Лекции по биологии в 2-х кн. Ч. I. Цитология и генетика Под ред проф

123
Мутагенез – процесс образования мутаций.
Мутагены - факторы, вызывающие мутации.
Физические:
Излучения
Химические:
А) природные органические и
неорганические вещества;
Б) продукты промышленной
переработки (угля, нефти и т.д.)
В) вновь синтезированные вещества
(пестициды, инсектициды,
консерванты, лекарства;
Г) метаболиты организма человека.
Биологические:
А) вирусы (краснухи,
кори, гриппа);
Б) невирусные паразиты
(бактерии, микоплазмы,
риккетсии, простейшие,
гельминты).
Рис. 9.2.Классификация мутагенных факторов.

124
Мутационная изменчивость
Мутацией (от лат. mutatio – перемена) называют внезапное, скачкообразное изменение генетического материала, возникающее спонтанно или под влиянием внешних воздействий на организм, передающееся по наследству.
Термин “мутация” был впервые введен де Фризом. На рис. 9.1. приведена классификация мутаций.
Классификация мутаций
Мутации можно объединять, в группы—классифицировать по характеру проявления, по месту или, по уровню их возникновения. Мутации по характеру проявления бывают доминантными и рецессивными (1).
Доминантные мутации проявляются в фенотипе в 1-м поколении. Если доминантные мутации неблагоприятные, то организмы могут оказаться нежизнеспособными или неплодовитыми. Такие мутации элиминируют.
Большинство мутаций являются рецессивными, т.е. не проявляются у гетерозигот и способны накапливаться в поколениях, уклоняясь от действия естественного отбора.
Мутации нередко понижают жизнеспособность или плодовитость.
Мутации, резко снижающие жизнеспособность, частично или полностью останавливающие развитие, называют полулетальными а несовместимые с жизнью — летальными (2). Нейтральные мутации формируют полиморфизмы – генетическое разнообразие индивидуумов. Примером нейтральных мутаций у человека могут быть разные группы крови, разный цвет волос или глаз. Многие нейтральные мутации затрагивают некодирующие участки генома и не проявляются фенотипически.
Бывают случаи, когда некоторые вредные рецессивные мутации могут оказаться полезными для организмов и гетерозиготные носители таких мутаций будут иметь преимущество при естественном отборе. Например, серповидно-клеточная анемия сопровождается изменением формы эритроцитов, в результате гетерозиготные носители мутации устойчивы к малярии).
Мутации подразделяют по месту их возникновения или по типу мутировавших клеток. Мутация, возникшая в половых клетках, не влияет на признаки данного организма, а проявляется только в следующем поколении.
Такие мутации называют генеративными. Если изменяются гены в соматических клетках, такие мутации проявляются у данного организма и не передаются потомству при половом размножении. Такие мутации называют
соматическими. Соматические мутации возникают очень часто и в большинстве случаев остаются незамеченными для организма. Но в некоторых случаях мутации соматических клеток дают начало злокачественной трансформации и развитию опухоли.

125
Рис. 9.3. Схема образования тиминовых димеров под влиянием ультрафиолетового освещения.

