Изменчивость - свойство организмов приобретать новые признаки и особенности индивидуального развития под влиянием среды. Различают модификационную и генотипическую изменчивость.
Модификационная изменчивость - это способность организма реагировать на условия окружающей среды, изменяться в пределах нормы реакции организма.
Наследственная изменчивость - это способность к изменению самого генетического материала.
При всех формах изменчивости имеется генетический контроль и о происшедших изменениях можно судить лишь по фенотипу (по изменению признаков и свойств организма).
Модификации развиваются в естественных условиях среды и подвергаются действию факторов, много раз встречавшихся в процессе филогенеза, то есть норма реакции складывалась исторически.
Модификации, напоминающие проявления мутаций известных генов, называются фенокопии. Они сходны с мутациями, но механизм их возникновения различен (катаракта может быть следствием как мутации, так и фенокопией).
Модификации имеют приспособительное значение и способствуют адаптации организма к условиям окружающей среды, сохраняют гомеостаз организма.
Изучение модификационной изменчивости проводится с помощью близнецового метода (соотносительная роль наследственности и среды в развитии признака) и метода вариационной статистики (изучение количественных признаков).
Генотипическая изменчивость связана с качественными и количественными изменениями наследственного материала. Она включает комбинативную и мутационную изменчивость.
1. Комбинативная изменчивость. Уникальность каждого генотипа обусловлена комбинативной изменчивостью, которая определяется новыми сочетаниями аллелей генов в генотипе. Достигается это в результате 3-х процессов: два из них связаны с мейозом, третий - с оплодотворением.
2. Мутационная изменчивость. При мутационной изменчивости нарушается структура генотипа, что вызвано мутациями. Мутации - это качественные, внезапные, устойчивые изменения в генотипе.
Существуют различные классификации мутаций.
По уровню изменения наследственного материала (генные, хромосомные, геномные);
По проявлению в фенотипе (морфологические, биохимические, физиологические);
По происхождению (спонтанные, индуцированные);
По их влиянию на жизнь организма (летальные, полулетальные, условно летальные);
По типам клеток (соматические и генеративные);
По локализации в клетке (ядерные, цитоплазматические).
Генные мутации связаны с молекулой ДНК - нарушение нормальной последовательности нуклеотидов, свойственной данному гену. Это может быть вызвано изменением количества нуклеотидов (выпадением или вставкой) или их заменой.
Мутации появляются в генотипе с определённой частотой и часто проявляются фенотипически. Некоторые из них являются причиной возникновения генных (молекулярных) болезней. В организме имеются механизмы, ограничивающие неблагоприятный эффект мутаций: репарация ДНК, диплоидный набор хромосом, вырожденность генетического кода, повтор (амплификация) некоторых генов.
Хромосомные мутации (аберрации) заключаются в изменении структуры хромосом (внутрихромосомные и межхромосомные).
Внутрихромосомные мутации: делеции, дупликации, инверсии. При делециях и дупликациях изменяется количество генетического материала, а при инверсиях - его расположение. При межхромосомных мутациях происходит транслокация наследственного материала, обмен участками между негомологичными хромосомами.
Геномные мутации заключаются в изменении числа отдельных хромосом (гетероплоидия) или нарушении геномного числа хромосом (полиплоидия).
Хромосомные и геномные мутации являются причинами хромосомных болезней. Разработана система обозначений мутаций (Денверская и Парижская классификация).
Мутации имеют значение в онто- и филогенезе, они приводят к появлению новых свойств наследственного материала: генные - появлению новых аллелей, хромосомные аберрации - к образованию новых групп сцепления генов, геномные мутации - новых генотипов. Они обеспечивают фенотипическое разнообразие организмов.
Мутагенез (мутационный процесс)
Мутационный процесс - процесс возникновения, формирования и реализации наследственных нарушений. Основой мутационного процесса являются мутации. Мутации происходят как в естественной среде обитания организмов, так и в условиях направленного воздействия мутагенами. В зависимости от этого различают спонтанный и индуцированный мутагенез.
Спонтанный мутагенез - это самопроизвольный процесс возникновения мутаций под влиянием естественных факторов среды. Существует несколько гипотез относительно генеза спонтанных мутаций: естественная радиация, наличие генов-мутаторов, определенное соотношение мутагенов и антимутагенов и др. По современным данным мутации возникают при нарушении процесса репликации и репарации ДНК.
