Какие мутации называют спонтанными? Если перевести термин на доступный язык, то это естественные ошибки, возникающие в процессе взаимодействия генетического материала с внутренней и/или внешней средой. Такие мутации, как правило, случайны. Они наблюдаются и в половых, и в других клетках тела.
Экзогенные причины мутаций
Спонтанная мутация может возникнуть под влиянием химических веществ, радиации, под действием высоких или низких температур, разреженного воздуха или высокого давления.
Каждый год человек в среднем поглощает около одной десятой рада ионизирующего излучения, составляющего естественный радиационный фон. В это число входит гамма-излучение ядра Земли, солнечный ветер, радиоактивность элементов, залегающих в толще земной коры и растворенных в атмосфере. Полученная доза зависит также от того, где именно находится человек. Четверть всех спонтанных мутаций случается именно по вине этого фактора.
Ультрафиолетовое излучение, вопреки расхожему мнению, играет незначительную роль в возникновении поломок ДНК, так как не может проникнуть достаточно глубоко внутрь тела человека. Но кожа часто страдает от чрезмерной инсоляции (меланома и другие виды рака). Однако одноклеточные организмы и вирусы мутируют под воздействием солнечного света.
Слишком высокие или низкие температуры тоже способны вызвать изменения в генетическом материале.
Эндогенные причины мутаций
Основными причинами, из-за которых может возникнуть спонтанная мутация, остаются эндогенные факторы. К ним относятся побочные продукты метаболизма, ошибки в процессе репликации, репарации или рекомбинации и другие.
- Сбои в репликации:
- спонтанные транзиции и инверсии азотистых оснований;
- неправильное встраивание нуклеотидов из-за ошибок ДНК-полимераз;
- химическая замена нуклеотидов, например, гуанин-цитозина на аденин-гуанин. - Ошибки восстановления:
- мутации в генах, ответственных за репарации отдельных участков цепи ДНК после их разрыва под воздействием внешних факторов. - Проблемы с рекомбинацией:
- сбои в процессах кроссинговера при мейозе или митозе приводят к выпадению и достраиванию оснований.
Это основные факторы, вызывающие спонтанные мутации. Причины сбоев могут заключаться в активации генов-мутаторов, а также превращении безопасных химических соединений в более активные метаболиты, воздействующие на ядро клетки. Кроме того, существуют еще структурные факторы. К ним относятся повторы последовательности нуклеотидов вблизи от места перестройки цепи, наличие дополнительных участков ДНК, схожих по структуре с геном, а также подвижные элементы генома.
Патогенез мутации
Спонтанная мутация возникает вследствие воздействия всех вышеперечисленных факторов, воздействующих вместе или раздельно в определенный период жизни клетки. Существует такой феномен, как скользящее нарушение спаривания дочерней и материнской нитей ДНК. В результате этого часто образуются петли из пептидов, которые не смогли адекватно встроиться в последовательность. После удаления лишних участков ДНК из дочерней цепи петли могут как резецироваться (делеции), так и встраиваться (дупликации, инсерции). Появившиеся изменения закрепляются в следующих циклах деления клетки.
Скорость и количество возникающих мутаций зависят от первичной структуры ДНК. Некоторые ученые считают, что абсолютно все последовательности ДНК обладают мутагенностью, если они образуют изгибы.
Наиболее распространённые спонтанные мутации
Чем же чаще всего проявляются в генетическом материале спонтанные мутации? Примеры подобных состояний – это потеря азотистых оснований и удаление аминокислот. Особенно чувствительными к ним считаются цитозиновые остатки.
Доказано, что на сегодняшний день больше чем у половины позвоночных животных имеется мутация цитозиновых остатков. После дезаминирования метилцитозин изменяется на тимин. Последующее копирование этого участка повторяет ошибку или удаляет ее либо удваивает и мутирует в новый фрагмент.
Еще одной причиной частых спонтанных мутаций считают большое количество псевдогенов. Из-за этого в процессе мейоза могут образовываться неравные гомологичные рекомбинации. Следствием этого являются перестройки в генах, повороты и удвоения отдельных нуклеотидных последовательностей.
Полимеразная модель мутагенеза
Согласно этой модели, спонтанные мутации возникают в результате случайных ошибок молекул, синтезирующих ДНК. В первый раз подобная модель была представлена Бреслером. Он высказал предположение, что мутации появляются вследствие того, что полимеразы в некоторых случаях встраивают в последовательность некомплиментарные нуклеотиды.
Спустя годы, после длительных проверок и экспериментов, эта точка зрения была одобрена и принята в научном мире. Были даже выведены определенные закономерности, которые позволяют ученым контролировать и направлять мутации, подвергая воздействию ультрафиолета определенные участки ДНК. Так, например, выяснили, что напротив поврежденного триплета чаще всего встраивается аденин.
