуцентов антибиотиков, витаминов, аминокислот — также получены путём радиационного мутагенеза.

Методом введения большого числа точковых мутаций разной локализации в исследуемые части генов in vitro является химический мутагенез одноцепочечных участков рекомбинантных ДНК.

Принцип метода заключается в том, что некоторые химические мутагены, такие как бисульфит натрия, гидроксиламин или метоксиламин, действуют только на одноцепочечные участки ДНК.

Следовательно, получив молекулы ДНК, содержащие одноцепочечные бреши в исследуемых участках генов, можно с помощью бисульфита натрия дезаминировать остатки цитозина в этих участках, т.е. превратить их в остатки урацила.

Ионизирующее излучение (рентгеновское) проникая в ткани, разрывают химические связи, приводя к хромосомным перестройкам, разрывам или точковым мутациям. Неионизирующее излучение (УФ) вызывает фотохимические изменения в структуре ДНК. Это приводит к образованию ненормальных химических связей между молекулами пиримидинов.

Факторы, способные вызывать мутации, называются мутагенными. Их воздействие на живые организмы приводит к появлению мутаций с частотой, превышающей уровень спонтанных мутаций. Различают следующие мутагенные факторы:

• физические (к ним относятся все виды ионизирующих излучений — гамма- и рентгеновские лучи, протоны, нейтроны и др., ультрафиолетовое излучение, высокие и низкие температуры);
• химические (многие алкилирующие соединения, аналоги азотистых оснований нуклеиновых кислот, некоторые биополимеры — чужеродные ДНК или РНК, алкалоиды и многие другие);
• биологические (вирусы, бактерии).

Часто мутагенные факторы называют мутагенами (от мутации и греческого genes — рождающий, рождённый). Мутагены, увеличивающие частоту мутаций в сотни раз (нитропроизводные мочевины) называются супермутагенами.Процесс образования мутаций с помощью физических или химических мутагенов называется мутагенезом.

Антимутагены (от анти… и мутагены), вещества, понижающие частоту мутаций, препятствующие мутагенному действию химических или физических агентов.

Главная опасность загрязнения окружающей среды мутагенами, как  полагают генетики,  заключается  в   том,   что   вновь   возникающие   мутации,   не «переработанные»  эволюционно,  отрицательно  повлияют  на  жизнеспособность любых организмов.

И если  поражение  зародышевых  клеток  может  привести  к росту числа носителей мутантных генов и хромосом, то при  повреждении  генов соматических клеток возможно возрастание числа  раковых  заболеваний.  Более того, существует глубокая связь различных  на  первый  взгляд  биологических эффектов.

Например, мутагены окружающей  среды  влияют  на  величины  рекомбинаций наследственных   молекул,   являющихся   также   источником   наследственных изменений.

Возможно и влияние на  функционирование  генов,  что  может  быть причиной,  например,   тератологических   отклонений   (уродств),   наконец, вероятны   поражения   ферментных    систем,    что    изменяет    различные физиологические  особенности  организма,  вплоть  до  деятельности   нервной системы, а следовательно, сказывается и на психике.  Генетическая  адаптация популяций  человека  к  возрастающему   загрязнению   биосферы   мутагенными факторами принципиально невозможна.

На данный момент в мире  уже  имеется  большое  число  квалифицированных лабораторий, в которых проводятся достаточно  точные  испытания. 

МУТАГЕНЕ́З

Авторы: В. М. Глазер

МУТАГЕНЕ́З (от му­та­ции и греч. γένεσις – ро­ж­де­ние, про­ис­хо­ж­де­ние), про­цесс воз­ник­но­ве­ния на­след­ст­вен­ных из­ме­не­ний ор­га­низ­ма – му­та­ций. Са­мо­про­из­воль­ный М., про­ис­хо­дя­щий в ес­теств. ус­ло­ви­ях, на­зы­ва­ет­ся спон­тан­ным, М., вы­зван­ный ис­кусств. воз­дей­ст­ви­ем му­та­ге­нов, – ин­ду­ци­ро­ван­ным.