126
Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом. Факторы, которые способны вызывать мутации, называются мутагенами (рис.9.2).
Организм, который приобрел новый признак в результате мутации, называется мутантом.
Мутации характеризуются следующими свойствами:
1.
Возникают внезапно, т.е. скачкообразно;
2.
Мутации затрагивают гены, следовательно, они наследственны, т.е. передаются из поколения в поколение;
3.
Ненаправлены, т.е. мутации могут возникать в любом локусе;
4.
Одни и те же мутации могут возникать повторно в «горячих точках».
По причинам возникновения мутации могут быть спонтанными и
индуцированными. Индуцированные мутации возникают под действием мутагенных факторов, которые можно подразделить на 3 большие группы: физические, химические и биологические.
К физическим мутагенам относятся различные виды излучений, температура, влажность, шум, вибрация и т.д. Основные механизмы их действия:
1.
Нарушение структуры генов и хромосом;
2.
Образование сшивок – тиминовых димеров (рис. 9.3.).
3.
Образование свободных радикалов, которые вступают в химические взаимодействия с ДНК;
4.
Разрыв нитей ахроматинового веретена деления;
К химическим мутагенам относятся: а) природные органические и неорганические соединения (нитриты, нитраты, гормоны, алколоиды, бензол, фенол и т.д.) б) продукты промышленной переработки природных соединений – угля, нефти (ароматические углеводороды, бензпирен …) в) синтетические вещества, ранее не встречавшиеся в природе – ксенобиотики (пестициды, инсектициды, никотин, пищевые добавки, консерванты, лекарственные вещества …) г) некоторые метаболиты организма человека (хлороформ – фосген, парацетамол – яд, повреждающий печень и почки …)
Механизм действия химических факторов:
1)
Дезаминирование;
2)
алкилирование;
3)
замены азотистых оснований
4)
угнетение синтеза нуклеиновых кислот.
Биологические мутагенные факторы – вирусы (встраиваются в ДНК хозяина
– человека), бактерии (продукты их метаболизма относятся к химическим мутагенам).

127
Межхромосомные
(перестройки
происходят между
негомологичными
хромосомами)
Реципрокные
(две хромосомы
обмениваются сегментами)
Нереципрокные
(сегменты одной
хромосомы переносятся на другую))
Робертсоновские
(две акроцентрические
хромосомы соединяются центромерными
концами)
Рис. 9.4. Хромосомные мутации. Механизм возникновения и виды транслокаций.

128
Мутации классифицируют по уровню их возникновения. В соответствии с уровнями организации наследственного материала различают генные, хромосомные и геномные мутации.
1. Геномные (изменения числа хромосом – полиплоидия, гаплоидия, анеуплоидия).
2. Хромосомные (изменения структуры хромосом – хромосомные аберрации).
3. Генные (изменения структуры генов – молекулы ДНК)
К геномным мутациям относятся полиплоидии и гетероплоидии (см. лекцию №8 – хромосомные болезни человека).
Существуют хромосомные и генные мутации. К геномным мутациям относятся также изменения кариотипа (изменение числа хромосом)..
Полиплоидия — увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору. В соответствии с этим у растений различают триплоиды (Зп), тетраплоиды (4п) и т. д. В растениеводстве известно более 500 полиплоидов (сахарная свекла, виноград, гречиха, мята, редис, лук и др.). Все они выделяются большой вегетативной массой и имеют большую хозяйственную ценность.
Большое многообразие полиплоидов наблюдается в цветоводстве: если одна исходная форма в гаплоидном наборе имела 9 хромосом, то культивируемые растения этого вида могут иметь 18, 36, 54 и до 198 хромосом. Полиплоиды пблучают в результате воздействия на растения температуры, ионизирующей радиации, химических веществ (колхицин), которые разрушают веретено деления клетки. У таких растений гаметы диплоидны, а при слиянии с гаплоидными половыми клетками партнера в зиготе возникает триплоидный набор хромосом (2п + п = Зп). Такие триплоиды не образуют семян, они бесплодны, но высокоурожайны. Четные полиплоиды образуют семена.
Гетероплоидия —изменение числа Хромосом, не кратное гаплоидному набору. При этом набор хромосом в клетке может быть увеличен на одну, две, три хромосомы (2п + 1; 2п + 2; 2п + 3) или уменьшен на одну хро мосому (2л-1). Например, у человека с снндромом Дауна оказывается одна лишняя хромосома по 21-й паре и кариотип такого человека составляет 47 хромосом У людей с синдромом Шерешевского —Тернера (2п-1) отсутствует одна Х-хромосома и в кариотипе остается 45 хромосом. Эти и другие подобные отклонения числовых отношений в кариотипе человека сопровождаются расстройством здоровья, нарушением психики и телосложения, снижением жизнеспособности и др.
К хромосомным мутациям относятся мутации, связанные с нарушением структуры хромосом. Существуют следующие виды перестроек хромосом: отрыв различных участков хромосомы, удвоение отдельных фрагментов, поворот