Спонтанный мутационный процесс характеризуется определенной интенсивностью (частотой генных, хромосомных и геномных мутаций), непрерывностью, ненаправленностью, отсутствием специфичности; он является одной из биологических характеристик вида (стабильность генотипа) и протекает постоянно. Частота спонтанных мутаций подвергается генному контролю (ферменты репарации) и параллельно влиянию естественного отбора (появление новых мутаций уравновешивается их элиминацией). Познание закономерностей спонтанного мутагенеза, причин его возникновения необходимо для создания специальных методов слежения за мутациями, чтобы контролировать их количество у человека.
Индуцированный мутагенез - возникновение мутаций под влиянием направленных специальных факторов внешней среды - мутагенов.
Способностью индуцировать мутации обладают различные мутагены физической, химической и биологической природы, которые вызывают соответственно радиационный, химический и биологический мутагенез.
Физические мутагены: ионизирующее излучение, ультрафиолет, температура и др. Ионизирующая радиация оказывает непосредственное действие на гены (разрыв водородных связей ДНК, изменение нуклеотидов), хромосомы (хромосомные аберрации) и геномы (изменение числа и наборов хромосом). Эффект радиации сводится к ионизации и образованию свободных радикалов. Разные формы живых организмов характеризуются различной чувствительностью к радиации.
Химические мутагены (лекарственные препараты, никотин, алкоголь, гербициды, пестициды, кислоты, соли и др.) вызывают генные, реже хромосомные мутации. Мутагенный эффект больше у тех соединений, которые способны взаимодействовать с ДНК в период репликации.
Биологические мутагены (вирусы, живые вакцины и др.) вызывают генные мутации и хромосомные перестройки. Мутагенный эффект избирателен в отношении отдельных генов.
При оценке индуцированных мутаций учитывают индивидуальный и популяционный прогноз. Все виды мутагенеза опасны при вовлечении больших популяций людей.
Для защиты живых организмов от поражающего действия мутагенов используются антимутагены, организуется комплексная система генетического мониторинга и химического скрининга.
Репарация генетического материала
ДНК отличается высокой стабильностью, которая поддерживается особой ферментативной системой, находящейся под генетическим контролем, она же принимает участие и в репарации. Многие повреждения ДНК, которые могли бы реализоваться в виде мутаций при действии сильных мутагенов, исправляются репаративными системами.
Генетические различия в активности репарирующих ферментов определяют разную продолжительность жизни и устойчивость организмов к действию мутагенов и канцерогенов. У человека некоторые болезни (прогерия) связаны с нарушением процесса репликации и репарации ДНК. Моделью для изучения генетических механизмов репарации является заболевание – пигментная ксеродерма. Известно, что 90% мутагенов являются и канцерогенами. Существует несколько теоретических концепций (теорий) канцерогенеза: мутационная, вирусно-генетическая, концепция онкогена и др.
Генетический мониторинг
Человек контактирует с разнообразными химическими веществами, проверить каждое на возможность мутагенного (канцерогенного) эффекта или генотоксичности не представляется возможным, поэтому проводится отбор определенных химических веществ для исследования на мутагенность.
Выбор того или иного вещества определяется:
Его распространением в среде обитания человека и контактом с ними большей части населения (лекарства, косметические средства,
продукты питания, пестиды и др.)
Структурным сходством с известными мутагенами и канцерогенами (нитрозосоединения, ароматические углеводороды) Для исследования на мутагенность
Используется несколько тест-систем (около 20 из 100 имеющихся методов) т.к. нет универсального теста для выявления всех типов мутаций в половых и соматических клетках.
Применяется ступенчатость тестирования (в начале на микроорганизмах, дрозофиле и др. объектах и только потом в клетках человека.)
Иногда достаточно использование одной тест-системы, для выявления мутагенности вещества и соответственно невозможность его использования.
Генетический мониторинг - это система долговременных популяционных исследований по контролю за мутационным процессом у человека (слежение за мутациями). Он складывается из:
Химического скрининга - экспериментальной проверки мутагенности химических соединений (слежение за мутациями в тест-системах)
Прямого анализа частот генных мутаций
Феногенетического мониторинга.
Система тестирования состоит из просеивающей и полной программы, возможность их использования определяется степенью контакта населения с данным химическим веществом.
