Химические основы мутаций

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

по биологической химии

на тему: Химические основы мутаций

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Основные сведения о мутациях

1.1 Понятие о мутациях. Мутационная теория Хьюго Де Фриза

1.2 Классификации мутаций

1.3 Причины возникновения мутаций

1.3.1 Спонтанные мутации

1.3.2 Индуцированные мутации

1.3.3 Связь мутаций с репликацией ДНК

1.3.4 Связь мутаций с рекомбинацией ДНК

1.3.5 Связь мутаций с репарацией ДНК

Глава 2. Общие закономерности мутагенеза

2.1 Физические мутагены

2.2 Химические мутагены

2.3 Модели мутагенеза

Глава 3. Доказательства спонтанной природы мутаций у бактерий

3.1 Флуктуационный тест Лурия и Дельбрука

3.2 Метод реплик

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Наука делает грандиозные шаги вперёд. Появляются и получают развитие многие её отрасли. Одна из таких отраслей, которая заслуживает внимания-генетика. Подходя к изучению данной темы, важно отметить, что 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. Уже в 1901-1903 годах де Фризом была создана мутационная теория, постулаты которой справедливы и сегодня: мутации возникают внезапно, устойчивы, могут быть прямыми и обратными и, наконец, могут возникать повторно.

Генетика как интегрирующая биологическая дисциплина изучает два фундаментальных свойства живого-наследственность и изменчивость. Одна из основных аксиом генетики звучит так: «Первопричиной всех наследственных изменений являются мутации».

Исходя из вышесказанного, можно говорить об актуальности рассматриваемой темы курсовой работы, так как людям необходимо знать о процессах, которые могут происходить в окружающем нас мире и знать химические основы таких процессов.

Таким образом, целью данной курсовой работы является изучение химических основ мутаций.

В соответствии с этим, важнейшие задачи, стоящие перед нами в процессе выполнения работы, следующие:

1. Рассмотреть понятие-мутация и мутационную теорию Хьюго де Фриза;

2. Ознакомиться с классификацией мутаций;

3. Выявить причины возникновения мутаций;

4. Рассмотреть общие закономерности мутагенеза и изучить влияние физических и химических мутагенов;

5. Ознакомиться с доказательствами спонтанной природы мутаций у бактерий (Флуктуационный тест Лурия и Дельбрука, метод реплик).

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МУТАЦИЯХ

1.1 Понятие о мутациях. Мутационная теория Хьюго Де Фриза

Термин «мутация» (от лат. mutatio - изменение) долгое время использовался в биологии для обозначения любых скачкообразных изменений. Например, немецкий палеонтолог В. Вааген называл мутацией переход от одних ископаемых форм к другим. Мутацией называли также появление редких признаков, в частности, меланистических форм среди бабочек.

Современные представления о мутациях сложились к началу XX столетия. Например, российский ботаник Сергей Иванович Коржинский в 1899 г. разработал эволюционную теорию гетерогенезиса, основанную на представлениях о ведущей эволюционной роли дискретных (прерывистых) изменений [1].

Однако наиболее известной стала мутационная теория голландского ботаника Хьюго (Гуго) Де Фриза (1901 г.), который ввел современное, генетическое понятие мутации для обозначения редких вариантов признаков в потомстве родителей, которые не имели этого признака [2].

Де Фриз разработал мутационную теорию на основе наблюдений за широко распространенным сорным растением - ослинником двулетним, или энотерой (Oenothera biennis ). У этого растения существует несколько форм: крупноцветковые и мелкоцветковые, карликовые и гигантские. Де Фриз собирал семена с растения определенной формы, высевал их и получал в потомстве 1…2% растений другой формы. В дальнейшем было установлено, что появление редких вариантов признака у энотеры не является мутацией; данный эффект обусловлен особенностями организацией хромосомного аппарата этого растения. Кроме того, редкие варианты признаков могут быть обусловлены редкими сочетаниями аллелей (например, белая окраска оперения у волнистых попугайчиков определяется редким сочетанием aabb ).

Таблица 1.1 Основные положения мутационной теории Де Фриза с некоторыми современными уточнениями

Положения мутационной теории Де Фриза	Современные уточнения
Мутации возникают внезапно, без всяких переходов.	Существует особый тип мутаций, названный динамическими
Успех в выявлении мутаций зависит от числа проанализированных особей.	Без изменений
Мутантные формы вполне устойчивы.	При условии 100%-ной пенетрантности и 100%-ной экспрессивности
Мутации характеризуются дискретностью (прерывистостью); это качественные изменения, которые не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг среднего типа(моды).	Существуют мутации, в результате которых происходит незначительное изменение характеристик конечного продукта
Одни и те же мутации могут возникать повторно.	Это касается генных мутаций; хромосомные аберрации уникальны и неповторимы
Мутации возникают в разных направлениях, они могут быть вредными и полезными.	Сами по себе мутации не носят адаптивный характер. «Вредность» и «полезность» мутаций зависит от генотипического окружения и от внешних условий.