129
3. Инверсии (перевороты) нуклеотидов
Норма
ДНК CTG TTG GTC
мРНК GAC AAC СAG
Белок лей фен вал
мутация
ДНК CTG GTT GTC
мРНК GAC CAA CAG
Белок лей вал вал
4. Инсерции (вставки) нуклеотидов
Норма
ДНК CTG TTG GTC
мРНК GAC AAC СAG
Белок лей фен вал
мутация
ДНК CTG TTG A GTC
мРНК GAC AAC TCA
Белок лей фен сер
5. Динамические мутации – экспансия (накопление)
тринуклеотидных повторов – CTG, CAG, CGG – хорея
Гентингтона, миотоническая дистрофия, синдром ломкой Х-
хромосомы и др.
1.
Замены:
Транзиции - замены аденина (A) нагуанин (G) и тимина (T) на цитозин (C)
Трансверсии - замены аденина (А) на цитозин (С) и тимина (T) на гуанин (G)
Норма
ДНК CTG TTG GTC
мРНК GAC AAC СAG
Белок лей фен вал
Мутация
ДНК CTG TGG GTC
мРНК GAC ACC CAG
Белок лей трп вал
2. Делеции (выпадения) нуклеотидов
Норма
ДНК CTG TTG GTC
мРНК GAC AAC СAG
Белок лей фен вал
мутация
ДНК CTG GTC
мРНК GAC CAG
Белок лей - вал
Рис. 9.5. Классификация генных мутаций.

130 участка хромосомы на 180° или присоединение отдельного участка хромосомы к другой хромосоме (см. рис. 8.2., рис. 9.4.). Подобное изменение влечет за собой нарушение дозы и функции генов в хромосоме, а также приводят к нарушению наследственных свойств организма, а иногда вызывают его гибель. Различают следующие типы хромосомных нарушений: делеции (утрата части хромосомы), дупликации (удвоение участка хромосомы), транслокации (перестройки), инверсии, инсерции.
К генным мутациям (рис.9.5.) относятся изменения структуры гена, воспроизводимые в последовательных циклах репликации ДНК и передающиеся потомству в виде новых вариантов признаков. Генные
мутации затрагивают структуру самого гена. Поскольку ген является элементарной единицей функции наследственного материала и отвечает за определенный признак, его изменения приводят к новым вариантам признака. Поэтому ген является элементарной единицей изменчивости.
Причина генных мутаций - нарушение последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, которое может быть связано с заменой одних нуклеотидов на другие (составляют 20% спонтанно возникающих генных нарушений), включением в состав ДНК новых нуклеотидов (инсерции) или выпадением ряда нуклеотидов из
ДНК
(делеции), изменением последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК (инверсии). Все эти мутации могут приводить к изменению последовательности аминокислот в молекуле синтезируемого белка (либо за счет изменения генетического кода
(замены), либо за счет сдвига рамки считывания (делеции и инсерции, не кратные 3).
В результате генных мутаций изменяется синтез соответствующих белков, что может привести либо к повышению активности, либо к ее потере, но может и не наблюдаться изменения признака. Большинство генных мутаций дают отрицательный эффект и обусловливают выпадение какой- либо ферментативной активности. Степень проявления дефекта может быть различной. У диплоидов мутации возникают только в одном из двух аллелей, в результате чего возникают гетерозиготы, фенотип которых определяется взаимодействием аллелей.
В настоящее время известно, что ядерная ДНК передает не всю генетическую информацию. ДНК также содержится в митохондриях и пластидах, в частности в хлоропластах. Эти ДНК подвержены мутациям, которые приводят к изменениям последовательности аминокислот в структурных белках. Изменение признака может происходить и в цитоплазме клетки и передаваться дочерним (к примеру, передача каппа-частиц у туфельки при конъюгации). Передача информации через цитоплазму клетки называется цитоплазматической наследственностью. При помощи отводков и прививок удается сохранить возникшие

