Индуцированные мутации. Мутагенные факторы

Спонтанные мутации и их причины.

В любой популяции есть особи со спонтанными мутациями, т.е. которые возникли без явных причин. Любой ген с той или иной частотой спонтанно переходит в мутантное состояние. Пример: Частота локуса альбинизма у мышей 3*10^-5. Причины индукции спонтанных мутаций не ясны:

1. Долго считали, что это фон естественного ионизирующего излучения. Расчеты для дрозофил, показали, что естественный радиационный фон ответственен за 0,1% спонтанных мутаций. Хотя по мере увеличения продолжительности жизни воздействие естественного фона накапливается. У человека от 0,1 до 4% спонтанных мутаций можно отнести к естественному фону радиации.

2. Еще одной причиной может служить случайное повреждение хромосом в ходе нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке.

Предполагают, что спонтанные мутации могут быть следствием случайных ошибок функционирования молекулярных механизмов.

3. Причиной спонтанных мутаций может служить перемещение мобильных элементов по геному, которые могут внедряться в любой ген, и вызывать мутацию. 80% спонтанных мутаций именно этой природы.

Способность давать мутации – мутабильность, сильно подвержена влиянию генотипа. Даже в пределах одного вида различающиеся в генетическом отношении линии могут обладать разной мутабильностью. Особенно это заметно, когда в линии есть ген – мутатор, который увеличивает частоту генных мутаций у несущих его особей.

Следует различать частоты:

1. популяционная, которая равна мутационной частоте, если мутант быстро погибает или бесплоден. В этой популяции обнаруживают мутации только de novo. Если мутанты оставляют потомство, популяционная частота = мутационная частота + сегреганты.

2. мутационная частота.

Индуцированные мутации - это процесс возникновения мутаций под направленным действием физических, химических или биологических факторов. Меллер изучал в 1927 г. влияние рентгеновских лучей на мутационные процессы у дрозофил. В 30-е годы был открыт химический мутагенез. Сахаров, Лобашов и Смирнов показали, что уксусная кислота, аммиак способны индуцировать рецессивные летали в хромосоме. Такие факторы получили название мутагены или мутагенные факторы.

1. физический мутагенез. Физические мутагены:

- ионизирующие излучения – волновые (рентген, космические лучи) и корпускулярные (β-частицы, протоны, нейтроны, α-частицы)

Проходя через живое вещество, γ и рентгеновские лучи вырывают электроны из внешней оболочки атома или молекулы. Поэтому заряженные частицы – электроны присоединяются к нейтрально заряженным частицам. В результате нейтральная молекула приобретает заряд, что ведет к дальнейшим превращениям веществ. В 30-е годы Тимофеев-Ресовский и Дельбрюк выдвинули теорию мишени. Согласно которой, вызываемые радиацией мутации обязаны единичным актам ионизации, которые повреждают чувствительность структур (мишень – ДНК). Следовательно, частота индуцируемых мутаций зависит от дозы радиации. При этом не имеет значение дана доза однократно или порциями, хотя эффект более выражен при однократном введении дозы.

Частота генных мутаций и мелких перестроек хромосом, вызываемых ионизирующим излучением прямо пропорциональна дозе излучения. Это описывается уравнением:

, где

у – общая частота наблюдаемых мутаций,

k – частота спонтанных мутаций,

α – коэффициент пропорциональности – вероятность возникновения мутации у данного объекта в результате облучения дозой 1 рентген.

d – доза в рентгенах.

Так как k – мало, то им можно пренебречь:

То, что частота генных мутаций линейно зависит от дозы излучения, привело к предположению, что каждая мутация является результатом единичной мутации, это же относится и к мелким перестройкам. Объясняется это тем, что два разрыва, происходящие очень близко в хромосоме вызываются единичной ионизацией. Если это верно, то для крупных хромосомных перестроек следовало бы наблюдать другой зависимости от дозы излучения. Так как крупные хромосомные перестройки являются результатом двух и более далеко отстоящих друг от друга разрывов, поэтому частота этих перестроек должна быть равна квадрату дозы излучения. Иногда это верно, но больше частота индуцированных облучений крупных перестроек пропорциональна не квадрату дозы, а меньшей величине. Причины этого не ясны. Полагают, что это связано с особенностями механизмов соединения концов образовавшихся фрагментов. Или, возможно, сохраняются только те крупные абберации, которые не влияют на жизнеспособность клетки, либо незначительно ее снижают. Теория мишеней отражает важные стороны ионизирующего излучения. В дальнейшем было выяснено, что механизмы радиационного мутагенеза более сложны. Радиация играет основную роль в возникновении мутаций.

Существуют факты, доказывающие, что ионизирующее излучение может действовать на генетический аппарат косвенно. При прохождении ионизирующих частиц через цитоплазму, они образуют радикалы, способные реагировать с химическими компонентами хромосом. Большое значение играют свободные радикалы, которые образуются в результате радиолиза воды.

Н + ОН = Н₂О

Н + Н = Н₂

ОН + ОН = Н₂О₂

Еще одним доказательством косвенного влияния были опыты, которые показали, что облучение жидкой питательной среды делает ее мутагенной для помещаемых в нее бактерий. Это действуют свободные радикалы перекиси. Если происходит в атмосфере богатой кислородом, то количество мутаций больше, чем в атмосфере бедной кислородом или в атмосфере инертного газа. Полагают, что в присутствии кислорода облучение увеличивает образование перекиси водорода. Увеличение частоты мутаций с увеличением дозы идет до известных определенных пределов, выше которых частота выявленных мутаций снижается. Это объясняется:

- при очень высоких дозах поражение генов и хромосом доходит до того, что клетки нежизнеспособны.

