Спонтанный и индуцированный мутагенез. Мутагенные факторы

Мутации называют наследственные изменения признака, органа или свойства, обусловленные изменениями наследственных структур. Процесс возникновения мутаций называется мутагенезом. Мутагенез может быть спонтанным, когда мутации возникают в природе без вмешательства человека, и индуцированным, когда мутации вызывают искусственно, воздействуя на организм специальными факторами, называемыми мутагенными. Растение, животное, микроорганизм, у которых произошла мутация, называют мутантами. Индуцированный мутагенез позволяет наиболее полно выявить возможности генотипа, создать генетические комбинации с учётом всех возможных изменений органов, признаков и свойств у данного вида. Мутации имеют исключительно важное значение при составлении генетических карт хромосом

Мутагенные факторы:

Физические мутагены. Основные мутагены этой группы: а)ультрафиолетовые лучи; б)повышенная температура; в)ионизирующие излучения – рентгеновские лучи, α-лучи, β-частицы, протоны, нейтроны и другие факторы.

Ультрафиолетовые лучи способны непосредственно отдавать энергию ДНК, в результате чего в ней происходят различные изменения, которые приводят к неправильной репликации и мутациям.

Ионизирующие излучения вызывают мутации путём прямой ионизации облучаемой ткани либо опосредованной ионизацией, как это происходит при действии лучей рентгена и гамма-квантов, энергия которых приводит к смещению электронов с их орбит. Вследствие облучения изменяется химизм клетки, в ней появляются высокоэнергетические соединения – свободные радикалы, происходят изменения в активности ферментов и т.д. Прямое и опосредованное в радиационно-химических реакциях действие излучений приводит к изменению в структуре ДНК – разрывам хромосом, сшивкам нитей двойной спирали ДНК и т.д. При этом возникают первичные изменения, которые мешают осуществлению нормальной репликации ДНК. В ходе репликации образуются нити с иной последовательностью нуклеотидов, что означает возникновение нового аллеля. Под действием ионизирующих излучений чаще всего происходят структурные перестройки хромосом и реже – генные мутации. Так, выявлено, что при облучении морских свинок и домашних свиней наблюдается различный спектр аберраций хромосом. Генные мутации возникают со значительно меньшей частотой, и среди них высок вклад летальных мутаций и мутаций пониженной жизнеспособности. В то же время использование излучений позволило создать высокопродуктивные сорта злаков (в первую очередь ячменя), повысить эффективность антибиотиков и других соединений, продуцируемых микроорганизмами и плесневыми грибами.

Следует отметить, что ионизирующие облучения могут нарушить процессы деления в соматических клетках, вследствие чего возникают нарушения и злокачественные образования. Сильное облучение может вызвать смерть.

Химические мутагены. К данной группе мутагенов относят вещества химической природы, способные индуцировать мутации. Выраженными мутагенными свойствами обладают отдельные химические вещества, используемые в промышленности и сельском хозяйстве. К наиболее сильным химическим мутагенам относят: а)аналоги нуклеотидов ДНК (бромурацил, аминопурин и др.); б)акридиновые красители (профлавин, эуфлавин и т.п.); в)ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот, пероксиды, алкалоиды (в том числе колхицин); г) некоторые неорганические соединения (соли тяжёлых металлов, гидроксиламин, азотистую кислоту); д) различные органические соединения, преимущественно ароматического ряда (в том числе канцерогены, инсектициды, гербициды); ж)алкалирующие соединения (в первую очередь супермутагены – нитрозоалкилмочевины, алкилсульфаты, алкилсульфонаты, этиленимины, эпоксиды).

Каждый класс химических соединений обладает определённой специфичностью: аналоги нуклеотидов встраиваются на их место в цепь ДНК и изменяют характер репликации ДНК. Акридиновые красители, похожие на кольца азотистых оснований, вклиниваются между ними в цепь ДНК и вызывают мутации сдвига рамки чтения. Азотистая кислота дезаминирует основания, в результате чего цитозин становится подобен урацилу, что приводит к замене пары оснований Г-Ц на пару А-Т и т.д. Химические мутагены дают широкий спектр хромосомных аберраций.

Среди органических химических соединений выделяют группу так называемых супермутагенов – особо активных алкилирующих веществ, которые могут индуцировать в 5-50 раз больше мутаций по сравнению с природной частотой возникновения мутаций. Супермутагены индуцируют широкий спектр мутаций, в том числе системные изменения на уровне таксономического вида. Воздействие нитрозоалкилмочевины привело к появлению вида сферококкум из мягкой пшеницы. Супермутагены индуцировали ряд неоморфных мутаций. Супермутагены оказались значительно эффективнее излучений для создания различных мутантов, которые использует микробиологическая промышленность. В последнее время эти соединения успешно применяют для создания мутаций, повышающих активность биологических илов, очищающих сточные воды. Описаны случаи использования супермутагенов для вызова мутагенеза и у животных. Так, при воздействии супермутагенов на сперму кроликов выявлены изменения окраски шерсти и цвет глаз; у карпа – утрата плавника и т.д.

Однако широкое применение индуцированный мутагенез, вызванный физическими или химическими мутагенами, получил в селекции растений. При этом мутантов используют как для выведения новых сортов, так и в качестве родительских форм при гибридизации.

Биологические мутагены. Простейшие живые организмы, вызывающие мутации у животных, составляют класс биологических мутагенов. К ним относят вирусы, бактерии, гельминты, актиномицеты, растительные экстракты и др. Мутагенными свойствами обладают также живые вакцины. Их мутагенное действие связано с проникновением в клетки чужеродной ДНК. Биологические мутагены вызывают разнообразные мутации у животных. Например, при изучении кариотипа клеток телят, ягнят и поросят, заражённых вирусом свиной лихорадки, были обнаружены различные типы аберраций – делеции, хромосомные разрывы, фрагментация, пульверизация, полиплоидия и т.д. Установлено, что уровень аберраций хромосом зависел от дозы и продолжительности действия вируса. Экспериментально доказано, что многие лекарственные препараты, используемые в медицине и ветеринарии обладают мутагенными свойствами (сульфаниламиды, производные тиазинового ряда, нитрофураны и др.). Такой же эффект возможен вследствие использования антибиотиков, а также некоторых кормовых добавок и консервантов, особенно при их передозировке. В связи с этим необходимы6 проверка каждого нового фармакологического средства на мутагенность, строгое соблюдение инструкций по применению лечебных препаратов-стимуляторов роста животных, различных ядохимикатов и других токсических средств.

Индуцированный мутагенез находит широкое применение в микробиологической промышленности для создания высокопродуктивных полезных рас и штаммов бактерий, грибов.

Изучение мутагенеза расширяет и углубляет наши представления о процессе перехода количества в качество, о возникновении нового в недрах старого и единстве противоположностей – сосуществовании мутантного аллеля гена со всей генной системой.