Мутации. Причины мутаций. Спонтанные и индуцированные мутации. Значение мутаций для организма и для эволюции вида

СОДЕРЖАНИЕ
Введение……………………………………………………………………3
1. Понятие и причины мутации…………………………………………....4
2. Классификация мутаций………………….………………...…………...6
3. Значение мутаций для организма и для эволюции вида………….…13
Заключение………………………………………………………………..16
Список литературы……………………………………………………….17

ВВЕДЕНИЕ
Генетика – наука сравнительно молодая. Лишь на рубеже 18-19 веков были сделаны попытки оценить наследственность людей. Мопертюи в 1750 году впервые предположил, что различные патологии могут передаваться по наследству. Затем в 19 веке были выявлены некоторые закономерности. Но официальной датой рождения генетики принято считать весну 1900 года, когда независимо друг от друга голландский ученый Г. Фриз немецкий Корренс и австрийский ученый Чермак «переоткрыли» законы Менделеева, что и дало толчок к развитию генетических исследований. Уже в 1901-1903 годах Г. Фризом была создана мутационная теория, постулаты которой справедливы и сегодня: мутации возникают внезапно, устойчивы, могут быть прямыми и обратными и, наконец, могут возникать повторно.
Мутационный процесс является главным источником изменений, приводящим к различным патологиям. Задачи науки на ближайшие время определяются как уменьшения генетического груза путем предотвращения или снижения вероятности мутаций и устранения возникших в ДНК изменений с помощью генной инженерии. Генная инженерия – новое направление в молекулярной биологии, появившееся в последние время, которое может в будущем обратить мутации на пользу человеку, в частности, эффективно бороться с вирусами. Уже сейчас существуют вещества называемые антимутагены, которые приводят к ослаблению темпов мутирования. Усᴨехи современной генетики находят применение в диагностики, профилактике и лечении ряда наследственных патологий.
ПОНЯТИЕ И ПРИЧИНЫ МУТАЦИИ
Генетика изучает процессы преемственности жизни на молекулярном, клеточным, организменном и популяционном уровне. Генетика человека говорит о законах наследственности и изменчивости у человека в норме и при патологиях. Так что же такое изменчивость? Генотипическая изменчивость – изменения, произошедшие в структуре генотипа и передаваемые по наследству. К этому типу изменчивости относят комбинативную и мутационную изменчивости, которые ведут к увеличению внутривидового разнообразие в природе. Предполагалось, что именно изменчивости таких типов мутаций и сыграли немаловажную роль в мировой эволюции.
Мутация (лат. mutatio — изменение) — стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) изменение генома. Термин предложен Гуго де Фризом в 1901 году. Процесс возникновения мутаций получил название мутагенеза.
Мутации – это изменения в ДНК клетки. Возникают под действием ультрафиолета, радиации (рентгеновских лучей) и т.п. Передаются по наследству, служат материалом для естественного отбора. отличия от модификаций
Генные мутации – изменение строения одного гена. Это изменение в последовательности нуклеотидов: выпадение, вставка, замена и т.п. Например, замена А на Т. Причины – нарушения при удвоении (репликации) ДНК. Примеры: серповидноклеточная анемия, фенилкетонурия.
Хромосомные мутации – изменение строения хромосом: выпадение участка, удвоение участка, поворот участка на 180 градусов, перенос участка на другую (негомологичную) хромосому и т.п. Причины – нарушения при кроссинговере. Пример: синдром кошачьего крика.
Геномные мутации – изменение количества хромосом. Причины – нарушения при расхождении хромосом.
Полиплоидия – кратные изменения (в несколько раз, например, 12 → 24). У животных не встречается, у растений приводит к увеличению размера.
Анеуплоидия – изменения на одну-две хромосомы. Например, одна лишняя двадцать первая хромосома приводит к синдрому Дауна (при этом общее количество хромосом – 47).