- если повреждены половые клетки и способны участвовать в оплодотворении, то зигота погибает из-за грубых нарушений генетического аппарата – это доминантная летальность. Следовательно, вместе с организмом умирает мутация. Значит, снижается частота мутаций в обнаруживаемых потомках особей, которых облучали.

Ионизирующее излучение в большей степени увеличивает частоту перестроения хромосом, чем частоту генетических мутаций. не все повреждения генетического аппарата, вызванные облучением реализуются в виде мутаций. множество из них исправляются за счет репаративных ферментных систем. Явление репарации обнаружены при индукции крупных хромосомных перестроек при фракционированном излучении.

Мутационный эффект радиационного излучения определяется суммой долей излучения и не зависит от фракционирования. Это справедливо для мелких перестроек, но не для крупных перестроек, для которых необходимо 2 и более точек разрыва.

1. Если вся доза дается сразу, то в клетках одновременно присутствуют митотические концы разорвавшихся хромосом. Концы могут соединяться в любых сочетаниях – инверсии, транслокации и делеции.

2. Если доза дается в несколько приемов, то часть ранее возникших перестроек успевает восстановиться до воздействия новой порции.

В результате суммирования доз, а разбитая на фракции дает меньшие мутации. Такой же результат: если короткое высокоинтенсивное излучение заменить тождественной дозой растянутой во времени, но менее интенсивной.

- Сильное ионизирующее излучение (ультрафиолет) – большая длина волны и меньшая энергия.

УФ-лучи не ионизируют атомы, таким образом возбуждение их оболочки, следовательно, различные химические реакции в этих клетках и, => мутации.

Мутагенные свойства УФ-лучей зависят от длины волны. Наиболее мутагенные с длиной волны = 260 нм. И чем меньше длина волны, тем меньше мутагенные свойства. Это связано с тем, что ДНК поглощает УФ-лучи с длиной волны 260 нм. Проникающая способность УФ мала, => нет действия на половые клетки, и мутагенные свойства проявляются у низших организмов. У человека действует на кожу.

- Температура. Воздействует на тех, у кого температура тела зависит от окружающей среды. увеличение температура на каждые 10° увеличивает частоту мутаций в 3-5 раз. При этом возникает генные мутации. Перестройки хромосом могут быть таким образом при приближении к верхней границе переносимости.

2. химические мутагены:

2.1. алкилирующие соединения, т.е. высокоактивные вещества, переносящие алкильные группировки (свободные радикалы). Пример: диметилсульфат, иприт, диэтилсульфат (некоторые из них являются супермутагены).

2.2. вещества, близкие по химической структуре к АКО, которые входят в НК. Пример: 2-аминопурин, кофеин.

2.3. акридиновые красители. Пример: профлавин.

2.4. сборная веществ, мутагенные свойства которых изучены хорошо, но различны по структуре и молекулярному механизму действия. Пример: азотистая кислота, перекись водорода, уретан, формальдегид.

Особенности химического мутагенеза

1. нет прямой зависимости

2. обладают пороговым эффектом

3. специфичность эффектов в разных тканях

4. каждый химический мутаген имеет свой спектр мутации.

5. для химических мутагенов характерно возникновение хроматидных аббераций

6. для химического мутагенеза отмечается задержанный (продленный) эффект, т.е. не после воздействия, а спустя 2-3 клеточных поколений, причины этого неясны.

7. региональная специфичность. Гетерохроматин более подвержен воздействию, чем эухроматин.

8. совместный эффект нескольких действующих мутагенов не всегда носит аддитивный характер.

40. Числовые мутации: полиплоидии, анеуплоидии, их причины, механизмы формирования.

Изменение числа хромосом, когда в клетках присутствуют более двух гаплоидных наборов - это полиплоидия (1910 г. Стасбургер). Гаплоидным называется такой набор хромосом, в котором из каждой пары гомологов присутствует только одно хромосома. Геном – это гаплоидный набор. Причинами полиплоидии может быть:

1. репродукция хромосом в неделящейся клетке,

2. слияние соматических клеток или их ядер,

3. нарушение мейоза, которое приводит к образованию гамет с нередуцированным числом хромосом.

Полиплоиды, у которых несколько раз повторяется один и тот же набор хромосом называются аутополиплоиды, или автополиплоиды. Таким образом, в ходе эволюции образовались многие виды растений. Полиплоиды, возникшие у межвидовых гибридов и содержащие по этому несколько повторений двух разных наборов хромосом называются анеуплоиды. Изменение числа отдельных хромосом – анеуплоидия, причиной которой является нерасхождение отдельных хромосом в мейозе.

2n-1 – моносомия,

2n+1 – трисомия,

2n+2 – тетрасомия.

У растений такие варианты часто жизнеспособны. У животных жизнеспособными являются анеуплоиды по половым хромосомам. У человека жизнеспособными являются анеуплоиды по половой хромосоме, а также трисомии по 21, 13, 18 (с-м Эдвардса). По всем остальным хромосомам анеуплоидии летальны.

Дата добавления: 2015-04-24