Загальні закономірності мутагенезу

Мутагенез - це процес виникнення спадкових змін - мутацій, що з'являються природно (спонтанно) або викликаються (індукованих) різними фізичними або хімічними чинниками - мутагенами. Мутації - це якісні зміни генетичного матеріалу, що призводять до зміни тих чи інших ознак організму. Організм, у всіх клітинах якого виявляється мутація, називається мутантом.Це відбувається в тому випадку, якщо даний організм розвивається з мутантної клітини (гамети, зиготи, спори). У ряді випадків мутація виявляється не у всіх соматичних клітинах організму; такий організм називають генетичної мозаїкою.Це відбувається, якщо мутації з'являються в ході онтогенезу - індивідуального розвитку. І, нарешті, мутації можуть відбуватися тільки в генеративних клітинах (в гаметах, суперечках і в клітинах зародкового шляху - клітинах-попередницях суперечка і гамет). В останньому випадку організм не є мутантом, але частина його нащадків буде мутантами. В основі мутагенезу лежать зміни в молекулах нуклеїнових кислот, що зберігають і передають спадкову інформацію. Ці зміни виражаються у вигляді генних мутацій або хромосомних перебудов. Крім того, можливі порушення мітотичного апарату клітинного ділення, що веде до геномних мутацій типу поліплоїдії або анеуплоїдії. Пошкодження нуклеїнових кислот (ДНК, РНК) полягають або в порушеннях вуглеводно-фосфатного остову молекули (її розрив, вставка або випадання нуклеотидів), або в хімічних змінах азотистих основ, що безпосередньо представляють генні мутації або приводять до їх появи в ході подальшої реплікації пошкодженої молекули. При цьому пуриновое підстава замінюється іншим пуріновим або пірімідіновоє підстава - іншим пірімідіновим (транзіциі), або пуріновоє підстава замінюється пірімідіновим або пірімідіновоє - пуріновим (трансверсіі). У результаті у визначальних синтез білка трійках нуклеотидів (кодонах) виникають два типи порушень: так звані нонсен-ськодони («безглузді»), взагалі не визначають включення амінокислот у білок, що синтезується, і так звані міссенс-кодони («спотворюють сенс»), що визначають включення в білок невірної амінокислоти, що змінює його властивості. Вставки або випадання нуклеотидів ведуть до неправильного прочитування генетичної інформації (зрушенню рамки зчитування), в результаті чого зазвичай виникають «безглузді» кодони і лише в рідкісних випадках «спотворюють сенс». Мутації виникають не миттєво. Спочатку під впливом мутагенів виникає предмутаціонное стан клітини. Різні репараційні системи прагнуть усунути цей стан, і тоді мутація не реалізується. Основу репараційних систем складають різні ферменти, закодовані у генотипі клітини (організму). Таким чином, мутагенез знаходиться під генетичним контролем клітки; це - не фізико-хімічний, а біологічний процес. Наприклад, ферментні системи репарації вирізують пошкоджену ділянку ДНК, якщо пошкоджена тільки одна нитка (цю операцію виконують ферменти ендонуклеази), потім знову добудовується ділянка ДНК, комплементарний по відношенню до збереженої нитки (цю операцію виконують ДНК-полімерази), потім відновлена ​​ділянка зшивається з кінцями нитки, що залишилися після вирізання пошкодженої ділянки (цю операцію виконують лігази). Існують і більш тонкі механізми репарації. Наприклад, при втраті азотистого підстави у нуклеотиде відбувається його пряме вбудовування (це стосується аденіну та гуаніну); метильная група може просто отщепляться; однониткових розривів зшиваються. У деяких випадках діють більш складні, маловивчені системи репарації, наприклад, при пошкодженні обох ниток ДНК. Однак при великому числі ушкоджень ДНК вони можуть стати незворотними. Це пов'язано з тим, що: по-перше, репараційні системи можуть просто не встигати виправляти ушкодження, а по-друге, можуть пошкоджуватися самі ферменти систем репарації, незворотні пошкодження ДНК приводять до появи мутацій - стійких змін спадкової інформації. Механізм мутагенезу для різних мутагенів неоднаковий. Іонізуючі випромінювання діють на нуклеїнові кислоти безпосередньо, іонізуючи і активуючи їх атоми. Це призводить до розривів вуглеводно-фосфатного остову молекули і водневих зв'язків між комплементарними нитками ДНК, утворення «зшивок» між цими нитками, руйнуванню азотистих основ, особливо пірімідінових. Пряма дія іонізуючої радіації на хромосоми і міститься в них ДНК обумовлює майже лінійну залежність між дозою опромінення і частотою викликаються опроміненням генних мутацій і недостач (малих поділок), а проте для тих типів хромосомних перебудов, які виникають в результаті двох розривів хромосоми (більші делеції, інверсії, транслокації та ін), залежність між дозою опромінення та їх частотою має більш складний характер. Мутагенну дію іонізуючих випромінювань може бути і непрямим, так як проходження їх через цитоплазму або живильне середовище, в якій культивуються мікроорганізми, викликає радіоліз води і виникнення вільних радикалів і перекисів, що володіють мутагенною дією. Ультрафіолетове випромінювання збуджує електронні оболонки атомів, що викликає різні хімічні реакції в нуклеїнових кислотах, що призводять до мутацій. З цих реакцій найбільше значення мають гідратація цитозину та освіта димерів тиміну, але відому роль в мутагенезі грають також розрив водневих зв'язків між нитками ДНК і утворення «зшивок» між цими нитками. Ультрафіолетові промені погано проникають у внутрішні тканини організму, і їх мутагенну дію виявляється тільки там, де вони можуть досягти генетичного апарату (наприклад, при опроміненні вірусів, бактерій, спор рослин і т.