Вирусы. Мутация и мутагены. Репарация ДНК. Генная инженерия

В результате М. могут изменяться самые различные биохимические, физиологические и морфологические признаки организма. Изменения эти у организмов, претерпевших М., — мутантов — могут быть резко выраженными или слабыми, представляющими лишь незначительные отклонения от среднего для данного вида значения признака (см. илл.). Полиплоидные мутанты обычно характеризуются увеличением размеров клеток и всего организма. Если у полиплоида число наборов хромосом чётное (сбалансированные полиплоиды), то плодовитость обычно сохраняется или понижена не сильно; полиплоиды же, у которых число наборов хромосом нечётное (несбалансированные полиплоиды), бесплодны или обладают низкой плодовитостью (при созревании половых клеток хромосомы распределяются в них беспорядочно, что приводит к образованию анеуплоидных гамет, большей частью неспособных к оплодотворению или дающих нежизнеспособные зиготы). Гаплоидные мутанты имеют мелкие клетки, размеры организма уменьшены по сравнению с диплоидной нормой, наблюдается полное или почти полное бесплодие, т. к. лишь немногие гаметы содержат полный набор хромосом. Анеуплоиды характеризуются весьма значительными изменениями различных признаков организма, нередко столь сильными, что вызывают его гибель или бесплодие. Обычно менее резкие изменения наблюдаются в случае делеций, нехваток и дупликаций, причём степень изменения признаков в общем пропорциональна длине выпавшего или удвоенного участка хромосомы (крупные делеции могут вызывать гибель организма). Инверсии и транслокации сами по себе не вызывают изменений признаков организма (если не сопровождаются эффектом положения гена, т. е. изменением его фенотипического проявления вследствие соседства с иными, чем прежде, генами), но приводят к существенным генетическим последствиям, т. к. у гетерозигот по инверсиям затруднён обмен участками между нормальной и несущей инверсию хромосомой (см. Кроссинговер), а гетерозиготы по транслокациям дают частично анеуплоидные, часто нежизнеспособные, половые клетки. Это же происходит в случае фрагментации в результате утери фрагмента хромосомы, оставшегося без центромеры.

  Генные М., составляющие основную долю всех М., вызывают чрезвычайно разнообразные изменения признаков организма, причём изменение одного гена обычно приводит к изменению нескольких признаков (см. Плейотропия). Генные М. могут быть доминантными, полудоминантными и рецессивными (см. Доминантность, Рецессивность). В результате М. ген может переходить в разные состояния (множественные аллели одного и того же гена), по-разному влияющие на контролируемые данным геном признаки организма. Мутантные гены могут отличаться от соответствующих нормальных тем, что специфический для данного гена продукт (чаще всего фермент) не образуется вовсе; образуется в меньшем или превышающем норму количестве; образуется продукт, инактивирующий или тормозящий продукт немутантного гена; вместо нормального образуется иной, не взаимодействующий с ним продукт, отсутствующий у немутантных особей. Претерпевший М. ген обычно столь же стабилен, как немутантный, из которого он произошёл; вследствие новой М. он может вернуться к исходному состоянию (обратные М.). Генные М., как правило, вредны для организма, они нарушают жизненные процессы, протекающие в организме, снижают его жизнеспособность и плодовитость; нередко мутантный ген обусловливает гибель развивающегося организма (летальные М.). Реже возникают генные М., сравнительно мало влияющие на жизнеспособность и плодовитость организма, ещё реже — улучшающие те или иные его свойства. Эта последняя категория генных М., несмотря на свою относительную редкость, имеет огромное значение, т. к. даёт основной материал как для естественного отбора, так и для искусственного отбора, являясь необходимым условием эволюции и селекции.

  Причины мутаций и их искусственное вызывание.

Полиплоидия чаще возникает, когда хромосомы в начале клеточного деления — митоза — разделились, но деления клетки почему-либо не произошло. Искусственно полиплоидию удаётся вызвать, воздействуя на вступившую в митоз клетку веществами, нарушающими цитотомию. Реже полиплоидия бывает следствием слияния 2 соматических клеток или участия в оплодотворении яйцеклетки 2 спермиев. Гаплоидия — большей частью следствие развития зародыша без оплодотворения (см. Партеногенез). Искусственно её вызывают, опыляя растения убитой пыльцой или пыльцой др. вида (отдалённого). Основная причина анеуплоидии — случайное нерасхождение пары гомологичных хромосом при мейозе, в результате чего обе хромосомы этой пары попадают в одну половую клетку или в неё не попадает ни одна из них. Реже возникают анеуплоиды из немногих оказавшихся жизнеспособными половых клеток, образуемых несбалансированными полиплоидами.