Осн. при­чи­на­ми, обу­слов­ли­ваю­щи­ми спон­тан­ный М.

, яв­ля­ют­ся: ошиб­ки, со­вер­шае­мые фер­мен­том ДНК-по­ли­ме­ра­зой в хо­де ре­п­ли­ка­ции ДНК, ко­то­рые при­во­дят к му­та­ци­ям ти­па за­мен азо­тистых ос­но­ва­ний; спон­тан­ные по­вре­ж­де­ния ДНК (ча­ще ут­ра­та пу­ри­но­вых ос­но­ва­ний) в про­цес­се нор­маль­ной жиз­не­дея­тель­но­сти клет­ки (за 20-ча­со­вой пе­ри­од цик­ла де­ле­ния в ДНК клет­ки мле­ко­пи­таю­ще­го вы­па­да­ют ок. 104 пу­ри­но­вых ос­но­ва­ний); на­ру­ше­ния ре­п­ли­ка­ции ДНК в уча­ст­ках, со­дер­жа­щих по­вто­ры од­но­го или не­сколь­ких нук­лео­ти­дов. При ре­п­ли­ка­ции та­ких уча­ст­ков ис­ход­ная и вновь син­те­зи­руе­мая це­пи ДНК спо­соб­ны «сколь­зить» от­но­си­тель­но друг дру­га, что мо­жет при­вес­ти ли­бо к вы­па­де­нию, ли­бо к встав­ке лиш­них пар нук­лео­ти­дов. У че­ло­ве­ка, напр., ряд ге­нов со­дер­жат груп­пы тан­дем­ных три­нук­лео­тид­ных по­вто­ров (т. н. мик­ро­са­тел­лит­ные по­вто­ры). Вы­зы­вае­мые ими на­ру­ше­ния ре­п­ли­ка­ции ДНК при­во­дят к разл. на­след­ст­вен­ным за­бо­ле­ва­ни­ям, на­зы­вае­мым син­дро­ма­ми экс­пан­сии три­нук­ле­о­тид­ных по­вто­ров. Так, хо­рея Хан­тинг­то­на вы­зва­на уве­ли­че­ни­ем чис­ла ко­пий три­нук­ле­о­ти­да CAG (обо­зна­че­ния см. в ст. Ге­не­ти­че­ский код) в ге­не $HD$ до 40 и бо­лее (при нор­ме ок. 20 у здо­ровых лю­дей). Тра­ди­ци­он­но в ка­че­ст­ве при­чи­ны спон­тан­но­го М. рас­смат­ри­ва­ют так­же встраи­ва­ние в ДНК мо­биль­ных ге­не­ти­че­ских эле­мен­тов, на­ру­шаю­щих нук­лео­тид­ную по­сле­до­ва­тель­ность в уча­ст­ке встраи­ва­ния.

Ме­ха­низм ин­ду­ци­ро­ван­но­го М. за­ви­сит от при­ро­ды му­та­ге­нов, ко­то­рые мо­гут воз­дей­ст­во­вать на ДНК пу­тём за­ме­ны или мо­ди­фи­ка­ции азо­ти­стых ос­но­ва­ний, а так­же вы­зы­вать пер­вич­ные (пред­му­та­ци­он­ные) по­вре­ж­де­ния, пре­вра­щаю­щие­ся в му­та­ции в про­цес­се не­то­ж­де­ст­вен­ной ре­па­ра­ции ДНК.

За­ме­ну азо­ти­стых ос­но­ва­ний вы­зы­ва­ют му­та­ге­ны, имею­щие струк­ту­ру, сход­ную с нор­маль­ны­ми азо­ти­сты­ми ос­но­ва­ния­ми ДНК, – ана­ло­ги азо­ти­стых ос­но­ва­ний. В про­цес­се ре­п­ли­ка­ции по­след­ние мо­гут вклю­чать­ся в ДНК вме­сто обыч­ных ос­но­ва­ний.

