Причины и свойства мутаций. Мутагенные факторы. Роль мутаций в эволюционном процессе

  Мутации случайны и не направлены. Принципиальным положением мутационной теории является утверждение, что мутации случайны и не направлены. Под этим подразумевается, что мутации изначально не адаптивны. Применение инсектицидов не ведет к  направленному возникновению мутаций  устойчивости к ним у насекомых. Инсектициды могут приводить  к общему повышению частоты мутаций, в том числе и мутаций в  генах устойчивости к ним, в том  числе и таких мутаций, которые  эту устойчивость повышают. Но на одну такую «адаптивную» мутацию в  «нужном» гене возникают десятки  тысяч любых других – нейтральных  и вредных - мутаций в генах, которые  не имеют никакого отношения к  устойчивости к инсектицидам.

  Организм  не может знать, какие мутации  будут полезны в следующем  поколении. Нет и не может быть механизма, который бы обеспечивал  направленное появление полезных для  организма мутаций. Это утверждение  следует из всего того, что мы знаем о принципах кодирования, реализации и передачи генетической информации. Мы уже говорили о том, что ДНК – это не чертеж, а  рецепт создания организма. Говорят, что  генотип определяет фенотип. Не следует  понимать эту фразу буквально. Генотип  определяет не сам фенотип, а последовательности биохимических и морфогенетических  реакций, которые, взаимодействуя друг с другом, определяют развитие фенотипических признаков. Изменения генотипа влекут за собой изменения фенотипа, но не наоборот. Как бы не менялся фенотип  организма в ответ на воздействия  внешней среды – его изменения  не могут привести к изменению  генов, которые этот организм передаст следующему поколению. 

5. Роль  мутаций в эволюции

  Все перечисленные выше характеристики верны для всех типов мутаций  – генных, хромосомных и геномных. Однако, такие геномные и хромосомные  мутации как полиплоидия (кратное  увеличение количества хромосом) и  дупликации (удвоения определенных участков хромосом) играют особую роль в эволюции. Это связано с тем, что они увеличивают количество генетического материала и тем самым открывают возможность возникновения новых генов с новыми свойствами.

  Расшифровка генома человека и других организмов показала, что многие гены и участки  хромосом представлены в нескольких копиях. К ним относятся множество  генов, отвечающих за синтез рибосомной РНК, гистонов (белков, участвующих  в упаковке ДНК в хромосомах) и  многих других. Таких генов нужно  много для того, чтобы обеспечить высокий уровень синтеза, контролируемых ими продуктов. Следует ли из этого, что множественные копии этих генов возникли для этого? Конечно  же, нет. Удвоение всего генома или  его отдельных участков происходило  случайно. При этом удваивались не только эти гены, но и многие другие. Естественный отбор, однако, «поступал» с этим лишними копиями по-разному. Некоторые копии оказались полезными, и естественный отбор поддерживал  их в популяциях. Другие оказались  вредными, поскольку «больше - не всегда лучше». В этом случае отбор или  отбраковывал носителей таких копий, или способствовал размножению  таких особой, у которых излишние копии генов терялись в результате других хромосомных мутаций –  делеций. Были, наконец, и нейтральные  копии, присутствие которых никак  не сказывалось на приспособленности их носителей.

  Когда мы сравниваем кариотипы разных видов  млекопитающих, мы обнаруживаем, что  в ходе эволюции этих видов происходили  и закреплялись и другие хромосомные  мутации, такие как транслокации и инверсии. Кариотип человека отличается от шимпанзе и других антропоидов  одной транслокацией и несколькими  инверсиями. За десятки миллионов  лет независимой эволюции в кариотипах человека и землеройки возникли и  закрепились десятки различных  транслокаций и инверсий. Эти хромосомные  перестройки не могли бы закрепиться, если бы они резко нарушали жизнеспособность или плодовитость их носителей.

  В результате транслокаций и инверсий меняется взаимное расположение генов  и, следовательно, характер их взаимодействия. В настоящее время хорошо известно, какую важную роль в проявлении генов  играют их регуляторные элементы. Эти  элементы, как правило, находятся  в тех же хромосомах, что и контролируемые гены, но часто на большом расстоянии от них. Отрыв гена от его регуляторного  элемента, обусловленный инверсией  или транслокаций, или соединение этого гена с чужим регуляторным элементом может приводить к  значительным изменениям в функции  гена – времени его проявления в развитии, типе клеток, в которых  этот ген активен, в количестве синтезируемого белка. К таким же последствиям может  приводить и перемещение мобильных  генетических элементов, которые могут  захватывать и переносить с места  на место регуляторные элементы.