В настоящее время, принято следующее определение мутаций:

Мутация -- стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) изменение генотипа, происходящие под влиянием внешней или внутренней среды. Процесс возникновения мутаций получил название мутагенеза [3].

1.2 Классификации мутаций

Существует несколько классификаций мутаций по различным критериям. В современной учебной литературе используется формальная классификация, основанная на характере изменения структуры отдельных генов, хромосом и генома в целом.

В рамках этой классификации различают следующие виды мутаций:

· геномные;

· хромосомные;

· генные.

Геномные: -- полиплоидизация (образование организмов или клеток, геном которых представлен более чем двумя наборами хромосом) и анеуплоидия (гетероплоидия) -- изменение числа хромосом, не кратное гаплоидному набору.

При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом.

На генном уровне изменения первичной структуры ДНК генов под действием мутаций менее значительны, чем при хромосомных мутациях, однако генные мутации встречаются более часто [4].

Точечная мутация, или единственная замена оснований -- тип мутации в ДНК или РНК, для которой характерна замена одного азотистого основания другим. Термин также применяется и в отношении парных замен нуклеотидов. Термин точечная мутация включает так же инсерции и делеции одного или нескольких нуклеотидов. Выделяют несколько типов точечных мутаций.

Точечные мутации замены оснований. Поскольку в состав ДНК входят азотистые основания только двух типов -- пурины и пиримидины, все точечные мутации с заменой оснований разделяют на два класса: транзиции и трансверсии [5].

Транзиция -- это мутация замены оснований, когда одно пуриновое основание замещается на другое пуриновое основание (аденин на гуанин или наоборот), либо пиримидиновое основание на другое пиримидиновое основание (тимин на цитозин) или наоборот.

Трансверсия -- это мутация замены оснований, когда одно пуриновое основание замещается на пиримидиновое основание или наоборот). Транзиции происходят чаще, чем трансверсии.

Точечные мутации сдвига рамки чтения. Они делятся на делеции и инсерции. Делеции -- это мутация сдвига рамки чтения, когда в молекуле ДНК выпадает один или несколько нуклеотидов. Инсерция -- это мутация сдвига рамки чтения, когда в молекулу ДНК встраивается один или несколько нуклеотидов [6].

Встречаются также сложные мутации. Это такие изменения ДНК, когда один её участок заменяется участком другой длины и другого нуклеотидного состава [7].

Точечные мутации могут появляться напротив таких повреждений молекулы ДНК, которые способны останавливать синтез ДНК. Например, напротив циклобутановых пиримидиновых димеров. Такие мутации называются мишенными мутациями (от слова «мишень») [8].

Циклобутановые пиримидиновые димеры вызывают как мишенные мутации замены оснований , так и мишенные мутации сдвига рамки.

Иногда точечные мутации образуются на, так называемых, неповрежденных участках ДНК, часто в небольшой окрестности от фотодимеров. Такие мутации называются немишенными мутациями замены оснований или немишенными мутациями сдвига рамки.

Точечные мутации образуются не всегда сразу же после воздействия мутагена. Иногда они появляются после десятков циклов репликаций. Это явление носит название задерживающихся мутаций. При нестабильности генома, главной причине образования злокачественных опухолей, резко возрастает количество немишенных и задерживающихся мутаций [9].

Возможны четыре генетических последствия точковых мутаций:

1. сохранение смысла кодона из-за вырожденности генетического кода (синонимическая замена нуклеотида),

2. изменение смысла кодона, приводящее к замене аминокислоты в соответствующем месте полипептидной цепи (миссенс-мутация),

3. образование бессмысленного кодона с преждевременной терминацией (нонсенс-мутация). В генетическом коде имеются три бессмысленных кодона: амбер -- UAG, охр -- UAA и опал -- UGA (в соответствии с этим получают название и мутации, приводящие к образованию бессмысленных триплетов -- например амбер-мутация),

4. обратная замена (стоп-кодона на смысловой кодон).

По влиянию на экспрессию генов мутации разделяют на две категории: мутации типа замен пар оснований и типа сдвига рамки считывания (frameshift). Последние представляют собой делеции или вставки нуклеотидов, число которых не кратно трём, что связано с триплетностью генетического кода.