В нор­ме в ДНК все азо­ти­стые ос­но­ва­ния мо­гут на­хо­дить­ся в не­сколь­ких тау­то­мер­ных фор­мах, спо­соб­ных к вза­им­ным пе­ре­хо­дам; ча­ще при­сут­ству­ют ке­то­фор­мы, а ими­но- и еноль­ные фор­мы воз­ни­ка­ют ред­ко. Ана­ло­ги ос­нова­ний, как пра­ви­ло, фор­ми­ру­ют две по­след­ние фор­мы.

При ре­п­ли­ка­ции ос­но­ва­ния в ими­но- и еноль­ной фор­мах склон­ны фор­ми­ро­вать па­ры с «не­пра­виль­ным» ос­но­ва­ни­ем, что при по­сле­дую­щей ре­п­ли­ка­ции при­ве­дёт к по­яв­лению му­та­ций. Напр.

, ана­лог ти­ми­на 5-бро­му­ра­цил в ке­то­фор­ме спа­ри­ва­ет­ся, по­доб­но ти­ми­ну, с аде­ни­ном, а в час­той для не­го еноль­ной фор­ме – с гуа­ни­ном. В ре­зуль­та­те про­ис­хо­дит то­чеч­ная му­та­ция (тран­зи­ция $ce{TA→CG}$).

Мо­ди­фи­ка­ция азо­ти­стых ос­но­ва­ний так­же мо­жет при­во­дить к из­ме­не­нию спе­ци­фич­но­сти их спа­ри­ва­ния. Напр.

, под дей­ст­ви­ем ал­ки­ли­рую­щих аген­тов этил­ме­тан­суль­фо­на­та и нит­ро­зо­гуа­ни­ди­на, от­но­ся­щих­ся к наи­бо­лее силь­ным му­та­ге­нам, в ДНК воз­ни­ка­ют $ce{O}$-6-ал­кил­гуа­нин, ко­то­рый, вме­сто ци­то­зи­на, не­пра­виль­но спа­ри­ва­ет­ся с ти­ми­ном (тран­зи­ция $ce{GC→AT}$), и $ce{O}$-4-ал­кил­ти­мин, оши­боч­но спа­ри­ваю­щий­ся с «не­пра­виль­ным» ос­но­ва­ни­ем гуа­ни­ном (тран­зи­ция $ce{AT→GC}$). Тот же тип из­ме­не­ний вы­зы­ва­ет азо­ти­стая ки­сло­та, ко­то­рая пу­тём де­за­ми­ни­ро­ва­ния осу­ще­ст­в­ля­ет пре­вра­ще­ние ци­то­зи­на в ура­цил, спа­ри­ваю­щий­ся не с гуа­ни­ном, а с аде­ни­ном. К со­еди­не­ни­ям, мо­ди­фи­ци­рую­щим ДНК, от­но­сят­ся и т. н. ин­тер­ка­ли­рую­щие аген­ты (проф­ла­вин, ак­ри­ди­но­вый оран­же­вый, бро­ми­стый эти­дий и др.). Бла­го­да­ря пло­ской фор­ме сво­их мо­ле­кул, они спо­соб­ны вне­дрять­ся в ду­п­лекс ДНК ме­ж­ду со­сед­ни­ми ос­но­ва­ния­ми и уве­ли­чи­вать рас­стоя­ние ме­ж­ду ни­ми в 2 раза. В ре­зуль­та­те мо­гут про­ис­хо­дить встав­ки или вы­па­де­ния пар нук­лео­ти­дов пред­по­ло­жи­тель­но за счёт не­рав­но­го крос­син­го­ве­ра с ин­такт­ной ДНК или на­ру­ше­ния ре­п­ли­ка­ции та­ких струк­тур.

