МУТАГЕНЕЗ

МУТАГЕНЕЗ (лат. mutatio изменение, перемена + греч. genesis происхождение, поколение) — процесс возникновения мутаций.

Основой мутаций являются первичные повреждения в молекуле ДНК, к-рые могут носить характер хим. модификаций отдельных азотистых оснований (напр., образование таутомерных форм урацила и аденина), изменения структуры ДНК в результате алкилирования (присоединения групп —CH₃, —C₂H₃ — и др.) или дезаминирования азотистых оснований в молекуле ДНК.

При нарушении локального синтеза ДНК или недостатке неизмененных нуклеотидов (напр., предшественников тимина) может произойти такое первичное повреждение ДНК, как замена нормальных азотистых оснований в молекуле ДНК их аналогами. К первичным повреждениям ДНК относят также потерю или появление дополнительных азотистых оснований в ее полинуклеотидной цепи (напр., под действием акридинов). В молекуле ДНК под влиянием различных факторов (см. Мутагены) могут происходить разрывы ковалентных связей в одной или в обеих нитях или, наоборот, аномальные ковалентные связи могут образовываться между соседними азотистыми основаниями одной нити, появляются внутри- или межмолекулярные «сшивки» (напр., образуются димеры пиримидиновых оснований под действием ультрафиолетового излучения).

Важнейшим моментом в процессе появления мутаций является то, что между первичными повреждениями в молекуле ДНК и тем хим. изменением в ее структуре, к-рое характеризует данную мутацию, нет тождества. Первичное повреждение молекулы ДНК, вызванное действием мутагена, является лишь инициирующим звеном в процессе образования гипоксантин (см.) образуют комплементарную пару уже не с тимином, а с цитозином, дезаминированный цитозин превращается в ура-цил, к-рый образует затем пару с аде-нином; дезаминированный гуанин становится ксантином, к-рый образует пару с цитозином, но связывается с ним двумя водородными связями.

Для получения экспериментальных мутаций используют влияние на ДНК азотистой к-ты, ультрафиолетового излучения и других мутагенов. Образование в полинуклеотидной цепи ДНК при действии УФ-лучей димера тимина может быть причиной локального нарушения синтеза ДНК. В этом случае при матричном синтезе новой полинуклеотидной цепи против димеров тимина матрицы в дочерней цепи остается незаполненная брешь или вставляются так наз. ошибочные основания: напр., вместо аденинов вставляются цитозины. Таким путем образуется новая измененная матрица, к-рая при последующем репликативном синтезе ДНК приведет к замене исходной пары А — T на пару Г — Ц.

Замена азотистых оснований может произойти и в покоящейся двунитчатой молекуле ДНК. Индуцированное УФ-облучением аномальное звено полинуклеотидной цепи ДНК «вырезается» соответствующей эндонуклеазой (см. полимераза (см.) и в репарируемый участок ДНК вставляется неверное основание. В этом случае уже в первом матричном синтезе ДНК пара А — Т, напр., может быть заменена на пару Ц — Т, т. е. возникает трансверсия.

Мутантные гены, возникшие путем транзиций или трансверсий (т. е. в результате так наз. миссенсмута-ций), характеризуются способностью путем обратных замен переходить в исходные нормальные состояния.

Генетическое значение трансверсий и транзиций состоит в том, что они приводят к возникновению новых кодонов и являются причиной включения неверной аминокислоты в строящуюся полипептидную цепь белка (см. Генетический код).

Изменение смысла кодона может стать причиной наследственной патологии. Так, трансверсия тимина на аденин в триплете Ц — T — Ц, кодирующего в норме включение остатка глутаминовой к-ты в 6-е положение бета-цепи Гемоглобин, гемоглобины нестабильные).

В том случае, когда последовательность нуклеотидов, обеспечивающая запись наследственной информации в гене, нарушается в результате потерь или вставок отдельных нуклеотидов, возникают своеобразные мутации, названные «сдвигом рамки чтения информации». Красители акридинового ряда обладают способностью внедряться между азотистыми основаниями в молекуле ДНК, раздвигая их на расстояние, примерно в 2 раза превышающее нормальное. Азотистые основания отстоят друг от друга в молекуле ДНК на 0,34 нм, а после внедрения акридина между разделенными им основаниями расстояние это возрастает до 0,7 нм. Поскольку поли-нуклеотидная нить-матрица растягивается на длину одного нуклеотида, во время синтеза на такой матрице в дочернюю нить встраивается или теряется одно азотистое основание. Механизм вставок и потерь нуклеотидов может быть разным, в частности, при наличии в молекуле ДНК близко расположенных повторяющихся кодонов. При «разрезании» эндонуклеазами одной из нитей молекулы у такого повтора ^ одно-нитевой участок, содержащий два повтора, отходит от оппозитной нити. Затем происходит ошибочное соединение первого повтора из отошедшего участка нити со вторым повтором в нормальной оппозитной нити. Застройка бреши удлиняет одну нить на величину бреши, что ведет в первом же репликативном синтезе ДНК к появлению вставки в одной из дочерних молекул ДНК. В том случае, если отошедший участок «откусывается» нуклеазой, может произойти спаривание повторов на участке нормальной нити. Это укорачивает оппозитную нить на величину бреши, возникшей в результате «откусывания» отошедшего участка. Становясь матрицей, такая укороченная нить обеспечивает появление делеции (см.) в первом же репликативном синтезе ДНК.