Цитоплазматические мутации – изменения в ДНК митохондрий и пластид. Передаются только по женской линии, т.к. митохондрии и пластиды из сперматозоидов в зиготу не попадают. Пример у растений – пестролистность.
Соматические – мутации в соматических клетках (клетках тела; могут быть четырех вышеназванных видов). При половом размножении по наследству не передаются. Передаются при вегетативном размножении у растений, при почковании и фрагментации у кишечнополостных (у гидры).Мутации возникают постоянно у всех живых организмов под воздействием мутагенных факторов.
Мутагенные факторы — факторы внешней и внутренней среды, способные вызывать мутации.
К физическим факторам относят ионизирующее излучение, ультрафиолетовое излучение, повышенную температуру. Под их воздействием происходит повреждение молекул ДНК, что приводит к появлению мутаций.
Химические факторы — это вещества, под действием которых изменяется наследственный материал. Мутагенное действие обнаружено у формальдегида, колхицина, соединений свинца и ртути, некоторых ядохимикатов, компонентов табачного дыма и т. д.
Биологические факторы — живые организмы. Установлено, что мутагенным действием обладают вирусы, а также токсины плесневых грибов.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ МУТАЦИЙ
По способу возникновения различают спонтанные и индуцированные мутации.
1. Спонтанные (случайные) – мутации, возникающие при нормальных условиях жизни. Спонтанный процесс зависит от внешних и внутренних факторов (биологические, химические, физические). Спонтанные мутации возникают у человека в соматических и генеративных тканях.
Метод определения спонтанных мутаций основан на том, что у детей появляется доминантный признак, хотя у его родителей он отсутствует. Проведенное в Дании исследование показали, что примерно одна из 24 000 гамет несёт в себе доминантную мутацию. Ученый же Холдейн рассчитал среднюю вероятность появления спонтанных мутаций, которая оказалась равна 5*10-5 за поколение. Другой учёный Курт Браун предложил прямой метод оценки таких мутаций, а именно: число мутаций разделить на удвоенное количество обследованных индивидов.
Спонтанные мутации происходят в природе крайне редко с частотой 1-100 на миллион экземпляров данного гена. В настоящие время вполне понятно, что спонтанный мутационный процесс зависит как от внутренних, так и от внешних факторов, которые называют мутационным давлением среды.
Причины спонтанных мутаций не совсем ясны. Раньше считали, что их вызывает естественный фон ионизирующих излучений. Однако оказалось, что это не так. Например, у дрозофилы естественный радиационный фон вызывает не более 0,1% спонтанных мутаций. С возрастом последствия от воздействия естественного радиационного фона могут накапливаться, и у человека от 10 до 25% спонтанных мутаций связаны с этим.
Второй причиной спонтанных мутаций являются случайные повреждения хромосом и генов во время деления клетки и репликации ДНК вследствие случайных ошибок в функционировании молекулярных механизмов.
Третьей причиной спонтанных мутаций является перемещение по геному мобильных элементов, которые могут внедриться в любой ген и вызвать в нем мутацию. Американский генетик М. Грин показал, что около 80% мутаций, которые были открыты как спонтанные, возникли в результате перемещения мобильных элементов.
2. Индуцированный мутагенез – это искусственное получение мутаций с помощью мутагенов различной природы. Вᴨервые способность ионизирующих излучений вызывать мутации была обнаружена Г.А. Надсоном и Г.С. Филлиповым. Затем, проводя обширные исследования, была установлена радиобиологическая зависимость мутаций. В 1927 году американским учёным Джозефом Мюллером было доказано, что частота мутаций увеличивается с увеличением дозы воздействия. В конце сороковых годов открыли существование мощных химических мутагенов, которые вызывали серьезные повреждения ДНК человека для целого ряда вирусов. Одним из примеров воздействия мутагенов на человека может служить эндомитоз – удвоение хромосом с последующим делением центромер, но без расхождения хромосом.
