Мутации - это наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению признаков организма. Основы учения о мутациях заложены Г. де Фризом уже в 1901 году, описавшим мутации у элотеры, однако их молекулярные механизмы изучены значительно позже. По Г. де Фризу мутация - это скачкообразное, прерывистое изменение наследственного признака.
Суть мутационной теории Г. де Фриза сводится к следующим положениям:
1) мутация возникает дискретно, без переходов;
2) новые формы константны;
3) мутации разнонаправлены (полезные и вредные);
4) выявляемость мутаций зависит от размеров выборки изучаемых организмов;
5) одни и те же мутации могут возникать повторно.
Мутационные изменения чрезвычайно разнообразны. Они могут затрагивать практически все морфологические, физиологические и биохимические признаки организма, могут вызвать резкие или, наоборот, едва заметные фенотипические отклонения от нормы.
В основе мутационной изменчивости лежат структурные изменения генов и хромосом. В зависимости от характера изменений в генетическом материале различают:
1) генные (точковые) мутации, представляющие собой вставку, выпадение, замену или изменение пары нуклеотидов;
2 ) инсерции - вставки («врезания») молекул ДНК или их фрагментов в ген, приводящие чаще всего к его инактивации или к сильному полярному эффекту в оперонах;
3) хромосомные перестройки, или аберрации - преобразования структуры хромосом, основанные на их разрыве;
4) геномные (генотипические) мутации, заключающиеся в изменении числа хромосом в клетке.
Генные мутации - это изменения структуры отдельных генов путём вставки, выпадения, замены или изменения пары нуклеотидов.
Наименьший участок молекулы ДНК, изменение которого приводит к мутации, называется мутоном (название «мутон» предложено Бензером в 1957 году). Мутон представляет собой пару нуклеотидов.
Образование генной мутации происходит в два этапа. На первом этапе изменение затрагивает лишь одну цепь молекулы ДНК (потенциальная мутация). С изменением гомологичного участка (например, комплементарного нуклеотида) во второй цепи возникает истинная мутация. Она может возникнуть только в ходе ближайшего цикла редупликации ДНК, например, в ходе интерфазы клеточного цикла.
Генные мутации бывают спонтанными (самопроизвольными) - происходящими вне прямой связи с физическим или химическим факторами внешней среды и индуцированными (искусственно вызванными воздействием на организм факторов известной природы). Спонтанные мутации возникают, например, как ошибки при воспроизведении генетического материала (редупликация ДНК, синтез иРНК). Их частота выше у организмов с коротким жизненным циклом, и, наоборот, ниже у организмов с длинным жизненным циклом.
Фактор, индуцирующий мутации, называется мутагеном. К физическим мутагенам относятся все виды ионизирующих излучений (гамма- и рентгеновские лучи, протоны, нейтроны и др.), ультрафиолетовое излучение, высокие и низкие температуры.
Химическими мутагенами являются алкилирующие соединения, алкалоиды, некоторые биополимеры (чужеродные ДНК и РНК), вещества, используемые в сельском хозяйстве (гидразид малеиновой кислоты), в медицине (нитрофураны), в различных производствах (формальдегид, гидрокси- ламин, бисульфит натрия и др.
К биологическим мутагенам относятся вирусы, бактерии, простейшие, гельминты, а также продукты их жизнедеятельности. Наряду с указанными выделяют ещё супермутагены, повышающие частоту мутаций в сотни и более раз (нитрозопроизводные мочевины и др.).
По влиянию на жизнедеятельность организма мутации подразделяют на летальные, полулетальные, нейтральные и благоприятные. Большинство мутаций либо вредны для организма, либо вызывают его гибель. Различают летальные мутации, обладатели которых погибают, как правило, в эмбриональный период и полулетальные (семилетальные) мутации, вызывающие снижение жизнеспособности и гибель организма до наступления репродуктивного периода. Очень редко генные мутации не изменяют или улучшают те или иные свойства организма. Первые называют нейтральными, вторые - благоприятными мутациями. Они обычно поставляют материал для эволюционного процесса или используются в селекции.