Боль­шин­ст­во му­та­ге­нов вы­зы­ва­ют в ДНК пред­му­та­ци­он­ные по­вре­ж­де­ния. Наи­бо­лее су­ще­ст­вен­ные из них по­вре­ж­де­ния в ДНК под дей­ст­ви­ем ио­ни­зи­рую­ще­го из­лу­че­ния – раз­ры­вы од­ной или обе­их це­пей (дву­ни­те­вые раз­ры­вы ДНК).

Ре­па­ра­ция ДНК с дву­ни­те­вы­ми раз­ры­ва­ми при уча­стии не­го­мо­ло­гич­ной ре­ком­би­на­ции, ха­рак­тер­ной для кле­ток выс­ших эу­ка­ри­от, яв­ля­ет­ся од­ним из ис­точ­ни­ков хро­мо­сом­ных пе­ре­стро­ек.

УФ-лу­чи вы­зы­ва­ют раз­но­об­раз­ные по­вре­ж­де­ния ДНК, наи­бо­лее му­та­ген­ны­ми из ко­то­рых яв­ля­ют­ся об­ра­зо­ва­ния цик­ло­бу­та­но­вых ди­ме­ров пи­ри­ми­ди­но­вых ос­но­ва­ний и т. н.

6–4-фо­то­про­дук­тов, фор­ми­руе­мых пу­тём об­ра­зо­ва­ния ко­ва­лент­ных свя­зей ме­ж­ду 4-м и 6-м уг­ле­род­ны­ми ато­ма­ми со­сед­них пи­ри­ми­ди­но­вых ос­но­ва­ний в це­пи ДНК. Не­ко­то­рые му­та­ге­ны на­ру­ша­ют ап­па­рат кле­точ­но­го де­ле­ния, след­ст­ви­ем че­го яв­ля­ют­ся на­ру­ше­ния в рас­хо­ж­де­нии хро­мо­сом ме­ж­ду до­чер­ни­ми клет­ка­ми, при­во­дя­щие к ге­ном­ным му­та­ци­ям.

Раз­ра­бот­ка ме­то­дов ин­ду­ци­ро­ван­но­го М. зна­чи­тель­но по­вы­си­ла воз­мож­но­сти се­лек­ции. С по­мо­щью ра­диа­ци­он­но­го и хи­мич. му­та­ге­не­за бы­ли вы­ве­де­ны но­вые вы­со­ко­уро­жай­ные сор­та мно­гих с.-х. рас­те­ний и цен­ные штам­мы мик­ро­ор­га­низ­мов, ис­поль­зуе­мых в био­тех­но­ло­гии.

Причины и свойства мутаций. Мутагенные факторы. Роль мутаций в эволюционном процессе

Введение 

     Главным материалом для естественного отбора в процессе эволюции являются мутации. Твердо установлено, что они происходят и сейчас, и можно ожидать, что 
они будут служить основой 
для дальнейшего видоизменения 
растений, животных и микроорганизмов.

 
Мутации — прерывистые, скачкообразные изменения наследственности, определенным образом влияющие на признаки живых организмов.  
Отдельные мутации известны науке уже давно, и Ч. Дарвин в своей книге «Изменение животных и растений в домашнем состоянии» описал значительное количество мутаций, которые он называл «единичными изменениями», или «спорными».

Среди описанных Дарвином мутаций были крупные, хорошо заметные, и очень малые мутации, которые можно заметить и выделить только при самом тщательном наблюдении.  
И. В. Мичурин вывел свой известный сорт Антоновка «полуторафунтовая» из отклонения, появившегося на одной ветке дерева обычной антоновки.  
В 1930 г.

в Швеции среди лисиц на ферме появилась одна мутантная особь так называемой платиновой окраски. Эта доминантная мутация была размножена и дала начало ценной коммерческой породе.  

В настоящее время создано большое количество сортов культурных растений с помощью мутационной селекции, использующей химические и радиационные методы получения мутантов.