п.). Найбільш мутагенних ультрафіолетові промені з довжиною хвилі від 2500 до 2800 А, що поглинаються нуклеїновими кислотами. Промені видимого спектру пригнічують мутагенний ефект ультрафіолетових променів. Алкілуючі з'єднання, до числа яких належать найбільш сильні з відомих мутагенів (так звані супермутагени), наприклад нітрозоетілмочевіна, етілметансульфонат та ін, алкилируют фосфатні групи нуклеїнових кислот (що призводить до розривів вуглеводно-фосфатного остову молекули), а також азотисті основи (головним чином гуанін), в результаті чого порушується точність реплікації нуклеїнових кислот і виникають транзіциі і зрідка - трансверсіі. Аналоги азотистих основ включаються до нуклеїнові кислоти, що при подальшій реплікації веде до появи транзицію і трансверсій. Ці ж типи змін викликаються азотистою кислотою, дезамінірующей азотисті основи. Акридинового барвники утворюють комплекс з ДНК, що заважає її реплікації: в результаті випадають або додатково вставляються одна або кілька пар нуклеотидів, що призводить до зрушення рамки зчитування. Аналогічні типи реакцій з нуклеїновими кислотами характеризують і інші хімічні мутагени, але для багатьох з них механізм мутагенезу вивчено недостатньо. Деякі мутагени порушують цитоплазматичний апарат мітозу, наслідком чого є нерозходження всіх розділилися хромосом або неправильності у розподілі їх між дочірніми клітинами; в першому випадку виникає поліплоїдія, у другому - анеуплоїдія. Відомі хімічні речовини, специфічно діють таким чином (наприклад, алкалоїд колхіцин). На хід мутагенезу роблять значний вплив різні зовнішні чинники. Так, частота мутацій, індукованих іонізуючими випромінюваннями, зростає при надходженні у клітину кисню і падає при його недоліку, наприклад, якщо опромінення відбувається в атмосфері азоту. Деякі речовини пригнічують мутагенез (Антимутагени). Наприклад, введення в клітину аденозину або гуанозіна гальмує мутагенну дію аналогів пуринових азотистих основ; фермент каталаза знижує мутагенний ефект іонізуючих випромінювань і т.д. При дії деяких хімічних мутагенів мутації можуть виникати як відразу, так і через певний час, іноді через кілька клітинних поколінь. Мутагени, фізичні та хімічні фактори, що викликають стійкі спадкові зміни - мутації. Було встановлено, що мутагени за певних умов надають канцерогенну і тератогенну дію. Канцерогени - це фактори, що провокують розвиток онкологічних захворювань; тератогени - це фактори, що провокують розвиток різних аномалій, каліцтв. Поряд з тератом - каліцтвами - часто зустрічаються морфози - зміни, які не ведуть до втрати органом його функцій. Відрізнити мутагенну дію від тератогенної порівняно легко: Терато (каліцтва) є модифікаціями, вони передбачувані (спрямовані) і не зберігаються в наступних поколіннях. Наприклад, сіре забарвлення тіла у дрозофіли - це нормальна ознака. У той же час відома мутація yellow - жовте тіло. Цю мутацію легко отримати штучно, обробляючи батьківських особин різними мутагенами (різні мутагени можуть давати однаковий фенотипический ефект). Якщо личинкам дрозофіли додавати в корм азотнокисле срібло, то всі ці личинки розвинуться у мух з жовтим тілом. Але, якщо від цих жовтих мух отримати потомство і вирощувати його на звичайній живильному середовищі, то всі нащадки знову стануть сірими. Таким чином, в даному випадку «пожовтіння» тіла мух - це не мутація, а модифікація, або фенокопии (модифікація, за фенотипом копіює мутацію).

Антимутагени - це речовини, що знижують частоту мутацій, що перешкоджають мутагенному дії хімічних або фізичних агентів. Антимутагени умовно можна розбити на 3 групи: 1) блокують дію автомутагенов, природно виникають у клітинах в процесі метаболізму (антіавтомутагени), наприклад фермент каталаза, який руйнує володіє мутагенною дією перекис водню. Ці Антимутагени забезпечують збереження певного рівня спонтанних мутацій; 2) знижують дію зовнішніх, штучних фізичних (ионизующее радіації тощо) або хімічних мутагенів. Такими антимутагенними є сульфгідрильні з'єднання, сильні відновники типу Na ₂ S ₂ O, деякі спирти і вуглекислі солі. Антимутагени цих двох груп можуть руйнувати мутагени або конкурувати з важливими в генетичному відношенні структурами за взаємодію з мутагеном, діяти як відновники і т. д.; 3) ферментні системи, які діють безпосередньо на рівні спадкових структур, тобто «виправляють» пошкоджені мутагеном ділянки хромосоми. Мутаційний ефект може бути також знятий фізичним впливами певної інтенсивності (світлом, високою і низькою температурою та ін.) Автомутаген (від авто ..., лат. Muto - змінюю і ... ген), речовина, що виникає в клітині або організмі в процесі життєдіяльності (наприклад, при старінні) і що викликає спадкові зміни. Автомутагени можуть викликати як хромосомні перебудови, так і генні мутації.