Большая часть мутаций является по своей природе рецессивными. Не проявляясь в фенотипе, они не устраняются в ходе эволюции и накапливаются в генофондах видов в большом количестве. Реже происходят доминантные мутации, проявляющиеся уже в первом поколении.
Неблагоприятные (летальные и полулетальные) мутации у человека являются причиной самых разнообразных генных болезней и наследственных аномалий. Примерно у 4% новорождённых проявляются симптомы наследственных аномалий, являющихся результатом самых разнообразных мутаций. Патологические состояния организма, обусловленные генными мутациями, названы генными болезнями. У человека известно несколько сот генных заболеваний. Некоторые из наследственных аномалий контролируются одной, другие - несколькими парами генов. В проявлении наследственной патологии существенное значение могут иметь гены-модификаторы, комплементарные гены, среда с её климатическими, физическими, биологическими и социальными факторами.
Мутация гена, контролирующего синтез фермента галак- тазы (без которого невозможно усвоение молочного сахара - галактозы) приводит к развитию генного заболевания - галакто- земии. При этом галактоза появляется в крови, ведёт к поражению печени и других органов, вызывает психические нарушения и иные симптомы тяжелого наследственного заболевания. Если же это заболевание удаётся диагностировать сразу после рождения ребёнка и исключить из диеты новорождённого молоко, то можно полностью предотвратить тяжёлые клинические проявления.
Достаточно распространённым является такое генное заболевание как серповидноклеточная анемия. Оно контролируется доминантным аллельным геном. Результат мутации заключается в том, что в молекуле Р-полипептида (146 аминокислотных остатков) остаток молекулы глутаминовой кислоты заменяется на остаток молекулы валина. Обладатели гена в гомозиготном состоянии отличаются аномальным строением гемоглобина, его меньшей растворимостью и, в связи с этим, выпадением в осадок. Последнее ведёт к деформации и разрушению эритроцитов, следствием чего становится выделение гемоглобина с мочой (гемоглобинурия). Гомозиготы по гену серповидноклеточной анемии погибают в возрасте от 3 месяцев до 2-х лет.
В качестве примера нейтральных мутаций можно указать генные мутации одного и того же локуса, приводящие к появлению серии аллельных генов. Так, у мухи-дрозофилы, имеющей в норме красные глаза, появились мутанты с белыми и абрикосовыми глазами, глазами цвета слоновой кости и т.д. Типичной нейтральной генной мутацией является альбинизм у животных.
По месту возникновения мутации подразделяются на генеративные, происходящие в половых клетках и передающиеся последующим поколениям, и соматические, которые происходят в любых других (неполовых) клетках организма и наследуются только непосредственными потомками этой клетки или всем клоном при вегетативном размножении. Чем в более ранней стадии развития возникла соматическая мутация, тем большим окажется участок ткани, несущий данную мутацию. Обладатели соматических мутаций называются мозаиками (например, люди, у которых цвет одного глаза отличается от цвета другого). Соматические мутации, влияющие на метаболические процессы, являются одной из причин старения организма и развития злокачественных опухолей. Соматические мутации, вероятно, возникают часто и остаются незамеченными, но в некоторых случаях могут образоваться клетки с повышенной скоростью роста и деления. Эти клетки могут дать начало опухолям - либо доброкачественным, которые не оказывают особого влияния на весь организм, либо злокачественным, ведущим к раковым заболеваниям.
Показателем интенсивности мутационного процесса служит частота мутирования.
Известно, что мутирование происходит в самых разнообразных направлениях и его результат непредсказуем. Не случайно Ч. Дарвин назвал этот вид изменчивости «неопределённой». Однако это многообразие направлений мутирования подчиняется закономерности, обнаруженной Н.И. Вавиловым (1920) и обобщённой им в виде закона гомологических рядов в наследственной изменчивости: «Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть существование параллельных форм у других видов и родов». Например, у мягкой пшеницы, твёрдой пшеницы и ячменя известны формы с длинными остями, короткими остями, безостные, а также формы со вздутиями вместо остей.