     Индуцированный 
мутагенез стал одним из действенных 
методов селекции растений. Мутантные 
сорта также получены у декоративных и вегетативно размножаемых растений.

     Использование индуцированных мутаций оказалось 
исключительно полезным в работе с микроорганизмами (бактериями, грибами 
и др.).  
Широко используется мутагенез и в таком важном новом направлении биологии, как биотехнологии.  

     Существование наследственных изменений было известно Дарвину. Вся его теория эволюции вытекает из учения о естественном отборе наследственных изменений.

Наследственная изменчивость — необходимая предпосылка 
естественного и искусственного отбора. Однако во времена Дарвина 
еще отсутствовали опытные данные по наследственности и законы наследования не были известны.

Это не давало возможности 
строго различать разные формы изменчивости в зависимости от наследования.

     Под термином МУТАЦИЯ (от лат. mutatio—перемена, изменение) в генетике в настоящее время понимают всякое вновь возникающее в организме наследственное изменение. Однако различные исследователи придают этому слову не совсем одинаковый смысл. Мутация как генетическое понятие следует отличать от палеонтологического, введенного Ваагеном (Waagen) в 1869 г. В 1901 г.

голландский ботаник Гуго де Фриз опубликовал книгу под названием «Мутационная теория».

В ней он отчетливо разграничил модификации
или флюктуации, представляющие собой мелкие отклонения от средней величины, которые являются ненаследственными по своей природе и возникают благодаря многообразным влияниям внешних условий, от мутаций   — резких уклонений от нормы, передающихся по наследству.

     У растения ослинник (Oenotheralamar-ckiana) он наблюдал появление резких скачкообразных отклонений от типичной формы растения, причем эти отклонения оказались наследственными.

Дальнейшие исследования на различных объектах— растениях, животных, микроорганизмах — показали, что явление наследственной (мутационной) изменчивости свойственно всем организмам. Мутации затрагивают разнообразные стороны строения и функции организма.

Например, у дрозофилы известны мутационные изменения формы крыльев (вплоть до полного их исчезновения), окраски тела, развития щетинок на теле, формы глаз, их окраски (красные, желтые, белые, вишнёвого цвета и т. п.

), а также многих физиологических признаков (продолжительность жизни, плодовитость, стойкость к разным повреждающим воздействиям и т. п.). Первоначальные представления де Фриза о том, что мутации всегда крупные наследственные изменения, дальнейшими исследованиями не подтвердились.

Наряду с резкими отклонениями гораздо чаще встречаются небольшие мутации, лишь немногим отличающиеся от исходных форм. Тем не менее, указанный еще де Фризом признак мутаций — их скачкообразный характер и наследственность — остается в силе. Мутации совершаются в различных направлениях, и обычно они не являются приспособительными, полезными для организма изменениями.

     Наблюдения 
де Фриза не были абсолютно новыми. Животноводы и растениеводы 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 Коржинский («Гетерогенезис и эволюция», 1899).

Основываясь на большом числе фактов из растительного 
мира, он установил существование 
так называемых «гетерогенных» вариаций— 
вариаций, появляющихся в резком виде у одного единственного экземпляра благодаря каким-то внутренним изменениям половых клеток, и в дальнейшем оказывающихся наследственными. 
    

     Мутации подразделяются на несколько видов:

     Точечные (генные) мутации представляют собой изменения в отдельных генах.

На основании исследований, проведенных главным образом на микроорганизмах за последнее время, установлено, что такие мутации связаны с преобразованием химической структуры ДНК, входящей в состав хромосом.

Последовательность оснований определяет состав образующейся на ДНК молекулы РНК, а она в свою очередь обусловливает последовательность аминокислот при синтезе белковой молекулы. Химическая основа генных мутаций заключается в изменении расположения нуклеотидов в цепочке ДНК.