Первичную мутацию иногда называют прямой мутацией, а мутацию, восстанавливающую исходную структуру гена, -- обратной мутацией, или реверсией. Возврат к исходному фенотипу у мутантного организма вследствие восстановления функции мутантного гена нередко происходит не за счет истинной реверсии, а вследствие мутации в другой части того же самого гена или даже другого неаллельного гена. В этом случае возвратную мутацию называют супрессорной. Генетические механизмы, благодаря которым происходит супрессия мутантного фенотипа, весьма разнообразны.

Почковые мутации (спорты) -- стойкие соматические мутации происходящие в клетках точек роста растений. Приводят к клоновой изменчивости. При вегетативном размножении сохраняются. Многие сорта культурных растений являются почковыми мутациями [10].

Мутации бывают полезные, вредные и нейтральные. Полезные мутации: мутации, которые приводят к повышенной устойчивости организма (устойчивость тараканов к ядохимикатам). Вредные мутации: глухота, дальтонизм. Нейтральные мутации: мутации никак не отражаются на жизнеспособности организма (цвет глаз, группа крови).

Мутации бывают соматические и генеративные. Соматические (чаще всего они не наследуются) возникают в соматических клетках и затрагивают лишь часть тела. Они будут наследоваться следующим поколениям при вегетативном размножении. Генеративные (они наследуются, т.к. происходят в половых клетках): эти мутации происходят в половых клетках. Генеративные мутации делятся на ядерные и внеядерные (или митохондриальные) [11].

Таблица 1.2 Виды мутаций

Виды мутаций
По причине	По виду клеток, в которых произошла мутация	По значению	По "уровню" ("масштабу")
"Спонтанные"	Соматические	Патогенные	Генные
		Нейтральные	Геномные
Индуцированные	Генеративные	Благоприятные	Хромосомные

1.3 Причины возникновения мутаций

Мутации делятся на спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды с частотой около 10^-9 -- 10^-12 на нуклеотид за клеточную генерацию организма.

Индуцированными мутациями называют наследуемые изменения генома, возникающие в результате тех или иных мутагенных воздействий в искусственных (экспериментальных) условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды.

Мутации появляются постоянно в ходе процессов, происходящих в живой клетке. Основные процессы, приводящие к возникновению мутаций -- репликация ДНК, нарушения репарации ДНК, транскрипции и генетическая рекомбинация [12].

1.3.1 Спонтанные мутации

Спонтанные (самопроизвольные) мутации возникают без видимых причин, их принято рассматривать как результат ошибок генетических процессов: репликации, репарации и рекомбинации ДНК. Это означает, что процесс возникновения новых мутаций находится под генетическим контролем организма. Например, известны гены-мутаторы и гены-антимутаторы, которые повышают или понижают частоту других мутаций [13]. Можно выделить три фактора, приводящие к спонтанным мутациям: наличие таутомерных форм оснований ДНК, спонтанное дезаминирование метилированных цитозиновых и окисление гуаниновых нуклеотидов.

Рис. 1.1 Нормальные и таутомерные формы азотистых оснований ДНК

Главной причиной ошибок репликации является существование оснований ДНК в различных таутомерных формах (рис. 1.1). Например, аденин в редкой иминоформе спаривается с цитозином, а не с тимином. Другая - что при последующей репликации приводит к транзиции, причина -- неисправленные ДНК-полимеразой ошибки репликации. Ошибки в работе ДНК-полимераз приводят к неправильной вставке с частотой 1 на 105 нуклеотидов. Дезаминирование метилированного цитозина превращает его в тимин. Метилирование ДНК -- распространенная эпигенетическая модификация, в результате которой динуклеотиды избирательно модифицируются. Однако метилцитозин отличается нестабильностью, и может произойти его спонтанное дезаминирование, которое превращает его в тимин (рис. 1.2.) [14].

Рис. 1.2 Спонтанное дезаминирование метилцитозина :

а) этап метилирования;

б) этап дезаминирования

Из-за тепловых флуктуаций в каждой клетке человека ежесуточно происходит примерно 100 реакций дезаминирования метилированного цитозина. В результате дезаминирования метилцитозина в ДНК появляется дефект (неспаренные основания G-T), который индуцирует систему репарации. Разрешение ситуации может быть двояким: восстановление последовательности пары G-C или возникновение мутации при следующей репликации (замена пары G-C на А-Т) (рис. 1.3). Хотя ферменты репарации с большей вероятностью удаляют тимин и восстанавливают исходную последовательность, мутации тем не менее возникают очень часто [9].