Люди с самого начала своего существования занимаются познанием себя и окружающего мира. И зачастую исследовательская деятельность приводит к тому, что люди намеренно вмешиваются в привычные процессы, нарушая тем самым ход событий и привнося явные изменения, отражающиеся не только на окружающей природе, но и на человеке.
Определение
Мутагенез — это процесс изменений в структуре ДНК, вследствие чего происходит мутация организма.
Выделяют два вида мутагенеза: искусственный (индуцированный) и естественный (спонтанный).
История обнаружения
В 1899 году русским ученым Коржинским было приведено научное объяснение мутагенеза. В 1900 году генетиком Фризом было продолжено изучение явления, и именно этот ученый дал существующее ныне определение мутагенеза.
Эти два ученых вывели следующие положения его теории:
- Все процессы мутации внезапны, как прерывистые изменения признаков.
- Новые полученные формы устойчивы.
- Мутации не «строят» последовательных рядов, не скапливаются возле среднего типа. Это существенно отличает мутационные изменения от наследственных.
- Похожие мутации могут проявляться периодически.
- В зависимости от количества исследуемых особей возрастает вероятность обнаружения мутации.
- Мутации несут как вред, так и пользу.
Почему появляются мутации
Чаще всего мутагенез возникает при допущении ошибок при удвоении и восстановлении цепей ДНК, при нарушении в расхождениях хромосом к полюсам при мейозе.
Вообще, в каждой клетке идет постоянное восстановление нарушенных цепочек ДНК. Однако, если восстановление целостности ДНК не происходит, то все ошибки в генетическом коде будут накапливаться, что в конечном счете и приведет к мутационному процессу.
Спонтанный мутагенез
Он возникает при естественных условиях развития, когда извне не действуют никакие мутагены.
Какие могут быть причины появления такого его вида:
- Экзогенные (или внешние): радиационные излучения, экстремально низкие или высокие температуры.
- Эндогенные (или внутренние). К таким относятся внезапно образующиеся в организме метаболиты, которые пробуждают образование
Так, например, в зонах арктического холода растительность обладает полиплоидной формой. Это зависит от того, что в период вегетации при аномально низких температурах у растений образуется ряд геномных мутаций.
Продолжительное время ученые считали, что факторами возникновения естественного мутагенеза являются космические волны и природные радиационные излучения. Однако в ходе проведенных исследований было установлено, что лишь незначительная доля спонтанного мутагенеза образуется под действием радиации.
Установлено, что причиной являются местные небольшие отклонения теплового движения частиц.
Индуцированный
Мутагенез искусственного типа представляет собой процесс создания искусственных мутаций, для получения необходимого материала.
Например, в селекции растений ученые применяют которые преобразуют исходный генотип. В ходе этого получаются видоизмененные виды растений с новыми признаками и формами, которых нет у первоначальных их видов.
Поэтому можно сказать, что индуцированный мутагенез в селекции играет немаловажную роль в получении новых сортов.
Методы мутагенеза спонтанного типа
Его механизм выглядит, как нарушение фрагмента ДНК. Если оно было проведено с погрешностями, то образование мутации неизбежно. Если нарушение произошло в маловажном участке ДНК, или наоборот, в значащем фрагменте, то мутация появится, но единожды и больше проявляться не будет.
Мутагены: физические и химические
Мутагены - это явления, которые вызывают мутационные изменения организма. По природе своего происхождения все они делятся на физические и химические.
К физическим мутагенам относятся:
- Ионизирующие излучения.
- Температура.
- Влажность.
Методы их воздействия следующие:
- Разрушение целостной структуры хромосом и генов.
- Освобождение радикалов свободного типа, которые начинают взаимодействовать с ДНК.
- Нарушение целостности нитей хроматинового веретена деления.
- Возникновение димеров — образований единых комплексов пиримидиновых оснований одной цепи ДНК.
Химические мутагены представляют собой следующее:
- Химические вещества органической и неорганической природы.
- Вещества синтетической природы, которые не встречались в природе ранее.
- Природные вещества после заводской переработки, например, уголь и нефть.
- Некоторые медикаменты, наркотические вещества, некоторые виды антибиотиков.
Механизм химических мутагенов таков:
- Алкилирование нуклеотидных комплексов ДНК.
- Замещение азотистых оснований на основания подобного характера.
- Замедление синтеза предшественников нуклеиновых кислот.
Есть польза от мутагенеза?
Итак, с уверенностью можно сказать, что мутагенез - это явление, способное отражаться на состоянии организма.
