Мутагенез — процесс возникновения наследственных изменений организма — мутаций. Редкое появление среди нормальных организмов измененных особей было известно давно. Однако научное описание явлений мутагенеза было сделано лишь в 1899 г. рус. ученым С. И. Коржинским и в 1900—1901 гг. голландским генетиком Г. де Фризом, который, в частности, ввел термины «мутация» (лат. изменение) и «мутагенез». Способность мутировать присуща всем формам жизни на Земле и лежит в основе фундаментального свойства живого — изменчивости. Сущность мутаций состоит в изменении структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), являющейся носителем генетической информации (см. Нуклеиновые кислоты). Мутации приводят к возникновению нового признака или изменению (утрате) старого. Различают спонтанный (возникающий в естественных условиях без четко регистрируемых внешних воздействий) и индуцированный (в результате искусственных воздействий) мутагенеза.
Природа спонтанного мутагенеза изучена недостаточно. Долгое время ученые считали, что спонтанные мутации возникают под действием естественного фона радиации (в т. ч. космических лучей), а также остаточных количеств некоторых химических веществ, образующихся за счет разложения природных органических соединений или в процессе хозяйственной и бытовой деятельности человека. Одним из факторов спонтанного мутагенеза являются химические соединения, естественно образующиеся в организме как промежуточные продукты обмена веществ. Многие ученые считают ведущей причиной спонтанного мутагенеза «ошибки» ферментов, взаимодействующих с ДНК при размножении клеток, устранении повреждений ДНК (см. Репарация генетическая) или в процессе обмена генами (см. Ген). Экспериментально установлено, что частота спонтанного мутагенеза близка к частоте «ошибок» ферментов, участвующих в генетических процессах. Индуцированные мутации возникают под влиянием повреждающего действия на генетический аппарат клеток некоторых фиэических и химических агентов. Впервыеиндуцированные (искусственные) мутации были получены в 1925 г. советскими учеными Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым путем облучения клеток дрожжей рентгеновскими лучами. В 1927 г. американский генетик Г. Меллер установил мутагенное действие рентгеновских лучей в отношении мушки дрозофилы. В 1928 г. советский микробиолог М. Н. Мейсель опубликовал результаты исследований, доказавших возможность получения мутаций при воздействии на клетки химических соединений — так называемый химический мутагенез, широкое изучение которого стало проводиться с начала 30-х гг. в основном советскими генетиками (В. В. Сахаров, С. М. Гершензон и др.). Теоретические основы этого направления разрабатывались советским генетиком И. А. Рапопортом, английским ученым Ш. Ауэрбахом, американским ученым Э. Фризом. Факторы, вызывающие мутации (различные виды излучений, химических соединений), стали называть мутагенами.
Мутагены взаимодействуют с молекулами ДНК, непосредственно изменяя их структуру, или оказывают на них опосредованное действие.
Прямое действие на ДНК сопровождается, как правило, пропорциональным возрастанием частоты мутаций при увеличении дозы или времени воздействия мутагена. Однако довольно часто зависимость мутагенеза от дозы облучения, времени обработки или от концентрации химических мутагенов оказывается более сложной, что обусловлено в основном двумя группами причин.
Во-первых, при взаимодействии мутагенов с ДНК (или с хромосомой как морфология, структурой) в ряде случаев для появления мутаций однократного воздействия мутагенного фактора оказывается недостаточно; мутация возникает лишь после двух или большего числа воздействий. Во-вторых, как уже говорилось, мутагены могут взаимодействовать не прямо с ДНК, а оказывать опосредованное (непрямое) действие. Напр., мутаген может вызывать образование в клетках значительного количества различных промежуточных химических соединений (радикалов), которые в дальнейшем взаимодействуют с хромосомами и ДНК, изменяя их строение. Многие мутагены сохраняются в клетках длительное время (нередко в течение нескольких клеточных делений), проявляя так называемые последействие. Кроме того, установлено, что нередко повреждения, возникающие в ДНК, остаются в неизменном состоянии в течение длительного времени, тогда как проявление этих повреждений в виде новых мутаций имеет место у далеких потомков особей, подвергшихся мутагенному воздействию.
Изменение скорости и характера мутирования происходит также из-за вмешательства в мутагенез различных ферментов, способных устранять из ДНК ее поврежденные звенья (см. Репарация генетическая). Таким образом, появление мутаций, как правило, не является следствием простого взаимодействия мутагенов с наследственным веществом клеток. возникновении генных мутаций одно или несколько оснований в структуре гена могут перемещаться на другое место в этой же или в другие хромосомы (транслокации), удваиваться (дупликации), теряться (делеции) или оставаться на том же месте в хромосоме, но оказываться повернутыми на 180° (инверсии) и др. Хромосомные мутации подразделяют на дупликации, при которых отдельные участки хромосом-удваиваются или утраиваются; инверсии, когда участки хромосом оказываются перевернутыми на 180° транслокации, при которых наблюдается перенос участков хромосом на другое место в пределах той же хромосомы или в другую хромосому: делеции, сопровождающиеся утратой частей хромосом большей или меньшей длины; фрагментации, при которых хромосома распадается на значительное число участков и прекращает свое существование в виде морфологически целостной структуры; и циклизации, приводящие к замыканию концов хромосомы и образованию кольцевой хромосомы.
В случае геномных мутаций весь хромосомный набор может или уменьшаться вдвое (гаплоиды) или увеличиваться вдвое и больше раз (полиплоиды). Могут быть также потеряны отдельные -хромосомы набора (анеуплоиды).ности ферментов генетической репарации, которые полностью или частично устраняют повреждения, видоизменяют структуру ДНК, по возможности возвращая ее молекулу к исходному нормальному строению. Все это сказывается на скорости мутагенеза. Типы мутаций. Мутации подразделяют на три типа: генные, хромосомные и геномные (рис. 1). Изменения, затрагивающие структуру ДНК в пределах отдельных генов, называют генными мутациями. В свою очередь, генные мутации подразделяют на точечные и протяженные (рис. 2). Под точечными мутациями понимают изменения одиночных азотистых оснований в структуре ДНК: замена одних оснований другими, приводящая к изменению генетической записи (см. Генетический код) в пределах данного гена; выпадения или вставки отдельных звеньев ДНК (нуклеотидов), нарушающие порядок считывания генетической информации в пределах гена таким образом, что вся информация вслед за измененной точкой будет прочитана неправильно. Естественным следствием описанных мутаций будет изменение структуры кодируемого мутировавшим геном белка и соответствующего наследственного признака.