  Причины хромосомных перестроек и наиболее важной категории М. — генных — долгое время оставались неизвестными. Это давало повод для ошибочных автогенетических концепций (см. Автогенез), согласно которым спонтанные генные М. возникают в природе якобы без участия воздействий окружающей среды. Лишь после разработки методов количественного учёта генных М. выяснилась возможность вызывать их различными физическими и химическими факторами — мутагенами. Первые данные о влиянии излучений радия на наследственную изменчивость у низших грибов были получены в СССР (Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов, 1925). Убедительные доказательства возможности искусственно вызывать М. были приведены в 1927 Г. Мёллером, обнаружившим в опытах на дрозофиле сильное мутагенное действие рентгеновских лучей. В дальнейшем работами по генетическому действию излучений на различные организмы была установлена универсальная способность всех ионизирующих излучений вызывать не только генные М., но и хромосомные перестройки. Мутагенное действие некоторых химических веществ было впервые обнаружено в СССР М. Н. Мейселем (1928), В. В. Сахаровым (1933) и М. Е. Лобашёвым (1934); первый сильный химический мутаген (чужеродная ДНК) был открыт в 1939 С. М. Гершензоном с сотрудниками; в 1946 сильное мутагенное действие формалина и этиленимина было установлено советским генетиком И. А. Рапопортом, иприта — английскими генетиками Ш. Ауэрбах и Д. Робсоном. Позже были открыты сотни других химических мутагенов. Сильные физические и химические мутагены увеличивают частоту возникновения генных М. и хромосомных перестроек во много десятков раз, а наиболее мощные химические мутагены (так называемые супермутагены, многие из которых открыты и изучены советским генетиком И. А. Рапопортом с сотрудниками) — даже в сотни раз по сравнению с частотой возникающих естественно спонтанных М. В опытах на культурах клеток и на лабораторных животных обнаружено мутагенное действие многих вирусов. Мутагеном у вирусов, по-видимому, служит их нуклеиновая кислота. Т. о., вирусы — не только возбудители многих болезней животных и человека, растений и микроорганизмов, но и один из источников их наследственной изменчивости. Все мутагены вызывают генные М., прямо или косвенно изменяя молекулярную структуру нуклеиновых кислот, в которой закодирована генетическая информация.

  Экспериментальные исследования спонтанных и индуцированных М. (наиболее изучены М. у кукурузы, дрозофилы, а также ряда микроорганизмов) вскрыли ряд важных особенностей мутирования генов. Частота возникновения спонтанных М. неодинакова для разных генов и различных организмов, составляя для отдельного гена от 1:105 до 1:107 в поколение; немногие, так называемые мутабильные, гены характеризуются значительно более высокой частотой мутирования. Частота прямых и обратных М. одного и того же гена нередко различна. Мутагены повышают частоту М. примерно одинаково для всех генов, так что соотношение более часто и сравнительно редко мутирующих генов («спектр» М.) остаётся приблизительно одинаковым как при спонтанном, так и при индуцированном мутационным процессе (в случае химических мутагенов могут наблюдаться небольшие различия в спектрах вызываемых ими М.). Лишь у микроорганизмов некоторые химические мутагены сильнее повышают частоту мутирования определённых генов, чем остальных («горячие точки» хромосом). Сходное явление обнаружено при мутагенном действии нуклеиновых кислот и вирусов на многоклеточные организмы. Соотношение общего числа генных М. и хромосомных перестроек различно при действии физических и химических мутагенов — для вторых характерна большая доля генных М., чем для первых; те или иные различия имеются и в действии разных химических мутагенов.

  Далеко не все изменения, вызываемые мутагенами в ДНК клетки, реализуются в М. Во многих случаях поврежденный участок ДНК удаляется в процессе рекомбинации или «вырезается» имеющимися в клетке так называемыми репарирующими ферментами, восстанавливающими структуру ДНК, и при дальнейшей репликации ДНК замещается соответствующим нормальным участком (см. Репарация). Частота любых М. зависит от многих внешних и внутренних факторов — температуры, парциального давления кислорода, возраста организма, фазы развития и физиологического состояния клетки и др. Большое значение имеют особенности генотипа: даже в пределах одного вида генетически разнящиеся линии могут обладать различной мутабильностью. У ряда организмов описаны так называемые гены-мутаторы, резко повышающие частоту М. Благодаря зависимости мутабильности от генетических факторов, её удаётся повышать или понижать искусственным отбором. Неодинаковая мутабильность разных видов — следствие аналогичного действия естественного отбора в ходе их эволюции.

Репарация ДНК

Репарация — особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физическими или химическими агентами. Осуществляется специальными ферментными системами клетки. Ряд наследственных болезней (напр., пигментная ксеродерма) связан с нарушениями систем репарации.

История открытия

Начало изучению репарации было положено работами А. Келнера (США), который в 1948 обнаружил явление фотореактивации (ФР) - уменьшение повреждения биологических объектов, вызываемого ультрафиолетовыми (УФ) лучами, при последующем воздействии ярким видимым светом (световая репарация).

Р. Сетлоу, К. Руперт (США) и др. вскоре установили, что фотореактивация - фотохимический процесс, протекающий с участием специального фермента и приводящий к расщеплению димеров тимина, образовавшихся в ДНК при поглощении УФ-кванта.