  В геноме обнаружены участки, где довольно часто происходят разрывы хромосом, ведущие к образованию хромосомных  перестроек. Найдены и участки  преимущественной локализации мобильных  генетических элементов. Интересно, что  во многих случаях это одни и те же участки. Таким образом, мы можем  говорить о неслучайном распределении  этих участков по геному. Однако, и как  все остальные мутации, хромосомные  перестройки и перемещения мобильных  элементов случайны. Они случайно меняют функции генов, находящихся  вблизи точек разрывов, они случайно распределяют гены по геному. Они приводят к тому, что возникает множество  новых «коалиций» генов, а приспособительная  ценность этих «коалиций» оценивается  отбором. 

6. Методы  выявления генных мутаций

 

    Сложность выявления генных мутаций связана, во-первых, с рецессивностью большинства  мутаций (вероятность их фенотипического  проявления ничтожно мала), а во вторых с летальностью многих из них (мутанты не выживают).

    Все множество методов выявления  генных мутаций можно разделить  на две группы: методы генетического  анализа и биохимические методы.

    1. Методы генетического анализа основаны на скрещивании возможных носителей мутации с тестерными линиями (линиями-анализаторами). Самый простой метод – это скрещивание носителей предполагаемой мутации с соответствующей рецессивно-гомозиготной линией, т.е. обычное анализирующее скрещивание.

     Однако  этот метод не позволяет выявить  неизвестные мутации, а также  летальные мутации. Поэтому создаются  специальные тестерные линии  для учета летальных мутаций.

    Например, у мушки дрозофилы синтезирована  тестерная линия М–5 (Мёллер–5), которая характеризуется особой структурой X–хромосом у самок. В этих хромосомах имеются аллели с определенным фенотипическим  проявлением (доминантный аллель B – полосковидные глаза; рецессивный аллель w^a – абрикосовые глаза; кроме того, имеется еще один аллель – sc, контролирующий отсутствие щетинок, но он в анализе обычно не учитывается). В хромосомах М–5 изменен порядок генов: имеется одна большая инверсия и одна малая, расположенная внутри большой (инверсии будут рассмотрены ниже); такое строение хромосом исключает появление кроссоверных особей при скрещивании мушек М–5 с другими линиями.

    Для выявления мутаций используются самцы дикого типа – с нормальными  X–хромосомами (аллели В⁺ и w⁺ – нормальные красные глаза, sc⁺  – нормальные щетинки; нормальный порядок генов). Эти самцы подвергаются обработке мутагенами (факторами, повышающими частоту мутаций). В результате в их половых клетках часть X–хромосом мутирует, т.е. в них возникают мутации. Обработанные самцы скрещиваются с самками М–5. В первом поколении (F1) все самки имеют полосковидные темно-красные глаза, а самцы – абрикосовые полосковидные глаза. Кроме того, часть самок получает от отцов по нормальный X–хромосоме, а часть – по мутантной X–хромосоме. Все самцы получают от матерей М–5 только немутантные хромосомы с аллелями В и w^a. В F1 рецессивные мутации у самок, даже если они есть, не дают летального эффекта, поскольку они находятся в гетерозиготном состоянии: мутантная X–хромосома дикого типа от отца сочетается с немутантной М–5–хромосомой от матери. 

    Затем гибриды первого поколения скрещиваются между собой, и потомство каждой самки выращивается отдельно. Часть  самок несет немутантную X–хромосому дикого типа, и в их потомстве обнаруживаются немутантные самцы дикого типа. Однако некоторая часть самок несет мутантную X–хромосому дикого типа с летальной мутацией; соответственно их сыновья, получившие такие хромосомы, не выживают, и самцы дикого типа в потомстве самок–носительниц не обнаруживаются.

    Ниже  приведены схемы скрещивания, иллюстрирующие принцип использования метода Мёллер–5 (символом l обозначены летальные мутации).   

 

 

 

 

1 вариант  скрещивания – без летальных  мутаций  

 

 

2 вариант  скрещивания – при наличии  летальных мутаций  

 

 

 

 

     В настоящее время, кроме тестерной  линии М–5 используются и другие тестерные лини мушек дрозофил и других модельных объектов. Например, существуют тест-системы, позволяющие выявлять мутации X-хромосомах самцов в первом же поколении, а также мутации в аутосомах. Применение этих линий позволяет изучать закономерности мутационного процесса, однако классический генетический анализ далеко не всегда можно использовать для выявления мутаций в популяциях человека и многих других организмов.   

2. Биохимические методывыявления мутаций исключительно разнообразны и основаны на применении различных методик.

    а) Методики, основанные на выявлении определенных биохимических продуктов мутантных генов. Легче всего выявлять мутации по изменению активности ферментов или по утрате какого-либо биохимического признака. Например, у микроорганизмов на селективных питательных средах выявляются ауксотрофные формы, не способные синтезировать определенные вещества (по сравнению с нормальными, прототрофными формами).