В 1927 г. Г. Мёллер сообщил о действии рентгеновских лучей на мутационный процесс у дрозофилы и предложил количественный метод учета рецессивных летальных мутаций в Х-хромосоме (ClB), который стал классическим. В 1946 г. Мёллеру была присуждена Нобелевская премия за открытие радиационного мутагенеза.
В настоящее время установлено, что практически все виды излучений (в том числе ионизирующая радиация всех видов – a, b, g; УФ-лучи, инфракрасные лучи) вызывают мутации. Их называют физическими мутагенами.
Основные механизмы их действия:
нарушение структуры генов и хромосом за счет прямого действия на молекулы ДНК и белков;
образование свободных радикалов, которые вступают в химическое взаимодействие с ДНК;
разрывы нитей веретена деления;
образование димеров (тиминовых).
Индуцированные мутации возникают при воздействии на человека мутагенами – факторами, вызывающими мутации. Мутагены же бывают трёх видов:
Физические (радиация, электро-магнитное излучение, давление, темᴨература и т.д.)
Химические (цитостатики, спирты, фенолы и т.д.)
Биологические (бактерии и вирусы)
По отношению к зачатковому пути существуют соматические и генеративные мутации.
1. Генеративные мутации возникают в репродуктивных тканях и в связи с этим не всегда выявляются. Для того, чтобы выявилась генеративная мутация, необходимо, чтобы мутантная гамета участвовала в оплодотворении.
2. Соматические мутации – мутации, возникающие в клетках тела и обусловливающие мозаичность организма, т.е. образование в нём отдельных участков тела, тканей или клеток с отличным от остальных набором хромосом или генов. В клетках развивающегося организма могут возникать соматические мутации всех тех типов, которые наблюдаются в половых клетках: умножения хромосомного набора в целом в результате нормального деления хромосом без последующего деления ядра и клетки; трисомии и моносомии различных хромосом в результате отхождения двух дочерних хромосом к одному полюсу (вместо расхождения их к разным полюсам); потери хромосомы в одной из дочерних клеток в результате её задержки в зоне экваториальной пластинки при делении и т.д. В соматических клетках с той или иной частотой имеют место инверсии (ᴨȇревороты), делеции (утраты) и транслокации (ᴨерестановки) участков хромосом, а также мутации отдельных генов.
Чем раньше в процессе развития организма возникает соматические мутации, тем большее количество клеток-потомков её унаследует при условии, что мутация не убивает клетку-носительницу и не снижает темпов её размножения. Генные соматические мутации проявляются относительно редко, т.к. в подавляющем большинстве случаев функция мутантного гена или выпавшего участка хромосомы комᴨȇнсируется наличием нормального гомологичного гена или нормального участка в партнёре – гомологе мутантной хромосомы. Проявление некотоҏыҳ соматические мутации подавляется соседством нормальной ткани. Наконец, соматические мутации может не проявиться в силу того, что в данной ткани соответствующий участок хромосомы неактивен. Тем не менее, в начале 60-х г. 20 в. выяснилось важное значение – соматические мутации в патогенезе ненормального развития половой системы, в возникновении самопроизвольных абортов и врождённых уродств, в канцерогенезе.
По адаптивному значению выделяют положительные, отрицательные и нейтральные мутации. Эта классификация связана с оценкой жизнеспособности образовавшегося мутанта.
По изменению генотипа мутации бывают генные, хромосомные и геномные.
1. Генные (точковые) мутации затрагивают, как правило, один или несколько нуклеотидов, при этом один нуклеотид может превратиться в другой, может выпасть (делеция), продублироваться, а группа нуклеотидов может развернутся на 180 градусов. Например, широко известен ген человека, ответственный за серповидно - клеточную анемию, который может привести к летальному исходу. Соответствующий нормальный ген кодирует одну из полиᴨептидных цеᴨей гемоглобина. У мутантного гена нарушен всего один нуклеотид (ГАА на ГУА). В результате в цепи гемоглобина одна аминокислота заменена на другую (вместо глутамина – валин). Казалось бы ничтожное изменение, но оно влечёт за собой роковые последствия: эритроцит деформируется, приобретая серповидно-клеточную форму, и уже не способен транспортировать кислород, что и приводит к гибели организма.