Рис. 1.3 Транзиция GCAT в результате дезаминирования метилированного цитозина

Окисление гуанина происходит свободными радикалами кислорода. Клетка за один день поглощает 1012 молекул кислорода, из которых около 1% превращаются в свободные радикалы (активные формы кислорода), способные модифицировать ДНК. За одни сутки 20 тыс. нуклеотидов повреждаются свободными радикалами. При окислении свободными радикалами гуанин превращается в 8-оксигуанин (рис. 1.4).



Рис. 1.4 Окисление гуанина свободными радикалом кислорода

Последний в процессе репликации присоединяет вместо цитозина тимин, в результате чего пара GC в молекуле ДНК замещается парой АТ (рис. 1.5).

Рис. 1.5 Транзиция GC АT в результате окисления гуанина в 8-оксигуанин

На спонтанный мутагенез существенно влияют следующие структурные факторы: наличие прямых и обратных повторов, образующих горячие точки мутирования.

1.3.2 Индуцированные мутации

Индуцированные мутации могут быть вызваны физическими (ионизирующая радиация, ультрафиолетовое облучение) и химическими мутагенами. При этом мутации возникают не сразу. Сначала под воздействием мутагенов возникает предмутационное повреждение ДНК. Различные репарационные системы стремятся устранить повреждение, и тогда мутация не реализуется. Однако при большом числе повреждений репарационные системы могут не справляться с их устранением. У бактерий в этом случае индуцируются неточные (мутагенные) системы репарации, которые осуществляют превращение предмутационных повреждений ДНК в фиксированные мутации. Основу репарационных систем составляют различные ферменты, закодированные в геноме клетки.

Таким образом, мутагенез находится под генетическим контролем клетки [15].

1.3.3 Связь мутаций с репликацией ДНК

Многие спонтанные химические изменения нуклеотидов приводят к мутациям, которые возникают при репликации. Например, из-за дезаминирования цитозина напротив гуанина в цепь ДНК может включаться урацил (образуется пара У-Г вместо канонической пары Ц-Г). При репликации ДНК напротив урацила в новую цепь включается аденин, образуется пара У-А, а при следующей репликации она заменяется на пару Т-А, то есть происходит транзиция (точечная замена пиримидина на другой пиримидин или пурина на другой пурин).

1.3.4 Связь мутаций с рекомбинацией ДНК

Из процессов, связанных с рекомбинацией, наиболее часто приводит к мутациям неравный кроссинговер. Он происходит обычно в тех случаях, когда в хромосоме имеется несколько дуплицированных копий исходного гена, сохранивших похожую последовательность нуклеотидов. В результате неравного кроссинговера в одной из рекомбинантных хромосом происходит дупликация, а в другой -- делеция.

Дупликация -- разновидность хромосомных перестроек, при которой участок хромосомы оказывается удвоенным. Может произойти в результате неравного кроссинговера, ошибки при гомологичной рекомбинации, ретротранспозиции.

Дупликации могут происходить в пределах одной и той же хромосомы или возникать в результате переноса копии участка хромосомы на другую хромосому (транспозиции). Повторы, возникшие в одной хромосоме, могут располагаться в виде прямых или инвертированных тандемных повторов.

Известны случаи многократных повторений участка хромосомы, называемых амплификацией.

В эволюции в результате дупликаций может происходить образование повторяющихся нуклеотидных последовательностей, кластеров генов и мультигеннных семейств.

При дупликации гена вторая копия гена часто не подвергается давлению селекции -- так, мутация одной из копий гена не несёт вреда организму. Следовательно, копии накапливают мутации быстрее, чем гены, существующие в одном экземпляре.

Дупликация является противоположностью делеции генов [16].

Делеции -- хромосомные перестройки, при которых происходит потеря участка хромосомы. Делеция может быть следствием разрыва хромосомы или результатом неравного кроссинговера. По положению утерянного участка хромосомы делеции классифицируют на внутренние (интерстициальные) и концевые (терминальные) [7].

1.3.5 Связь мутаций с репарацией ДНК

Спонтанные повреждения ДНК встречаются довольно часто, такие события имеют место в каждой клетке. Для устранения последствий подобных повреждений имеется специальные репарационные механизмы (например, ошибочный участок ДНК вырезается и на этом месте восстанавливается исходный). Мутации возникают лишь тогда, когда репарационный механизм по каким-то причинам не работает или не справляется с устранением повреждений. Мутации, возникающие в генах, кодирующих белки, ответственные за репарацию, могут приводить к многократному повышению (мутаторный эффект) или понижению (антимутаторный эффект) частоты мутирования других генов.

Так, мутации генов многих ферментов системы эксцизионной репарации приводят к резкому повышению частоты соматических мутаций у человека, а это, в свою очередь, приводит к развитию пигментной ксеродермы и злокачественных опухолей покровов. Мутации могут появляться не только при репликации, но и при репарации -- эксцизионной репарации или при пострепликативной [10].

