Физические, химические и биологические факторы мутаций

Мутагенами могут быть химические агенты (нитрит, алкилируюшие агенты, акридиновые красители, этиленимин, азотистый или серный иприт и т.д.), физические (ультрафиолетовые лучи – 260 нм, ионизирующее излучение) или биологические (бактериофаги, транспозоны и т.д.). Под действием мутагена частота мутаций увеличивается и составляет 10-5–10-3 (одна мутация появляется при репликации 1000–100 000 генов).

Азотистая кислота (HNO2) дезаминирует (отщепляет аминогруппу и замещает другой группой) аденин, гуанин или цитозин, что приводит к ошибкам при репликации ДНК. В частности, в результате замещения аминогруппы гидроксильной группой аденин превращается в гипоксантин, который структурно сходен с гуанином. При репликации ДНК гипоксантин спаривается с цитозином вместо тимина, что приводит к мутации АТ–ЦГ

Алкилирующие агенты – нитрозогуанидин, нитрозометилмочевина, этилэтансульфонат, этилметансульфонат, сернистый иприт и другие – принадлежат к наиболее эффективным мутагенам. Они модифицируют (алкилируют) в области репликативной вилки преимущественно пуриновые основания, в первую очередь гуанин, вызывая его спаривание с тимином вместо цитозина. В результате этого возникают главным образом транзиции типа ГЦ–АT.

Молекулы акридиновых красителей (акридиновый оранжевый, акрифлавин, трипофлавин) внедряются между соседними азотистыми основаниями в цепи ДНК и увеличивают расстояние между ними. Такое пространственное изменение при репликации ДНК может вызывать ошибки двух типов – утрату нуклеотида или включение дополнительной пары нуклеотидов.

УФ-лучи действуют на тиминовые основания, следствием чего является образование димеров тимина в ДНК. Такие димеры служат источником возникновения ошибок при репликации ДНК. УФ-лучи вызывают мутации типа транзиций, трансверсий или делеций.

Как мутагенные факторы биологической природы рассматривают перемещающиеся (мобильные, мигрирующие) генетические элементы бактерий – дискретные сегменты ДНК, способные к самостоятельному перемещению из одного участка в другой в пределах репликона, а также к перемещению из одного репликона (хромосомного, плазмидного или фагового) в другой. К таким элементам относятся простые вставочные последовательности (IS-элементы), транспозоны (Tn-элементы) и фаги178 транспозоны (Mu, Д3112 и др.). Интеграция их в репликоны осуществляется независимо от системы общей рекомбинации клеток, которая требует гомологии у рекомбинирующих структур.

Виды мигрирующих генетических элементов, характеристика

Мигрирующие генетические элементы - дискретные фрагменты ДНК, способные встраиваться в разные участки генома. У выделено несколько основных групп мигрирующих генетических элементов: IS- и Tn-элементы, эписомы, а также некоторые бактериофаги, или фаги.

IS-элементы - простые вставочные (инсерционные) последовательности. Эти сегменты ДНК имеют инвертированные повторы на концах, содержащие обычно несколько десятков нуклеотидных пар, и не содержат никаких генов, кроме тех, которые необходимы для их перемещения (транспозиции) по геному. Они встречаются в некоторых плазмидах (внехромосомные носители наследственности) и умеренных фагах (способны существовать в клетке в форме профага).

Транспозиции IS-элементов не сопряжены с их исключением из мест исходной локализации в плазмидах или хромосоме; при транспозиции IS-элемент удваивается и одна его копия остается на прежнем месте, а другая попадает в новый локус.

Значение IS-элементов для эволюции бактерий связано с тем, что эти элементы при своих перемещениях инактивируют различные гены или нарушают их нормальную регуляцию. Помимо прямого влияния на экспрессию гена, эти мигрирующие генетические элементы могут влиять также на транскрипцию окружающих их последовательностей ДНК генома. Это происходит вследствие того, что многие IS-элементы содержат промоторные и терминаторные участки ДНК. Транспозиции IS-элементов могут вызывать слияние двух не связанных ранее генов или оперонов с образованием новых функциональных единиц, а также индуцировать все виды хромосомных перестроек.

Tn-элементы (сложные перемещающиеся элементы, или транспозоны) принципиально отличаются от IS-элементов только тем, что содержат дополнительные структурные гены, не имеющие отношения к функции транспозиции. Известно много транспозонов, в состав которых входят гены устойчивости к антибиотикам, тяжелым металлам и др. Как правило, Tn-элементы несут на концах целые или частично измененные IS-элементы, которые сообщают им способность перемещаться по геному и вызывать в нем те же изменения, что и свободные IS-элементы. При этом 2 концевые IS-подобные терминальные последовательности в зависимости от типа транспозона могут иметь прямую или инвертированную последовательность нуклеотидов.

Транспозиция Tn-элементов осуществляется по такому же механизму, как и IS-элементов, и также включает стадию трансляции. Большинство транспозонов не выбирает для своего включения строго определенные последовательности в ДНК.

Другую группу мигрирующих генетических элементов бактерий составляют эписомы - сложные плазмиды, способные к интеграции в хромосому. Эписомы, как правило, содержат IS- или Tn-элементы, и в большинстве случаев именно благодаря им они могут включаться в состав хромосомы.

К мигрирующим генетическим элементам прокариот относят также умеренные фаги. l-Фаги (лямбдоидные фаги) обычно встраиваются в одно место хромосомы, но при определенных условиях могут располагаться и в других участках генома.

Умеренные фаги способны вносить существенные изменения в структуру и функционирование бактериального генома благодаря двум процессам - интеграции фаговой ДНК в хромосому бактерии и трансдукции (переносу фагом бактериальных генов из одних клеток в другие).