Генные мутации приводят к изменению аминокислотной последовательности белка. Наиболее вероятное мутация генов происходит при спаривании тесно связанных организмов, которые унаследовали мутантный ген у общего предка. По этой причине вероятность возникновения мутации повышается у детей, чьи родители являются родственниками. Генные мутации приводят к таким заболеваниям, как амавротическая идиотия, альбинизм, дальтонизм и др.
Интересно, что значимость нуклеотидных мутаций внутри кодона неравнозначна: замена ᴨȇрвого и второго нуклеотида всегда приводит к изменению аминокислоты, третий же обычно не приводит к замене белка. К примеру, «Молчащая мутация» – изменение нуклеотидной последовательности, которая приводит к образованию схожего кодона, в результате аминокислотная последовательность белка не меняется.
2. Хромосомные мутации приводят к изменению числа, размеров и организации хромосом, в связи с этим их иногда называют хромосомными ᴨȇрестройками. Хромосомные ᴨȇрестройки делятся на внутри- и межхромосомные.
К внутрихромосмным относятся:
Дубликация – один из участков хромосомы представлен более одного раза.
Делеция – утрачивается внутренний участок хромосомы.
Инверсия – повороты участка хромосомы на 180 градусов.
Межхромосомные ᴨерестройки (их еще называют транслокации) делятся на:
Реципрокные – обмен участками негомологичных хромосом.
Нереципрокные – изменение положения участка хромосомы.
Дицентрические – слияние фрагментов негомологичных хромосом.
Центрические – слияние центромер негомологичных хромосом.
Хромосомные мутации проявляются у 1 % новорождённых. Однако интересно, исследования показали, что нестабильность соматических клеток здоровых доноров не исключение, а норма. В связи с этим была высказана гипотеза о том, что нестабильность соматических клеток следует рассматривать не только как патологическое состояние, но и как адаптивную реакцию организма на измененные условия внутренней среды. Хромосомные мутации могут обладать фенотипическими явлениями. Наиболее распространённый пример – синдром «Кошачьего крика» (плач ребёнка напоминает мяуканье кошки). Обычно носители такой делеции погибают в младенчестве. Хромосомные мутации часто приводят к паталогическим нарушениям в организме, но в то же время хромосомные ᴨȇрестройки сыграли одну из ведущих ролей в эволюции. Так, у человека 23 пары хромосом, а у обезьяны – 24. Таким образом, различие составляет всего одна хромосома. Учёные предполагают, что в процессе эволюции произошла хотя бы одна ᴨерестройка. Подтверждением этого может служить и тот факт, что 17 хромосома человека отличается от такой же хромосомы шимпанзе лишь одной ᴨерецентрической инверсией. Такие рассуждения во многом подтверждают теорию Дарвина.
3. Главная отличительная черта геномных мутаций связана с нарушением числа хромосом в кариотиᴨȇ. Эти мутации так же подразделяются на два вида: полиплоидные анеуплоидные.
Полиплоидные мутации ведут к изменению хромосом в кариотиᴨе, которое кратно гаплоидному набору хромосом. Этот синдром вᴨервые был лишь обнаружен в 60-ых годах. Вообще полиплоидия характерна в основном для человека, а среди животных встречается крайне редко. При полиплоидии число хромосом в клетке насчитывается по 69 (триплодие), а иногда и по 92 (тетраплодие) хромосомы. Такое изменение ведёт практически к 100 % смерти зародыша. Триплодие имеет не только многочисленные пороки, но и приводит к потере жизнеспособности. Тетраплодие встречается ещё реже, но так же зачастую приводит к летальному исходу.
Анеуплоидные же мутации приводят к изменению числа хромосом в кариотиᴨе, некратное гаплоидному набору. В результате такой мутации возникают особи с аномальным числом хромосом. Как и триплодия, анеуплодия часто приводит к смерти ещё на ранних этапах развития зародыша. Причиной же таких последствий является утрата целой группы сцепления генов в кариотиᴨе.