Если мутаген затронет «незначительный» фрагмент ДНК, то, по сути, никаких изменений организм не претерпит. Мутации будут существовать в «памяти» ДНК и передаваться по наследству, а со временем могут исчезнуть совсем.
Но если факторы мутагенеза затронут существенный фрагмент ДНК, вследствие чего будет нарушена стандартная аминокислотная последовательность, то это приведет к необратимым изменениям в организме. И если мутация будет выявлена у подавляющего большинства особей определенного вида, то в дальнейшем это приведет к существенным изменениям характерных признаков вида.
Поскольку мутагенез — это нарушение нормальной целостности ДНК, то мутации способны наносить вред организму.
Подавляющее число мутаций способно сократить жизнедеятельность организмов и спровоцировать появление тяжелых заболеваний.
Те последствия мутагенеза, которые образуются в соматических клетках, не передаются с генетическим материалом следующему поколению. Но в результате митотического деления, когда появляются новые клетки, образующие ткань, могут образовываться опухолевые уплотнения.
Мутации, которые затрагивают половые клетки, способны передаваться следующему поколению.
Конкретный пример: мутация, приводящая к появлению укороченных крыльев у одного из представителей насекомого, в последующем времени проявится у остальных его видов, и, если эти насекомые живут в безветренном районе, то передвигаться им будет тяжело. В этом случае речь будет идти о приобретенном заболевании или даже уродстве.
Но вот если в такой местности начнут дуть сильные ветра, то первоначальный вид насекомых с длинными крыльями будут претерпевать неудобства, а короткокрылые, наоборот, будут иметь преимущества.
Таким образом, можно сказать, что мутации могут порождать новый вид организмов путем изменения геномной структуры существующего вида.
1. Концепции происхождения человека.
2. Сходства и различия человека и животного.
3. Стадии эволюции человека.
4. Человек как единство биологического, социального и духовного.
5. Биоэтика.
Одним из центральных вопросов современного естествознания, на который наука не дает однозначного ответа, является вопрос о появлении человека на Земле. Изучением происхождения и эволюции человека, движущих сил и закономерностей антропогенеза , соотношения биологического и социального в процессе развития человека занимается отрасль естествознания антропология (от греч. anthropos - человек). В настоящее время существует несколько концепций происхождения человека.
- Концепция креационизма . В древнейших мифах и легендах разных народов нашли отражение представления о божественном происхождении человека, согласно которым всемогущий бог (боги) создал окружающий мир и человека. Господствующая в европейских странах религия - христианство - утверждает, что Бог создал человека на шестой день творения мира по своему образу и подобию.
- Концепция эволюци и определяет положение человека в природе, объясняет его сходство с другими животными.
Уже в античной философии имели место попытки понять природу и сущность человека. Первые представления о единстве и развития живого берут начало у античных философов (Эмпедокл, Демокрит, Лукреций, Аристотель и др.). Карл Линней (1735 г.) при создании классификации органического мира поместил человека в отряд приматов вместе с лемуром и обезьяной. Идея родства между высшими приматами и человеком нашла поддержку и научное обоснование в работах Ж. Бюффона (1749) и Ж.Б. Ламарка (1809).
Крупнейшим вкладом в развитие симиальной (обезьяньей) теории антропогенеза стала книга Ч. Дарвина «Происхождение человека и половой отбор» (1871 г.), в которой выдвигается гипотеза о происхождении человека от обезьяноподобного предка путем очень длительной эволюции, предсказаны грядущие ископаемые находки, подчеркивается особое сходство человека, шимпанзе и гориллы и предполагается, что родиной первых людей была Африка. В дальнейшем открытия в области сравнительной анатомии, физиологии, биохимии, генетики предоставили ряд доказательств родства человека с высшими приматами. Найденные палеонтологами останки общих предков человека и человекообразных обезьян подтвердили правильность концепции антропогенеза.
- Трудовая концепция. Фридрих Энгельс в своей работе «Роль труда в процессе преобразования обезьяны в человека» рассматривает особенности эволюции приматов, связанные с трудовой деятельностью. Существенным моментом в процессе антропогенеза является прямохождение , вызвавшее интенсивное развитие нервной системы, прежде всего головного мозга. Благодаря прямохождению произошло разделение функций верхних и нижних конечностей. Рука приобрела способность производить сотни разнообразных и тонких движений.