131 изменения у растений и они оказываются стойкими, наследственными.
Большинство мутаций рецессивны.
Частота возникновения отдельных спонтанных мутаций выражается числом гамет одного поколения, несущих определенную мутацию, по отношению к общему числу гамет. В природных условиях мутация каждого отдельного гена происходит очень редко. У организма имеется несколько тысяч генов, так что общее число мутаций оказывается значительным.
Частоты, определенные для некоторых видов растений, животных и микроорганизмов, оказываются близкими по величине и составляют в среднем от 10-4 до 10-9 (т.е. от 1 из 100 тыс. или 1 из 10 млрд гамет несет вновь возникшую мутацию в определенном локусе). Частота мутаций для различных генов неодинакова: например, у отдельных генов растений она достигает 10-2. Общая частота мутаций колеблется у разных видов организмов от нескольких процентов (одноклеточные водоросли, низшие грибы, бактерии) до 25% (дрозофила) всех гамет одного поколения. Такая частота мутаций свойственна спонтанным мутациям. Экспериментально частоту мутаций можно увеличить. В природных условиях мутации происходят при резких изменениях температуры, под влиянием ультрафиолетового излучения и по другим причинам. Однако в большинстве случаев истинные причины мутаций остаются неизвестными. В настоящее время разработаны методы, позволяющие увеличить число мутаций искусственными средствами.
Впервые резкое повышение числа возникающих наследственных изменений было получено под влиянием лучей Рентгена. В экспериментальных условиях число мутаций увеличивают за счет изменения температуры в пределах, переносимых организмом; при действии на репродуктивные клетки рядом химических веществ (например, пестицидов) и различных видов облучения (лучи Рентгена, электроны, ультрафиолетовые и g-лучи, нейтроны).
Генные мутации приводят к появлению моногенных наследственных болезней. У человека около 4,5 тыс. заболеваний связаны с генными мутациями.
Популяции человека характеризуются определенной частотой и спектром различных мутаций. Это характеризует генетический груз популяции – т.е. часть наследственной изменчивости, характеризующуюся появлением менее приспособленных особей (больные наследственными заболеваниями или носители мутантных генов), которая при определенных условиях подвергается избирательному действию естественного отбора. По образному выражению академика Холдейна «Генетический груз – это цена, которую вынуждена платить популяция за право эволюционировать».
Естественно, генетический груз включает как уже циркулирующие в популяции мутации, передающиеся из поколения в поколения, так и новые мутации. По оценкам отечественных генетиков (Бочков Н.П., 1995) величина

132 генетического груза в европейских популяциях и в России составляет 5,5%, из которых 1% - моногенные наследственные болезни, 0,5% - хромосомные болезни, 3-4% - многофакторные болезни с выраженным генетическим компонентом.
Важно отметить, что спектр и частоты различных мутаций, а также нейтральных полиморфизмов, характеризуются выраженной популяционной специфичностью. Т.е. они характерны для населения определенного региона или этноса и существенно отличаются от аналогичных характеристик в других географических регионах.
Методом лечения наследственных моногенных болезней должна стать
генная терапия, однако лишь в самые последние годы появились реальные предпосылки для ее практического применения. Уже в ближайшем будущем генная терапия займет ведущее место в лечении многих болезней, считавшихся ранее неизлечимыми. Значительно раньше появились эффективные методы традиционной терапии, не изменяющие генотип и направленные на коррекцию метаболических или иммунологических дефектов, возникающих под влиянием мутантных генов. При раннем распознавании болезни с помощью этих методов удается моделирование нормального фенотипа.
Генная терапия
Генная терапия – это метод введения фрагмента ДНК в клетки больного человека с целью замещения функции мутантного гена и лечения наследственных болезней. В конце 60-х годов было показано, что клетки животных и человека способны поглощать экзогенную ДНК и встраивать ее в свой геном, после чего проявляются экспрессия введенных генов, в частности, в виде синтеза отсутствовавших ранее белков и ферментов. Были разработаны методы доставки ДНК в клетки с помощью вирусов и других носителей.
Впервые попытка генной терапии в клинике была предпринята М. Клайном в
1983 году, когда им было осуществлено введение нормального бета- глобинового гена больным бета-талассемией.
Позднее были проведены клинические эксперименты по генотерапии рака. В лейкоциты больных злокачественной меланомой и поздними стадиями рака были введены гены, маркирующие злокачественные клетки
(чтобы их могла узнавать иммунная система). У половины больных размеры опухолей уменьшились в два раза и более.
В настоящее время насчитывается более 40 заболеваний, при которых может быть использована генная терапия – от редких форм (недостаточность аденозин -деманиазы) до распространенных, таких как рак, болезни сердечно-сосудистой системы и иммунодефициты. Весьма важно, чтобы