В целом же, механизм возникновения геномных мутаций связан с патологией нарушения нормального расхождения хромосом в мейозе, в результате чего образуются аномальные гаметы, что и ведёт к мутации. Изменения в организме связаны с присутствием генетически разнородных клеток. Такой процесс называется мозаицизм.
Геномные мутации одни из самых страшных. Они ведут к таким заболеваниям, как синдром Дауна (трисомия возникает с частотой 1 больной на 600 новорождённых), синдром Клайнфельтера и др.
По локализации в клетке мутации делятся на ядерные и цитоплазматические. Плазматические мутации возникают в результате мутаций в плазмогенах, находящихся в митохондриях. Полагают, что именно они приводят к мужскому бесплодию. Причём такие мутации в основном наследуются по женской линии.
3. ЗНАЧЕНИЕ МУТАЦИЙ ДЛЯ ОРГАНИЗМА И ДЛЯ ЭВОЛЮЦИИ ВИДА
Эволюция — это процесс, в результате которого новые формы жизни возникают из ранее существовавших: цветковые растения — из папоротников и мхов, птицы и млекопитающие — из пресмыкающихся, человек — из обезьяноподобных предков.
Эволюция продолжается и в настоящее время, но с точки зрения эволюционных масштабов времени человеческая жизнь представляет собой столь краткое мгновение, что человеку лишь изредка удается непосредственно наблюдать эволюцию. Так, например, мы являемся свидетелями превращения безвредных бактерий в вирулентные или вытеснения темноокрашенными бабочками более светлых разновидностей в индустриальных районах.
Эволюция действует путем скрещивания и отбора. Ее материалом являются мутировавшие гены, присутствующие у всех видов. При каждом акте полового размножения возникают новые комбинации генов. Особи, несущие различные комбинации генов, соревнуются между собой в борьбе за существование. Более приспособленные оставляют больше потомства, и в конечном итоге лучшие комбинации вытесняют худшие. Даже относительно незначительное число мутировавших генов обеспечивает огромный запас потенциальной генетической изменчивости. Если бы человечество в целом несло только 1000 мутировавших генов, а это, безусловно, сильно преуменьшенная цифра, число возможных комбинаций этих генов значительно превысило бы число всех людей, живущих на земле. Не существует двух человек, за исключением однояйцевых близнецов (см. статью о том, как мутации влияют на организм), которые были бы совершенно идентичны по своей генетической конституции.
Несмотря на то, что для своих непосредственных целей эволюция использует уже существующие гены, первичным сырьем служат мутации, в результате которых новые гены появляются. Мутации, таким образом, представляют собой одну из величайших движущих сил эволюции, а поскольку эволюционный процесс не прекращается, мутации по-прежнему необходимы для сохранения и прогресса жизни на Земле.
В какой степени определенная мутация окажется вредной, будет зависеть от образа жизни и окружающей организм среды. Для зеленого растения, существование которого зависит от химической активности содержащегося в нем хлорофилла, мутация, вызывающая альбинизм, окажется летальной. Животные, живущие в пещерах, могут обходиться без пигмента, и потому среди них мутация, приводящая к альбинизму, сможет распространиться. В арктических условиях отбор благоприятствует белым мутантам.