     Хромосомные мутации являются изменениями частей хромосомы или целых хромосом. Такие мутации могут происходить в результате делеции – утрате части хромосомы, дупликации – удвоения какого-либо участка хромосомы, инверсии – поворота участка хромосомы на 180°, транслокации – отрыва части хромосомы и перемещения ее в новое положение, например, присоединения к другой хромосоме.

     Особую 
группу мутаций представляют собой 
изменения числа хромосом. Эти 
мутации сводятся к появлению 
лишних или утере некоторых хромосом.

Такого рода изменения в хромосомном 
составе происходят при нарушении 
в силу каких-либо причин нормального 
хода мейоза, когда вместо нормального 
распределения хромосом между полюсами ахроматинового веретена и затем 
дочерними клетками обе гомологичные хромосомы отходят к одному полюсу. Обычно такого рода нарушения оказываются 
неблагоприятными, снижающими жизнеспособность.

     Геномные мутации заключаются в изменении числа хромосом в гаплоидном наборе. Это может происходить за счет выпадения хромосомы из генотипа, или, наоборот, увеличения числа копий какой-либо хромосомы в гаплоидном наборе с одной до двух и более.

Частный случай геномных мутаций – полиплоидия – кратное увеличение числа хромосом в генотипе.Возникновение полиплоидов обычно связано с нарушением процессов митоза или мейоза.

Эти нарушения сводятся к тому, что хромосомы проделывают нормальный митотическйй цикл, а веретено деления, служащее для «растаскивания» хромосом к противоположным полюсам, не функционирует. В результате хромосомы не расходятся к полюсам и не образуют дочерних ядер, а остаются в том же ядре.

Если этот процесс имеет место в соматической клетке с диплоидным набором хромосом, то сразу возникает клетка с удвоенным диплоидным набором (такие клетки называются тетраплоидными). Они имеют, следовательно, вместо двух гаплоидных наборов четыре (4 n).

Если это наблюдается при мейозе, то конъюгирующие гомологичные хромосомы не расходятся к противоположным полюсам и возникают диплоидные гаметы. Если такая гамета при оплодотворении сольется с нормальной гаплоидной, то возникает триплоидная зигота (с тройным набором хромосом— 3 n). Если же обе гаметы окажутся диплоидными, то возникает тетраплоидная зигота.

     Полиплоидные 
виды довольно часто наблюдаются 
у растений и очень редко встречаются 
у животных. Полиплоидные мутации 
у растений по сравнению с диплоидами часто характеризуются более 
мощным ростом, большим размером и 
весом семян и плодов и т.п. В генетико-селекционной работе по созданию высокопродуктивных сортов растений явление полиплоидии широко используется на практике.

     В настоящее время разработаны 
методы, позволяющие получать полиплоиды экспериментально, воздействуя на делящуюся 
клетку некоторыми ядами (например, колхицином), разрушающими веретено, но не препятствующими 
удвоению хромосом.   
 

     По 
причинам возникновения различают 
спонтанные и индуцированные мутации.

      Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают без видимых причин. Эти мутации иногда рассматривают как ошибки трех Р: процессов репликации, репарации и рекомбинации ДНК.

Это означает, что процесс возникновения новых мутаций находится под генетическим контролем организма.

Например, известны мутации, которые повышают или понижают частоту других мутаций; следовательно, существуют гены-мутаторы и гены-антимутаторы.

      Индуцированные мутации возникают под действием мутагенов. Мутагены – это разнообразные факторы, которые повышают частоту мутаций. Впервые индуцированные мутации были получены отечественными генетиками Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым в 1925 г. при облучении дрожжей излучением радия.

•       Различают несколько классов мутагенов:
•   Физические мутагены: ионизирующие излучения, тепловое излучение, ультрафиолетовое излучение.
•   Химические мутагены: аналоги азотистых оснований (например, 5-бромурацил), альдегиды, нитриты, метилирующие агенты, гидроксиламин, ионы тяжелых металлов, некоторые лекарственные препараты и средства защиты растений.
•   Биологические мутагены: чистая ДНК, вирусы, антивирусные вакцины. 