Характерной чертой механизма появления миссенс-мутаций и мутаций сдвига рамки чтения является то, что исходное изменение синтеза ДНК касается только одной нити ДНК. Это приводит к тому, что лишь одна половина потомков измененной клетки несет мутацию. Мозаичность изменения молекулы ДНК создает мозаичность фиксирования мутации. Такой механизм М. не является универсальным. В тех случаях, когда все потомки измененной клетки обладают мутацией, наследуемые изменения носят названия полных мутаций, для появления к-рых молекула ДНК до ее репликации должна иметь комплементарное изменение в обеих полинуклеотидных нитях. Однако первичные повреждения в покоящейся молекуле ДНК, как правило, возникают в одной из ее нитей. Было сделано предположение, что в переносе повреждения на вторую нить большую роль играют ферменты, участвующие в репарации. Такой перенос в условиях образования полных мутаций приводит к появлению миссенс-мутаций и так наз. мутаций сдвига рамки чтения. В 1966 г. Фриз (Е. В. Freese) и соавт, предложили гипотетическую модель такого переноса для случаев, когда одновременно возникают независимые друг от друга повреждения в обеих нитях ДНК. Одно из этих повреждений имеет мутагенный, другое — инактивирующий характер, т. е. это повреждение в ДНК блокирует синтез дочерней молекулы и этим вызывает гибель клетки. После удаления инактивирующих повреждений в молекуле ДНК ферментами так наз. темновой репарации происходит восстановление нормальной структуры ДНК. По мнению авторов гипотезы, мутагенное повреждение способно индуцировать комплементарное изменение в другой нити, когда оно оказывается напротив бреши, образуемой при «вырезании» инактивирующего повреждения из оппозитной нити молекулы ДНК. Н. П. Дубинин считает (1968), что появление мутации является следствием образования бреши в нормальной нити ДНК в результате «вырезания» участка молекулы, оппозр1тного первому повреждению, локализованному в другой нити. Для разрезания молекулы ДНК необходимо последующее «вырезание» повреждения, что приводит к наложению брешей из двух нитей друг на друга. Таким же может быть механизм возникновения полных точечных мутаций, если перед «вырезанием» повреждения в полинуклеотидной нити произойдет застройка первой бреши.

Структурные перестройки хромосом — аберрации — могут происходить в пределах одной хромосомы, между гомологичными и негомологичными хромосомами. Процесс фиксирования структурных мутаций хромосом определяется в основном поперечными разрывами хромосом и хроматид (см. Хромосомы) и воссоединением возникших фрагментов, в результате к-рого может произойти полное восстановление исходной структуры хромосомы или возникнуть концевые нехватки, интерстициальные делеции, дупликации, инверсии или транслокации. Мутагены могут вызвать разрывы одной или нескольких хромосом. Возможно различное число разрывов в одной хромосоме, они могут локализоваться в одном (так наз. парацентрические, или гомо-брахиальные, разрывы) или обоих (так наз. перицентрические, или ге-теробрахиальные, разрывы) плечах хромосом. В нек-рых случаях разрывы захватывают гомологичные плечи гомологичных хромосом (так наз. аллелобрахиальные разрывы). Предпосылкой к возникновению хро-матидных аберраций является ауторедупликация хромосом в фазе S в две хроматиды. Поперечный разрыв может захватить одну хроматиду и привести к потере фрагмента, лишенного центромера. Поперечные разрывы двух хроматид являются причиной транслокаций, неправильного воссоединения возникших фрагментов и как следствие этого — образования дицентрических хроматид, ацентрических фрагментов и других видов хромосомных мутаций. Для мутаций хроматидного типа, возникающих на основе димеров тимина, образовавшихся в одной нити покоящейся молекулы ДНК, их фиксация связана с действием целого ряда факторов: «вырезание» повреждений ферментами темновой репарации, разрезание расположенных против брешей однонитевых участков ДНК, репликация ДНК, од-нонитевая рекомбинация. Разное сочетание этих факторов ведет к появлению хроматидных или изохрома-тидных делеций.

При экспериментальном получении полиплоидов широко используют антимитотические агенты, нарушающие течение митоза. Особое значение имеет так наз. колхицино-вый митоз, или К-митоз. В этом случае благодаря блокированию образования веретена деления колхицином все пары хромосом не расходятся.

В результате после синтеза ДНК все хроматиды остаются внутри не-разделившейся клетки. Число хромосом в клетке после К-митоза удваивается.