ГЛАВА 2. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ МУТАГЕНЕЗА

Мутации возникают не мгновенно. Вначале под воздействием мутагенов возникает предмутационное состояние клетки. Различные репарационные системы стремятся устранить это состояние, и тогда мутация не реализуется. Основу репарационных систем составляют различные ферменты, закодированные в генотипе клетки (организма). Таким образом, мутагенез находится под генетическим контролем клетки.

Например, ферментные системы репарации вырезают поврежденный участок ДНК, если повреждена только одна нить (эту операцию выполняют ферменты эндонуклеазы), затем вновь достраивается участок ДНК, комплементарный по отношению к сохранившейся нити (эту операцию выполняют ДНК-полимеразы), затем восстановленный участок сшивается с концами нити, оставшимися после вырезания поврежденного участка.

Существуют и более тонкие механизмы репарации. Например, при утрате азотистого основания в нуклеотиде происходит его прямое встраивание (это касается аденина и гуанина); метильная группа может просто отщепляться; однонитевые разрывы сшиваются. В некоторых случаях действуют более сложные, малоизученные системы репарации, например, при повреждении обеих нитей ДНК.

Однако при большом числе повреждений ДНК они могут стать необратимыми. Это связано с тем, что: во-первых, репарационные системы могут просто не успевать исправлять повреждения, а во-вторых, могут повреждаться сами ферменты систем репарации, необратимые повреждения ДНК приводят к появлению мутаций - стойких изменений наследственной информации.

2.1 Физические мутагены

К физическим мутагенам относятся: ионизирующее излучение ( б-, в-, г-, нейтронное и рентгеновское излучение), коротковолновое ультрафиолетовое излучение, СВЧ-излучение, действие экстремальных температур.

Действие ионизирующего излучения основано на ионизации компонентов цитоплазмы и ядерного матрикса. При ионизации возникают высокоактивные химические вещества (например, свободные радикалы), которые различным образом действуют на клеточные структуры. Рассмотрим наиболее изученные механизмы мутагенного воздействия ионизирующего излучения [17].

1. Непосредственное воздействие частиц с высокой энергией на ДНК, которое приводит к ее разрывам: одиночным (под воздействием г -квантов, рентгеновских лучей) или множественных (под воздействием б -частиц, нейтронного излучения). Это универсальный механизм возникновения хромосомных перестроек на всех стадиях клеточного цикла, но он действует очень грубо - обычно клетки теряют способность к нормальному делению и погибают. К разрывам ДНК приводит и ультрафиолетовое облучение.

2. Опосредованное воздействие ионизирующих факторов связано с нарушением структуры ферментов, контролирующих репликацию, репарацию и рекомбинацию ДНК. Этот механизм наиболее эффективно действует на синтетической стадии интерфазы. При больших дозах мутагенов клетки погибают [18]. (Поскольку раковые клетки делятся непрерывно, то облучение является универсальным средством подавления развития метастазов при онкологических заболеваниях - непрерывно делящиеся раковые клетки более уязвимы, чем медленно пролиферирующие или непролиферирующие нормальные клетки.)

3. Особенности мутагенного действия ультрафиолетовых лучей . ДНК интенсивно поглощает жесткий ультрафиолет с длиной волны ? 254 нм. Основным продуктом является образование нуклеотидных димеров: два нуклеотида, расположенных рядом в одной цепи ДНК, «замыкаются» сами на себя, образуя пары «тимин-тимин» или «тимин-цитозин». При репликации ДНК напротив такой пары в достраивающейся цепи могут стать два любых нуклеотида, т.е. принцип комплементарности не выполняется. Ультрафиолетовый свет - это сравнительно мягкий мутаген, поэтому его широко используют в селекции растений, облучая проростки.

4. Особенности мутагенного действия экстремальных температур. Собственный мутагенный эффект экстремальных температур не доказан. Однако очень низкие или очень высокие температуры нарушают деление клетки (возникают геномные мутации). Экстремальные температуры усиливают действие других мутагенов, поскольку снижают ферментативную активность репарационных систем [19].

2.2 Химические мутагены

мутация спонтанный бактерия мутагенез

К химическим мутагенам относятся самые разнообразные вещества. Рассмотрим мутагенное действие некоторых из них.

1. Алкилирующие агенты. Вызывают алкилирование ДНК (например, метилирование, этилирование и т.д.). В результате при репликации ДНК нарушается принцип комплементарности, и происходит замена нуклеотидных пар: ГЦ > АТ; ГЦ > ЦГ; ГЦ > ТА.