133 фрагменты ДНК и соответствующие гены были введены в клетки, которые были бы способны к последующему делению (клетки печени, стволовые клетки костного мозга и т..п.). Наиболее сложная проблема – это перенос фрагмента ДНК (гена) в клетку. В большинстве случаев для этих целей используются генетически модифицированные вирусы или вирусные векторы, чаще всего мышиные ретровирусы. Они способны инфицировать любую клетку и вместе с желаемым фрагментом ДНК легко включаются в геном клетки-хозяина ДНК. Из них с помощью генно-инженерных методов удаляются нуклеотиды, ответственные за их размножение, однако введенный с вирусом-вектором ген передается дочерним клеткам при клеточном делении. Однако эти векторы не годятся для введения ДНК-фрагментов в неделящиеся клетки человека, например, в нейроны. Они мало пригодны для переноса генов в клетки, отличающиеся низкой митотической активностью, например, в клетки эпителия дыхательных путей. Эти обстоятельства обусловили поиск других вирусных векторов, среди которых внимание привлекли аденовирусы. Из них также удаляются нуклеотиды, ответственные за репликацию. Аденовирусы могут переносить ДНК в неделящиеся клетки, чем отличаются от ретровирусов. Но в этом случае переносимая аденовирусом ДНК не встраивается в геном клетки хозяина, она остается вне хромосом, хотя и проявляет генную активность. В силу эписомальной локализации она не передается дочерним клеткам. Но с другой стороны, аденовирусные векторы позволяют вводить гены в клетки нервной системы и эпителий дыхательных путей.
В качестве вектора генов используется также вирус простого герпеса - тип 1. Этот вектор легко встраивает экзогенную ДНК в нейроны, клетки печени. Как и другие вирусы-векторы, герпес-вирус подвергается генно- инженерной обработке, ведущей у утрате его способности к размножению
(деления части вирусной ДНК).
Наряду с биологическими также применяются физико-химические методы введения экзогенной ДНК в клетки хозяина. Разработана технология микроинъекций ДНК в клетки (миоциты), а также введение генов с помощью липосом.
Методы генной терапии постепенно входят в арсенал современных эффективных методов лечения наследственных заболеваний человека, что особенно важно в тех случаях, когда других возможностей их лечения не существует. Наследственный дефицит гормона роста, проявляющийся выраженной низкорослостью, может быть устранен с помощью генной терапии. Ген гормона роста удалось ввести в миоциты, которые начинали продуцировать этот гормон.
В настоящее время ведутся интенсивные разработки методов генной терапии рака. Одна из возможностей состоит в том, чтобы ввести в опухолевые клетки гены, продуцирующие такие белки, которые позволяют

134 иммунной системе организма распознавать и уничтожать эти клетки
(например, ген интерферона). Другой путь заключается во введении в опухолевые клетки вирусных генов, которые позволяют использовать с лечебными целями противовирусные препараты.
Методы трансплантации тканей, в частности, трансплантация костного мозга, также могут быть отнесены к категории генной терапии. Сочетание возможностей генетики и клинической педиатрии позволит уже в недалеком будущем решать сложнейшие вопросы лечения и профилактики наследственных моногенных болезней. Современная медицинская и клиническая генетика – это пример единения науки и практики.
Исследования, еще недавно представляющиеся сугубо теоретическими, в считанные годы получают реальный практический выход на благо здоровья настоящего и будущих поколений.

135

перейти в каталог файлов