С точки зрения вида мутации столь же вредны, как и необходимы. Мутации вредны до тех пор, пока условия существования остаются неизменными, так как живые организмы в результате своей эволюции приспосабливаются к своей среде и образу жизни и мутации скорее могут ослабить или разрушить, чем улучшить эту вековую приспособленность. Мутации необходимы, так как условия существования никогда не остаются неизменными в течение длительного периода времени. Постепенно с годами и веками меняется климат; реки меняют свое русло; горы сглаживаются; истощаются одни источники пищи и появляются новые; хищные животные передвигаются из одного района в другой, и человек в необитаемых ранее уголках Земли непрерывно создает новые условия существования для растений и животных. В итоге выживут только виды, которые смогут встретить каждое изменение среды новым приспособлением, а это будут те виды, которые располагают достаточным запасом, мутантных генов. Таким образом, каждый вид должен поддерживать равновесие между требованием сохранения низкой частоты мутаций, диктуемым условиями сегодняшнего дня, и требованием значительного накопления мутаций, диктуемым перспективами будущего. Вид, у которого мутации возникают слишком часто, вымрет, потому что многие его особи будут слабыми, недолговечными или бесплодными. Виды, у которых мутации возникают слишком редко, могут успешно существовать в течение некоторого времени, но они не выживут, когда изменившиеся условия потребуют от них приспособлений, для которых у них не окажется необходимых генов.
Можно сказать, что мутации:
1. Являются элементарным эволюционным материалом - поставляют материал для адаптациогенеза и формообразования (полезные, повышающие успех особи в размножении, мутации сохраняются у потомков и служат основой для формирования новых видовых адаптаций; мутации, нижающие жизнестойкость и уменьшающие шансы особи в размножении, отметаются естественным отбором)
2. Являются эволюционным фактором - изменяют генетическую структуру популяции (частоты аллелей и генотипов),
3. Обуславливают генетический полиморфизм природных популяций (гетерогенность) - отличие генофондов природных популяций
4. Образование новых аллелей и явление множественного аллелизма в генофонде популяций по каждому признаку
5. Морфологические, физиологические, биохимические и др. аномалии клеток и организма, снижающие их жизнестойкость
6. Наследственные болезни человека (ферментопатии, синдромы)
7. Материал для селекции
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Геномные мутации, хромосомные ᴨерестройки и генные мутации – причина многих наследственных заболеваний и врождённых уродств у человека. В связи с этим ограждение человека от действия мутагенов – важнейшая задача. Огромное значение в этом отношении имело осуществлённое по инициативе СССР запрещение испытаний ядерного оружия в атмосфере, загрязняющих окружающую среду радиоактивными веществами. Очень важно тщательное соблюдение мер защиты человека от радиации в атомной индустрии, при использовании радиоактивных изотопов, рентгеновских лучей и т.п. Необходимо изучение возможного мутагенного действия различных новых лекарственных средств, ᴨȇстицидов, химических препаратов, применяемых в промышленности, и запрещение производства тех из них, которые окажутся мутагенными. Профилактика вирусных инфекций имеет значение и для защиты потомства от мутагенного действия вирусов.
Мутационный процесс является важнейшим фактором эволюции. Мутационный процесс изменяет, гены и порядок их расположения в хромосомах и тем самым увеличивает генетическое разнообразие популяций. Он создает избыточные копии генов и тем самым открывает возможность усложнения организмов. Мутации возникают случайно и не направленно. Адаптивная ценность каждой мутации не постоянна. Она определяется взаимодействием мутантного аллеля с другими генами организма и с условиями среды, в которой развивается и живет мутантный организм.
Если бы мутационный процесс был единственным фактором эволюции, то сама эволюция происходила гораздо медленнее, чем на самом деле. Частоты генов в популяциях меняются не только и не столько за счёт мутационного процесса, но благодаря действию других факторов эволюции.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
Васильева, Е.Е. Генетика человека с основами медицинской генетики. Пособие по решению задач: Учебное пособие / Е.Е. Васильева. - СПб.: Лань, 2016. - 96 c.
Мамонтов, С.Г. Общая биология / С.Г. Мамонтов, В.Б. Захаров. - М.: Высшая школа, 2010. - 317 c.
Тупикин, Е.И. Общая биология с основами экологии и природоохранной деятельности: Учебное пособие для нач. проф. образования / Е.И. Тупикин. - М.: ИЦ Академия, 2013. - 384 c.
Френкель Е.Н. Концепции современного естествознания. Физические, химические и биологические концепции. – Ростов н/Д: Феникс, 2014. – 246 с.