Некоторые из алкилирующих агентов в природе не встречаются, их не распознают ферменты защитных систем. Такие вещества называются супермутагенами (например, N-метил-N-нитрозомочевина). Супермутагены применяются в селекции растений для получения индуцированных мутаций; их используют также как стимуляторы роста (в сверхмалых концентрациях).

2. Гидроксиламин. Избирательно аминирует цитозин, что также нарушает принцип комплементарности при репликации ДНК. В результате происходит замена ГЦ > АТ.

3. Нитриты. Осуществляют окислительное дезаминирование гуанина, аденина, цитозина. Также нарушается принцип комплементарности при репликации ДНК. В результате происходит замена АТ > ГЦ.

4. Аналоги оснований. Это вещества, сходные с «обычными» азотистыми основаниями. Однако они способны образовывать комплементарные пары с разными «нормальными» основаниями. Например, при репликации ДНК напротив гуанина вместо цитозина достраивается 5-бромурацил (аналог тимина). В дальнейшем напротив 5-бромурацила достраивается аденин, а напротив аденина - обычный тимин. Этот же процесс может идти и в противоположную сторону. В результате происходят замены: ГЦ > АТ или АТ > ГЦ.

Существует множество иных химических факторов, обладающих мутагенным, канцерогенным и тератогенным действием. Например, ионы тяжелых металлов, связываясь с ферментами репликации, репарации и рекомбинации, снижают их ферментативную активность. Таким образом, не являясь собственно мутагенами, ионы тяжелых металлов способствуют появлению мутаций. Кроме того, нужно учесть, что воздействие совершенно разных мутагенов может приводить к сходным результатам [20].

2.3 Модели мутагенеза

В настоящее время существует несколько подходов для объяснения природы и механизмов образования мутаций. Общепринятой, в настоящее время, является полимеразная модель мутагенеза. Она основана на идее о том, что единственной причиной образования мутаций являются случайные ошибки ДНК-полимера. В предложенной Уотсоном и Криком таутомерной модели мутагенеза впервые была высказана идея о том, что в основе мутагенеза лежит способность оснований ДНК находиться в различных таутомерных формах. Процесс образования мутаций рассматривается как чисто физико-химическое явление. Полимеразно-таутомерная модель ультрафиолетового мутагенеза опирается на идею о том, что при образовании цис-син циклобутановых пиримидиновых димеров может изменяться таутомерное состояние входящих в них оснований. Изучается склонный к ошибкам и SOS-синтез ДНК, содержащей цис-син циклобутановые пиримидиновые димеры [21]. Существуют и другие модели.

Полимеразная модель мутагенеза

В полимеразной модели мутагенеза считается, что единственной причиной образования мутаций являются спорадические ошибки ДНК-полимераз. Впервые полимеразная модель ультрафиолетового мутагенеза была предложена Бреслером. Он предположил, что мутации появляются в результате того, что ДНК-полимеразы напротив фотодимеров иногда встраивают некомплементарные нуклеотиды. В настоящее время такая точка зрения является общепринятой. Известно правило, согласно которому напротив поврежденных участков ДНК-полимераза чаще всего встраивает аденины. Полимеразная модель мутагенеза объясняет природу мишенных мутаций замены оснований [22].

Таутомерная модель мутагенеза

Уотсон и Крик предположили, что в основе спонтанного мутагенеза лежит способность оснований ДНК переходить при некоторых условиях в неканонические таутомерные формы, влияющие на характер спаривания оснований. Эта гипотеза привлекала к себе внимание и активно развивалась. Обнаружены редкие таутомерные формы цитозина в кристаллах оснований нуклеиновых кислот, облученных ультрафиолетовым светом. Результаты многочисленных экспериментальных и теоретических исследований однозначно говорят о том, что основания ДНК могут переходить из канонических таутомерных форм в редкие таутомерные состояния. Было выполнено много работ посвященных исследованиям редких таутомерных форм оснований ДНК. С помощью квантовомеханических расчетов и метода Монте-Карло было показано, что таутомерное равновесие в цитозин -- содержащих димерах и в гидрате цитозина сдвинуто по направлению к их имино формам как в газовой фазе, так и в водном растворе. На этой основе объясняется ультрафиолетовый мутагенез. В паре гуанин -- цитозин устойчивым будет только одно редкое таутомерное состояние, в котором атомы водородов первых двух водородных связей, отвечающих за спаривание оснований, одновременно изменяют свои положения. А поскольку при этом изменяются положения атомов водорода, участвующих в Уотсон-Криковском спаривании оснований, то следствием может быть образование мутаций замены оснований, транзиций от цитозина к тимину или образование гомологичных трансверсий от цитозина к гуанину. Участие редких таутомерных форм в мутагенезе обсуждалось неоднократно [23].