Позднее при изучении генетического контроля чувствительности бактерий к УФ-свету и ионизирующим излучениям была обнаружена темновая репарация - свойство клеток ликвидировать повреждения в ДНК без участия видимого света. Механизм темновой репарации облученных УФ-светом бактериальных клеток был предсказан А. П. Говард-Фландерсом и экспериментально подтвержден в 1964 Ф. Ханавальтом и Д. Петиджоном (США). Было показано, что у бактерий после облучения происходит вырезание поврежденных участков ДНК с измененными нуклеотидами и ресинтез ДНК в образовавшихся пробелах.

Системы репарации существуют не только у микроорганизмов, но также в клетках животных и человека, у которых они изучаются на культурах тканей. Известен наследственный недуг человека - пигментная ксеродерма, при котором нарушена репарация.

Источники повреждения ДНК

       УФ излучение

       Радиация

       Химические вещества

       Ошибки репликации ДНК

       Апуринизация — отщепление азотистых оснований от сахарофосфатного остова

       Дезаминирование — отщепление аминогруппы от азотистого основания

Основные типы повреждения ДНК

       Повреждение одиночных нуклеотидов

       Повреждение пары нуклеотидов

       Разрыв цепи ДНК

       Образование поперечных сшивок между основаниями одной цепи или разных цепей ДНК

       ДНК-лигаза, осуществляющая репарацию ДНК

Устройство системы репарации

Каждая из систем репарации включает следующие компоненты:

       фермент, "узнающий" химически изменённые участки в цепи ДНК и осуществляющий разрыв цепи вблизи от повреждения

       фермент, удаляющий повреждённый участок

       фермент (ДНК-полимераза), синтезирующий соответствующий участок цепи ДНК взамен удалённого

       фермент (ДНК-лигаза), замыкающий последнюю связь в полимерной цепи и тем самым восстанавливающий её непрерывность

Типы репарации

У бактерий имеются по крайней мере 2 ферментные системы, ведущие репарацию — прямая и эксцизионная.

Прямая репарация наиболее простой путь устранения повреждений в ДНК, в котором обычно задействованы специфические ферменты, способные быстро (как правило, в одну стадию) устранять соответствующее повреждение, восстанавливая исходную структуру нуклеотидов. Так действует, например, O6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза, которая снимает метильную группу с азотистого основания на один из собственных остатков цистеина.

Эксцизионная репарация (англ. excision — вырезание) включает удаление повреждённых азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы.

Интересные факты

Полагают, что от 80% до 90% всех раковых заболеваний связаны с отсутствием репарации ДНК.

Повреждение ДНК, под воздействием факторов окружающей среды, а так же нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке происходит с частотой от 1000 до 1000000 случаев в каждой клетке, каждый день[источник не указан 47 дней].

Генная инженерия

Генная инженерия — это область биотехнологий, включающая в себя действия по перестройке генотипов. Уже сегодня генная инженерия позволяет включать и выключать отдельные гены, контролируя таким образом деятельность организмов, а также — переносить генетические инструкции из одного организма в другой, в том числе – организмы другого вида. По мере того, как генетики всё больше узнают о работе генов и белков, всё более реальной становится возможность произвольным образом программировать генотип (прежде всего, человеческий), с лёгкостью достигая любых результатов: таких, как устойчивость к радиации, способность жить под водой, способность к регенерации повреждённых органов и даже бессмертие.

Генетическая информация

Генетическая информация (геном) содержится в клетке в хромосомах (у человека их 46), состоящих из молекулы ДНК и упаковывающих её белков, а также в митохондриях. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) является последовательностью нуклеотидов, каждый из которых содержит одно из четырех азотистых оснований — гуанин (G), аденин (A) (пурины), тимин (T) и цитозин (C). С функциональной точки зрения ДНК состоит из множества блоков (последовательностей нуклеотидов), хранящих определенный объем информации — генов.

Ген — участок молекулы ДНК, в котором находится информация о первичной структуре какого-либо одного белка (один ген — один белок). Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, существуют и десятки тысяч генов (в организме человека их примерно 20-25 тысяч). Совокупность всех генов организма составляет его генотип. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная часть хранимой информации. Лишь те гены активны, которые необходимы для функционирования данной клетки, поэтому, например, нейроны и по структурно-функциональным, и по биологическим особенностям отличаются от клеток печени.

Роль белков в организме

Белки являются наиболее важными молекулами в каждом живом организме, химической основой живой материи. По определению Энгельса "жизнь есть способ существования белковых тел". Белки осуществляют обмен веществ (перенос веществ в организме) и энергетические превращения, обеспечивают структурную основу тканей, служат катализаторами химических реакций, защищают организмы от патогенов, переносят сообщения, регулирующие деятельность организма. Химически белки представляют собой цепочку аминокислот, свёрнутую в пространстве особым образом.