Она стала орудием труда , который явился предпосылкой и условием развития речи, мышления, сознания, всего того, что отличает человека от животного. Человек - единственное существо на Земле, способное сознательно, целенаправленно преобразовывать окружающий мир, планировать и предвидеть результаты. Постепенно биологические факторы эволюции человека (изменчивость, наследственность и естественный отбор) уступают место социальным факторам (трудовой деятельности, общественному образу жизни, речи и мышлению).
- Концепция мутагенеза. Сегодня известно, что видообразование нельзя объяснить только изменениями окружающей среды. Основную роль в эволюции должны играть доминантные мутации - изменения генетического кода особи. Условия среды и образ жизни способствуют только естественному отбору среди множества мутаций особей, отличающихся некоторым преимуществом, лучшей приспособленностью к данным условиям.
Причиной возникновения такого рода мутаций, как предполагают ученые, могут быть экстремальные геофизические факторы, например, изменение уровня радиации или геомагнитная инверсия . Учеными установлено, что местом возникновения антропоидов является Восточная и Южная Африка , характеризующаяся высоким уровнем радиации и активной вулканической деятельности. Землетрясения вызывали смещение геологических пластов, в результате которого происходило обнажение радиоактивных пород и резкое увеличение радиоактивного излучения.
Геомагнитные инверсии (смены магнитных полюсов Земли) сопровождаются увеличением частоты мутаций в два раза, что приводит к мощным вспышкам биологического формообразования. Найденные в Африке останки древних обезьянолюдей относят к периоду геомагнитной инверсии, появление питекантропа также по времени совпадает с очередной геомагнитной инверсией (690 тыс. лет назад). Следующая смена полюсов произошла 250-300 тыс. лет назад, в это время на Земле существовали неандертальцы. Появление современного человека (30-40 тыс. лет назад) также совпадает с периодом очередной геомагнитной инверсии. Гипотеза геомагнитной инверсии была выдвинута российским антропологом Г.Н. Матюшкиным.
- Космическая концепция, концепция панспермии . Жизнь зародилась в космосе и была занесена на Землю в виде космических зачатков - космозоев (Г. Рихтер, 1865). Космическую концепцию поддерживали русские ученые С.П. Костычев, Л.С. Берг, В.И. Вернадский, связывая возникновение жизни с появлением на Земле частичек вещества, пылинок, спор из космического пространства, которые летают во Вселенной за счет светового давления.
В конце 1960-х гг. появилась и другая точка зрения, согласно которой человек рассматривается как потомок или творение инопланетян , попавших в силу каких-то причин на Землю. Но аргументы, используемые для доказательства космической концепции, очень зыбки и легко опровергаются.
Среды, предназначаемые для ферментационных процессов
Превалирующим компонентом всех (или почти всех) биотехнологических процессов является вода. В лабораторных условиях можно легко определить специфические потребности любого конкретного организма и затем (с известной долей приближения) экстраполировать на производственный уровень.
Если процесс крупномасштабный, то важным моментом будет доступность субстрата для культивирования (наличие его в требуемых количествах, стабильность, восполняемость, легкость в обращении и сохранении). Стоимость материалов является важным фактором, поскольку внедрение любого биотехнологического процесса в значительной степени зависит от его стоимости по сравнению с существующими методами производства этого же продукта.
Неотъемлемым фактором является здоровье работников, особенно при манипуляциях с порошковыми материалами.
Приготовление питательных сред для ферментационных процессов обычно рассматривается как мало интересная часть общей задачи, но фактически оно является краеугольным камнем, обеспечивающим успех всех последующих этапов. Среды неподходящего состава обусловят низкий уровень ростовых процессов и, следовательно, низкий уровень выхода целевого продукта.
Известно, что главенствующую роль в клетке играет ядро или его аналог у бактерий и условно – у вирусов.
Постоянным компонентом ядра (или нуклеотида) является ДНК, входящая в состав хромосом. Каждая хромосома содержит только одну молекулу ДНК, в которой в линейном порядке сгруппированы самовоспроизводящиеся дискретные единицы, или гены (цистроны – или первичные гены), обладающие элементарной биохимической функцией.
Мутация – это скачкообразное наследуемое изменение гена.
В основе мутагенеза лежит изменчивость микроорганизмов, под которой понимают разнообразие организмов, ныне существующих и вновь образующихся. Поэтому при работе с микроорганизмами используют в качестве объекта не одну особь, а популяции.