Другие модели мутагенеза

В работах Полтева с соавторами предложен и обоснован молекулярный механизм узнавания полимеразами комплементарных пар оснований нуклеиновых кислот. На основании этой модели были изучены некоторые закономерности спонтанного и индуцированного аналогами оснований мутагенеза. Объяснено образование мутаций замены оснований в предположении, что главной причиной мутагенеза является образование неканонических пар оснований [24].

Предполагается, что одной из причин образования мутаций замены основания является дезаминирование 5-метилцитозина, что может вызывать транзиции от цитозина к тимину. Из-за дезаминирования цитозина напротив него в цепь ДНК может включаться урацил (образуется пара У-Г вместо канонической пары Ц-Г). При репликации ДНК напротив урацила в новую цепь включается аденин, образуется пара У-А, а при следующей репликации она заменяется на пару Т-А, то есть происходит транзиция (точечная замена пиримидина на другой пиримидин или пурина на другой пурин) [25].

ГЛАВА 3. ДОКАЗАТЕЛЬСТВА СПОНТАННОЙ ПРИРОДЫ МУТАЦИЙ У БАКТЕРИЙ

Термин «мутация» введен Г. Де Фризом (1901), изучавшим изменчивость и наследственность у растений и определившим мутацию как «скачкообразное изменение наследственного признака». Это понятие М. Бейеринк в 1912 году распространил и на бактерии.

Мутация - событие редкое. В мутантной популяции по конкретному признаку (гену) является одна клетка из 104-1010 клеток.

В результате постановки ряда экспериментов были получены данные, свидетельствующие о том, что у бактерий мутации носят спонтанный и ненаправленный характер. К их числу относятся, прежде всего, эксперименты С. Лурия, М. Дельбрюка, Г. Ньюкомба и супругов Ледерберг.

3.1 Флуктуационный тест Лурия и Дельбрука

Доказательство того, что мутации у бактерий происходят спонтанно, было получено в экспериментах С. Лурия и М. Дельбрюка в 1943 г.

Метод, получивший название флуктуационный тест Лурии и Дельбрюка, достаточно прост: использовали чашки Петри с питательной средой, бактериофагами и чувствительными к фагу бактериями. Проводили серию испытаний, в ходе которых на эти чашки высевали одинаковое количество бактерий, изначально чувствительных к бактериофагу. В течение непродолжительного времени большая часть бактерий лизировалась фагом, но некоторые выживали и начинали делиться, образуя колонии. Эти колонии состояли из мутантов, устойчивых к фагу.

Проверке подлежали две распространенные в то время гипотезы:

1. Мутации происходят спонтанно, независимо от внешней среды.

2. Мутации возникают как результат приспособления к среде.

Для понимания логики эксперимента Лурии и Дельбрюка рассмотрим гипотетический пример. Представим, что четыре культуры, образованные от одной клетки бактерии, чувствительной к фагу, выращивали в течение четырех генераций, так что в каждой культуре оказалось 16 дочерних бактерий, а во всех четырех культурах -- 64 дочерние клетки. В случае верности второго предположения, адаптивные изменения в геноме бактерии должны возникнуть под воздействием фага, то есть они могут происходить только при контакте с ним. Тогда устойчивые к фагу колонии должны быть распределены по четырем чашкам случайным образом (рис. 3.1.б). В случае спонтанного возникновения мутаций, то есть независимо от присутствия фага, будет наблюдаться другая картина (рис.3.1.а). В 1-й культуре мутация устойчивости к фагу произошла в последней генерации, что привело к образованию двух мутантных бактерий, в 3-й культуре мутация произошла в течение первой генерации, что дало в конце опыта восемь мутантных бактерий. Во 2-й и 4-й культурах мутаций устойчивости к фагу не произошло.

Рис. 3.1 Распределение мутантных устойчивых к фагам колоний бактерий по чашкам: а) мутации устойчивости происходят спонтанно; б) мутации происходят в результате приспособления к среде. Закрашенные клетки -- мутанты.

В случае адаптации дисперсия числа устойчивых клеток должна равняться их среднему числу, при спонтанном возникновении устойчивости -- многократно превышать среднее, что проявилось в опыте с индивидуальными культурами. Таким образом, в эксперименте Лурии и Дельбрюка с «индивидуальными» и «общими» культурами E.coli было получено убедительное доказательство в пользу гипотезы спонтанного мутирования.