Способность к М. является одним из свойств организма, и поэтому он контролируется генетически. Действие генов создает те биохим, условия в клетке, к-рые обеспечивают оптимальную частоту мутаций при данных условиях. В случае появления мутаций, нарушающих функционирование генов, обеспечивающих оптимальное протекание М\, возникает усиление или ослабление М. Минимальный участок гена (нуклеотидную пару), изменение к-рого ведет к образованию мутации, обозначают как единицу мутации — мутон.

Участие фермента ДНК-полимеразы в нормальном синтезе молекул ДНК и ферментов, катализирующих реакции репарации и обеспечивающих защиту молекул ДНК, связано с действием целого ряда генов. Мутации этих генов, изменяя действие ферментов, изменяют и процесс М. Эти явления хорошо изучены у бактерий и человека. В 1870 г. М. Капоши описал ксеродерму пигментную (см.), причиной к-рой, как установили позднее, было генетически детерминированное отсутствие синтеза ферментов темновой репарации ДНК, поэтому димеры тимина в молекулах поврежденной УФ-излучением ДНК не вырезались, что объясняло повышенную чувствительность клеток кожи к УФ-свету, в ряде случаев приводившую к раку кожи.

Для бактериофага Т4 было показано, что мутация в гене, кодирующем синтез ДНК-полимеразы, приводит к нарушению ее работы, в результате чего происходит подстановка неверных азотистых оснований при синтезе ДНК и увеличение числа мутаций.

Генетический контроль касается не только генов в целом, но и отдельных частей гена. Это выражается в наличии так наз. горячих точек. Еще в 1930 г. Н. П. Дубинин при изучении М. показал наличие высо-комутабельных центров (сайтов), т. е. «горячих точек», внутри гена. В 1955—1961 гг. Бензер (S. Benzer) обнаружил «горячие точки» в области r² фага Т4, в к-рой ок. 40% естественных мутаций возникло лишь в двух сайтах, один из к-рых локализован в цистроне А, другой — в цистроне В. «Горячие точки» могут быть обусловлены повторами в гене пары А — Т. В этом случае неравный кроссинговер (см. дупликации (см.) и делеций, индуцирует мутации сдвига рамки чтения.

Обычно частота мутаций отдельных генов невелика (10^-3 — 10^-5 или меньше), однако обнаружены гены, к-рые в естественных условиях обладают высокой способностью к М. Такие гены получили название мутабельных или лабильных. Они изучены у нек-рых животных и растительных организмов (дрозофилы, кукурузы и др.). При массовом появлении соматических мутаций организм представляет собой генотипическую мозаику. Многие растения имеют мозаичность по окраске цветов и листьев, что объясняется мутабельностью генов в соматических клетках.

Высокая мутабельность может индуцироваться действием генов, получивших название генов-мутаторов. Изменяя активность ферментных систем в клетке, гены-мутаторы ускоряют частоту мутаций во всем генотипе или в отдельных генах. Впервые гены-мутаторы у дрозофилы обнаружили Демерек (М. Demerec, 1937) и Г. Г. Тиняков (1939).

Ген-мутатор для бактерии Е. coli описан Цаменхофом (S. Zamenhof). Этот ген локализован в хромосоме бактерии вблизи гена, контролирующего биосинтез аминокислоты лейцин (см.). В результате действия этого гена-мутатора 15% всех бактериальных клеток оказывалось мутантами, т. е. увеличилась мутабельность всей массы генов в клетке бактерии, что свидетельствовало о не-специфичности действия гена-мутатора.

В 1949 г. Новик (A. Novick) и Сцилард (Z. Szilard) в опытах на бактериях открыли вещества, подавляющие частоту мутаций, к-рые они назвали антимутагенами. Известен целый ряд генов, к-рые понижают интенсивность М. Они выступают как внутренние антимутагены, являясь частью механизма генотипического контроля над мутабель-ностью. Гены-антимутаторы, положительно влияя на деятельность ДНК-полимеразы, уменьшают число ошибок при репликации.

Все это показало, что при действии одного комплекса генов уровень М. может быть повышен, при другом наборе генов — понижен. Вместе с тем очевидно, что частота мутаций не безразлична для сохранности вида. Высокий уровень М. ведет к нарушению наследственности (см.). Резко пониженная частота мутирования лишает популяции полезных наследственных изменений, нужных для эволюции и жизни организмов.

Это свидетельствует о том, что уровень М. в популяциях не может быть случайным. Под влиянием факторов, создающих необходимый генотипический контроль в каждом из видов, формируется оптимальная суммарная частота появления мутаций, что является приспособительным, адаптивным признаком вида.

Библиография: Ауэрбах Ш. Проблемы мутагенеза, пер. с англ., М., 1978; Бочков Н. П. Генетика человека, М., 1978; Дубинин Н. П. и Пашин Ю. В. Мутагенез и окружающая среда, М., 1978.

Н. П. Дубинин.