Популяция – многочисленные клетки (особи) одного вида, обитающие в ряду поколений в определенных условиях, где нет заметных преград для случайного свободного скрещивания этих клеток. Микроорганизмы в популяции характеризуются общностью генетической программы и возможностью свободного обмена генетической информацией.
Характерные показатели популяции:
а) плотность – число особей на единицу объема или площади;
б) прирост – число новых особей, возникающих в единицу времени;
в) гибель – число особей, гибнущих в единицу времени.
Изменение численности популяции выражается кривыми размножения или кривыми выживания .
Культура микроба называется чистой , если родительские и дочерние особи практически неразличимы и между ними нельзя установить родственные связи. Чистые культуры (как популяции) мало или совсем непригодны для генетических исследований, которые выполняются, в основном, на клоновых культурах .
Клон – это культура, состоящая из наследственно однородных клеток, возникающих в результате бесполого размножения. Однако клоновые культуры грибов (одноклеточных низших) трудно получить, так как их клетки могут быть многоядерными.
Мутация – это генетическое и необратимое изменение нормы реакции организма.
Норма реакции организма – это проявление фенотипа в разных условиях существования вида.
Фенотип – это определенная сумма признаков организма в конкретных внешних условиях.
Виды мутагенов:
Химические мутагены : производные этилена, уретаны, алкилсульфонаты, иприты, этиленимины и др.;
Физические мутагены : излучения (ионизирующие – β и g; ультрафиолетовое), ультразвук, повышенная температура и др.;
Биологические мутагены : вирусы бактерий (фаги).
Клетки, наследственно изменившиеся под влиянием мутагенов, называются мутантными , а культуры, полученные из них – мутантами .
Мутации по механизму возникновения могут быть:
- Индуцированные (контролируемые);
- Спонтанные (неконтролируемые или ненаправленные). Они имеют место в естественных условиях без вмешательства экспериментатора.
Адекватность генотипического изменения клеток условиям среды обитания оценивается в ходе естественного отбора при адаптации, так как мутанты могут быть жизнеспособными и нежизнеспособными .
Типы мутаций:
- Ненаследуемые модификации;
- Длительные наследственные фенотипические модификации. Они присущи только клеточным структурам, но не вирусам.
Микробы, как высшие организмы, способны собирать и перераспределять уже имеющуюся наследственную информацию между родственными, но генетически неидентичными клетками. Процесс комбинирования в одной клетке мутировавших генов из двух разных клеток называют генетической рекомбинацией . Она наблюдается при трансформации, трансфекции, конъюгации и трансдукции.
При этом не происходит истинного слияния клеток, и лишь часть генетического материала переходит в клетку-реципиент. Образуется неполный, или частичный, диплоид - мерозигота (частичная зигота).
Трансформация – это процесс, при котором осуществляется перенос информации химически чистой ДНК от бактериальной клетки-донора в бактериальную клетку-реципиент, где в результате рекомбинации происходит замещение специфической последовательности генома.
Трансфекция – это процесс, при котором информация переносится в компетентную бактериальную клетку, когда она поглощает ДНК фага. Процесс поглощения ДНК фага компетентной клеткой при трансфекции сходен с процессом трансформации, однако они существенно различаются, поскольку фрагментация ДНК происходит только при трансфекции. Процесс идет естественным путем подобно заражению клеток фаговыми частицами.
Конъюгация (лат. соnjugаtiо – соединение – это процесс полного или частичного переноса генетической информации из мужской особи в женскую при установленном клеточном контакте между разнополыми клетками бактерий.
Трансдукция – это процесс переноса ДНК из бактериальной клетки-донора в фагочувствительную клетку-реципиент с помощью фага. Фаг выступает посредником между донорской и реципиентной клетками.
Мутантные клетки предварительно размножают в присутствии ингибиторов роста (здесь используется метод отбора – скрининг ). Затем отбирают лишь те мутанты (по форме и размерам колоний), которые преодолевают нарушение обмена веществ за счет образования (синтеза) избытка желаемого соединения (целевого продукта).
Молекулярные механизмы мутаций
Мутации. Мутационная теория. Мутагены
Краткая история изучения мутагенеза
Современные представления о мутациях сложились к началу XX столетия. Например, российский ботаник Сергей Иванович Коржинский в 1899 г. разработал эволюционную теорию гетерогенезиса, основанную на представлениях о ведущей роли дискретных (прерывистых) изменений.