  Аутомутагены – промежуточные продукты обмена веществ. Например, этиловый спирт сам по себе мутагеном не является. Однако в организме человека он окисляется до ацетальдегида, а это вещество уже является мутагеном. 
 

  Частота мутаций не одинакова для разных генов, для разных организмов. Она 
возрастает, иногда очень резко, в 
ответ на воздействие внешних 
факторов, таких как ионизирующая радиация, некоторые химические соединения, вирусы и при изменениях внутреннего 
состояния организма (старение, стресс и т.п.).

  Средняя частота мутаций у бактерий оценивается 
как 10-9 на ген на клетку за поколение. У человека и других многоклеточных она выше и составляет 10-5 на ген 
на гамету за поколение. Иными словами 
только в одной из 100 тысяч гамет 
ген оказывается измененным.

Казалось бы, это ничтожно малая величина. Следует помнить, однако, что генов 
в каждой гамете очень много. По современным 
оценкам геном человека содержит около 30 тысяч генов.

Следовательно, в каждом поколении около трети 
человеческих гамет несут новые 
мутации по какому-нибудь гену.

  Таким образом, несмотря на чрезвычайную редкость каждой отдельной мутации, в каждом поколении появляется огромное количество носителей мутантных генов. Благодаря 
мутационному процессу генотипы всех организмов, населяющих Землю, постоянно 
меняются; появляются все новые и 
новые варианты генов (аллели), создается 
огромное генетическое разнообразие, которое служит материалом для эволюции.

  Мутации различаются по своим фенотипическим эффектам. Большинство мутаций, по-видимому, вовсе никак не сказываются на фенотипе. Их называет нейтральными мутациями. Большой класс нейтральных мутаций 
обусловлен заменами нуклеотидов, которые 
не меняют смысла кодонов. Такие замены называют синонимическими.

Например, аминокислота аланин кодируются триплетами ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА и ГЦГ. Если в результате мутации 
ГЦУ превращается в ГЦЦ, то белок, синтезированный по измененной программе, остается тем же самым.

Если мутация 
изменяет смысл кодона (несинонимическая мутация) и одна аминокислота заменяется другой, это может привести к изменению свойств белка.

  Большинство несинонимических мутаций оказывается 
вредными. Они нарушают скоординированное 
в ходе предшествующей эволюции взаимодействие генетических программ в развивающимся 
организме, и приводят либо к его 
гибели, либо к тем или иным отклонениям 
в развитии. Только очень малая 
доля вновь возникающих мутаций 
может оказаться полезной.

  Следует помнить, однако, насколько условна 
эта классификация. Полезность, вредность, или нейтральность мутации зависит 
от условий, в которых живет организм. Мутация нейтральная или даже вредная для данного организма 
и данных условиях, может оказаться 
полезной для другого организма 
и в других условиях, и наоборот.

Жуки и комары не могли знать заранее, что люди изобретут ДДТ и другие инсектициды и подготовить мутации 
защиты. Тем не менее, эти мутации 
возникали – они обнаруживаются даже в тех популяциях насекомых, которые с инсектицидами не встречались.

В то время, когда насекомые не сталкивались с инсектицидами, эти 
мутации были нейтральными. Но как 
только люди стали применять инсектициды 
– эти мутации стали не просто полезными, они стали ключевыми 
для выживания.

Те особи, которым 
по наследству досталась такая мутация, вовсе не нужная их родителям, жившим в доинсектицидную эру, приобрели 
колоссальное преимущество перед теми, кто такой мутации не имел.

  Естественный 
отбор «оценивает» вредность 
и полезность мутаций по их эффектам на выживание и размножение мутантных 
организмов в конкретных экологических 
условиях.

При этом вредность мутации, как правило, обнаруживается немедленно, а ее полезность часто определяется задним числом: мы называем полезными 
те мутации, которые позволяют популяциям адаптироваться к изменяющимся условиям среды.