Таутомерная модель мутагенеза
Еще одна теория, объясняющая спонтанные и искусственные мутации, была предложена Уотсоном и Криком (первооткрывателями структуры ДНК). Они предположили, что в основе мутагенеза лежит способность некоторых оснований ДНК превращаться в таутомерные формы, изменяющие способ соединения оснований.
После опубликования гипотеза активно разрабатывалась. Были обнаружены новые формы нуклеотидов после облучения их ультрафиолетом. Это дало ученым новые возможности для исследований. Современная наука до сих пор дискутирует о роли таутомерных форм в спонтанном мутагенезе и его влиянии на количество выявляемых мутаций.
Иные модели
Спонтанная мутация возможна при нарушении узнавания ДНК-полимеразами нуклеиновых кислот. Полтаевым и соавторами был выяснен механизм, который обеспечивает соблюдение принципа комплиментарности при синтезе дочерних молекул ДНК. Эта модель позволила изучить закономерности появлений спонтанного мутагенеза. Ученые объяснили свое открытие тем, что главной причиной изменения структуры ДНК является синтез неканонических пар нуклеотидов.
Они предположили, что замета оснований происходит ввиду дезаминирования участков ДНК. Это приводит к изменению цитозина на тимин или урацил. Из-за таких мутаций образуются пары несовместимых нуклеотидов. Поэтому во время следующей репликации происходит транзиция (точечная замена нуклеотидных оснований).
Классификация мутаций: спонтанные
Есть разные классификации мутаций в зависимости от того, какой именно критерий лежит в их основе. Существует разделение по характеру изменения функции гена:
- гипоморфные (мутировавшие аллели синтезируют меньше белков, но они похожи на оригинальные);
- аморфные (ген полностью утратил свои функции);
- антиморфные (мутированный ген полностью изменяет тот признак, который представляет);
- неоморфные (появляются новые признаки).
Но более распространена классификация, которая делит все мутации соразмерно изменяемой структуре. Выделяют:
1. Геномные мутации. К ним относятся полиплоидия, то есть образование генома с тройным и более набором хромосом, и анеуплоидия – число хромосом в геноме не кратно гаплоидному.
2. Хромосомные мутации. Наблюдаются значительные перестройки отдельных участков хромосом. Различают потерю информации (делецию), ее удвоение (дупликацию), изменение направленности нуклеотидных последовательностей (инверсию), а также переброс участков хромосом на другое место (транслокацию).
3. Генная мутация. Наиболее часто встречаемая мутация. В цепи ДНК происходит замена нескольких случайных азотистых оснований.
Последствия мутаций
Спонтанные мутации - причины возникновения опухолей, болезней накопления, дисфункций органов и тканей человека и животных. Если мутировавшая клетка располагается в большом многоклеточном организме, то с большой долей вероятности она будет уничтожена путем запуска апоптоза (запрограммированная смерть клетки). Тело контролирует процесс сохранения генетического материала и с помощью иммунной системы избавляется от всех возможных поврежденных клеток.
В одном случае из сотен тысяч Т-лимфоциты не успевают распознать пораженную структуру, и она дает клон клеток, которые также содержат мутированный ген. Конгломерат клеток имеет уже другие функции, вырабатывает токсические вещества и негативно влияет на общее состояние организма.
Если мутация произошла не в соматической, а в половой клетке, то изменения будут наблюдаться у потомков. Они проявляются врожденными патологиями органов, уродствами, нарушениями обмена и болезнями накопления.
Спонтанные мутации: значение
В некоторых случаях казавшиеся ранее бесполезными мутации могут быть полезны для приспособления в новых условиях жизни. Это представляет мутацию как мерило естественного отбора. Животные, птицы и насекомые имеют камуфляжную окраску, соответствующую местности проживания, чтобы защитить себя от хищников. Но если меняется их ареал обитания, то при помощи мутаций природа пытается защитить вид от вымирания. В новых условиях выживают наиболее приспособленные и передают эту способность другим.
Мутация может происходить в неактивных участках генома, и тогда видимых изменений фенотипа не наблюдается. Обнаружить «поломку» можно только при помощи специфических исследований. Это необходимо для изучения происхождения родственных видов животных и составления их генетических карт.
Проблема спонтанности мутаций
В сороковые годы прошлого века существовала теория, что мутации вызываются исключительно воздействием внешних факторов и помогают к ним приспособиться. Для того чтобы проверить эту теорию, был разработан специальный тест и метод повторений.
Процедура заключалась в том, что небольшое количество бактерий одного вида высеивали на пробирки и после нескольких прививаний добавляли к ним антибиотики. Часть микроорганизмов выживала, и их переносили на новую среду. Сравнение бактерий из разных пробирок показало, что устойчивость возникала спонтанно, как до контакта с антибиотиком, так и после него.
Метод повторений заключался в том, что на ворсистую ткань переносились микроорганизмы, а затем переносились одновременно на несколько чистых сред. Новые колонии культивировали и обрабатывали антибиотиком. В результате в разных пробирках выживали бактерии, расположенные на одинаковых участках среды.