Однако наиболее известной стала мутационная теория голландского ботаника Хьюго (Гуго) Де Фриза (1901 г.):
1 Мутации возникают внезапно, без всяких переходов.
2 Мутантные формы вполне устойчивы.
3 Мутации характеризуются дискретностью (прерывистостью); это качественные изменения, которые не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг среднего типа (моды).
4 Мутации возникают в разных направлениях, они могут быть вредными и полезными.
5 Успех в выявлении мутаций зависит от числа проанализированных особей.
6 Одни и те же мутации могут возникать повторно.
Таким образом, мутации – это качественные изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма .
Организм, во всех клетках которого обнаруживается мутация, называется мутантом . Это происходит в том случае, если данный организм развивается из мутантной клетки (гаметы, зиготы, споры). В ряде случаев мутация обнаруживается не во всех соматических клетках организма; такой организм называют генетической мозаикой . Это происходит, если мутации появляются в ходе онтогенеза – индивидуального развития. И, наконец, мутации могут происходить только в генеративных клетках (в гаметах, спорах и в клетках зародышевого пути – клетках-предшественницах спор и гамет). В последнем случае организм не является мутантом, но часть его потомков будет мутантами.
В дальнейшем мутационная теория Де Фриза была дополнена рядом положений. Установлено, что в одном и том же гене могут возникать разные мутации: тогда возникают серии множественных аллелей . Например, у мушки дрозофилы ген white («уайт» – белый), определяющий окраску глаз представлен последовательно доминирующими аллелями: w + (темно-красные глаза) > w ch (вишневые) > w a (абрикосовые) > w bf (тускло-желтые) > w (белые) и т.д. У кроликов ген, определяющий степень выраженности альбинизма, представлен последовательно доминирующими аллелями: C (нормальная, неальбинистическая окраска) > c ch (шиншилловая) > c h (горностаевая) > с (полный альбинизм).
В то же время, в разных генах могут возникать мутации со сходным фенотипическим эффектом. Такие мутации называются генокопиями . Генокопии необходимо учитывать в селекционном процессе: например, мутациями в разных генах может быть обусловлена устойчивость к фитопатогенным грибам у разных сортов растений.
Многочисленными исследованиями доказано, что мутации не носят адаптивный характер, они случайны, не направлены. Только в ходе эволюции, в ходе отбора оценивается «полезность», «нейтральность» или «вредность» мутаций в определенных условиях.
Установлено, что мутабильность гена (т.е. частота появления определенной мутации) зависит от природы гена: существуют гены, склонные к мутированию, и относительно стабильные гены. Еще в конце 20-х годов А. Стертевант, а затем Н. И. Шапиро предложили на основании исследования дрозофилы рассматривать мутабильность как адаптивный признак вида.
Мутационная теория Де Фриза основана на представлениях о спонтанных мутациях, которые возникают без видимых причин. Де Фриз не пытался (да и не мог) вскрыть механизмы возникновения мутаций.
Изучение молекулярных механизмов возникновения мутаций неразрывно связано с изучением мутагенеза. (Мутагенез – это процесс получения индуцированных мутаций с помощью мутагенов.)
Впервые индуцированные мутации были получены отечественными генетиками Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым в 1925 г. при облучении дрожжей излучением радия. В 1927 г. американский генетик Г. Мёллер выявил мутагенное действие рентгеновских лучей на дрозофиле, а в 1928 г. Л. Стадлер описал мутагенное действие рентгена на ячмень.
В 1930-ых гг. был открыт химический мутагенез. В 1932 г. В.В. Сахаров, а в 1934 г. М.Е. Лобашев и Ф.А. Смирнов показали, что некоторые химические вещества (йод, уксусная кислота, аммиак) способны индуцировать мутации у дрозофилы. В 1939 г. С.М. Гершензон установил, что чистая ДНК является сильным мутагеном. В течение 1940-ых гг. было доказано, что сильными мутагенами могут быть самые разнообразные вещества: этиленимин (И.А. Рапопорт, СССР), азотистый иприт (Ш. Ауэрбах и Дж. Робсон, Великобритания).
Параллельно было 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. Наряду с тератами – уродствами – часто встречаются морфозы – изменения, которые не ведут к утрате органом его функций.)
Отличить мутагенное действие от тератогенного сравнительно легко: тераты (уродства) являются 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 (заметим, что разные мутагены могут давать одинаковый фенотипический эффект). Если 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).