3.2 Метод реплик

Оригинальный опыт Лурии -- Дельбрюка был усовершенствован в 1952 г. супругами Дж. и Э. Ледерберг с помощью метода реплик. Его суть заключалась в том, что сначала бактерии разводили в питательной среде без фага, высевали на чашку с питательной средой, подращивали, потом с этой чашки делали отпечаток на стерильную ворсистую ткань, а затем с него делали отпечатки (реплики) на несколько чашек, содержащих высокую концентрацию фага.

Рис. 3.2 Метод реплик. Мутантные колонии располагаются в одних и тех же местах чашек-реплик. Треугольник у верхнего края чашки обозначает ее ориентацию.

В результате наблюдается следующая картина: на каждой из трех чашек-реплик в одних и тех же местах остаются колонии мутировавших бактерий (рис. 3.2).Это говорит о том, что на исходной чашке, которая никогда не подвергалась действию фага, существуют одни и те же колонии мутантов. Следовательно, эти колонии на исходной чашке должны были возникнуть спонтанно, то есть подтверждается первая гипотеза [12].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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.

Успехи современной генетики находят применение в диагностике, профилактике и лечении ряда наследственных патологий. Так, в 1997 году в США была получена рекомбинативная ДНК. С помощью генной инженерии уже сконструированы искусственные гены инсулина, интерферона и других веществ.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Головачев Г.Д. Наследственность человека / Г.Д. Головачев - Т: Наука, 1983 - 185 с.

2. Приходченко Н.Н. Основы генетики человека / Н.Н. Приходченко, Т.П. Шкурат. "Феникс", 1997 - 625 с.

3. Инге-Вечтомов С. В. Генетика с основами селекции / С. В. Инге-Вечтомов - М., Высшая школа, 1989 - 327 с.

4. Айала Ф. Современная генетика 3 том / Ф. Айла, Дж. Кайгер.- М: Мир, 1988 - 781 с.

5. Гилберт С. Биология развития 3 том / С. Гилберт, "Мир", 1993 - 289 с.

6. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика: Учеб. пособие / И.Ф. Жимулев, - Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2003 - 80 c.

7. Ингрэм В. М. Биохимия. Академии наук / В. М Ингрэм, 1958- 539 с.

8. Тарасов В. А. Молекулярные механизмы репликации и мутагенеза / В. А. Тарасов, - М.: Наука, 1982 - 226 с.

9. Якоб Ф. Молекулярная биология / Ф. Якоб, 1959 - 165 с.

10. Грин Н. Биология 3 том / Н.Грин, У.Стаут , Д.Тейлор. - М: Мир, 1990 - 761 с.

11. Ауэрбах Ш. Проблемы мутагенеза / Ш. Ауэрбах - М., 1978 - 654 с.

12. Уотсон Дж. Д. Природа/ Дж. Д. Уотсон, Ф.Крик, 1953- 737 с.

13. Тарантул В.З. Толковый биотехнологический словарь. Русско-английский / В.З. Тарантул -- М.: Языки славянских культур, 2009 -- 936 с.

14. Коржинский С., Гетерогенезис и эволюция. К теории происхождения видов / С. Коржинский СПБ, 1899 - 542 с.

15. Полтев В. И., Молекулярные механизмы правильности биосинтеза нуклеиновых кислот. Компьютерное изучение роли полимераз в образовании неправильных пар модифицированными основаниями Молек. биол. / В. И. Полтев, Н. В. Шулюпина, В. И. Брусков, 1996 -- 1298 с.

16. Кордюм В. И. Биополимеры и клетка / В. И. Кордюм , 2001 - 302 с.

17. Дубинин Н. П. Проблемы радиационной генетики / Н. П. Дубинин, -- М.: Атомиздат, 1961 - 417 с.

18. Шапиро Н. И. Радиационная генетика, в книге: Основы радиационной биологии / Н. И. Шапиро, -- М., 1964 - 202 с.

19. Клаг У. Основы генетики / У. Клаг, М. Каммингс,-- М.: Мир, 2007 - 395с.

20. Азимов А. Генетический код. От теории эволюции до расшифровки ДНК. /А. Азимов, -- М.: Центрполиграф, 2006 -- 208 с.

21. Томилин Н.В., Генетическая стабильность клетки / Н. В. Томилин, -- Л.; 1983 - 452с.

22. Хесин Р.Б., Непостоянство генома / Р. Б. Хесин, -- М., 1984 - 951с.

23. Алиханян С. И. Общая генетика / С. И. Алиханян, А. П Акифьев, Л. С. Чернив, --М., 1985 - 723 с.

24. Альбертс Б. Молекулярная биология клетки: в 3 том / Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. -- М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований, 2013 -- 808 с.

25. Льюин Б. Гены / Б. Льюин, -- М.: Мир, 1987 -- 1064 с.

Размещено на Allbest.ru

...