Мут — изменение генетического материала организма¶
Мут (от лат. mutatio — изменение) — наследуемое изменение генетического материода (ДНК или РНК) организма, которое может проявляться в виде изменения признака. Мутации возникают спонтанно под действием эндогенных факторов или индуцируются внешними мутагенами. Впервые термин «мутация» ввёл голландский ботаник Хуго де Фриз в 1901 году на основе своих наблюдений над вечерним примулой (Oenothera lamarckiana).
¶Природа мутаций
Мутации затрагивают последовательность нуклеотидов в генах, структуру хромосом или число хромосом в геноме. В норме ДНК реплицируется с высокой точностью, однако полимеразы допускают ошибки примерно с частотой 10⁻⁷–10⁻⁹ на нуклеотид за одно деление. Помимо ошибок репликации, повреждения ДНК возникают под действием реактивных форм кислорода, ультрафиолетового излучения, радиации, химических веществ и вирусной интеграции.
Клеточные системы репарации — эксцизионная репарация, репарация ошибок репликации, гомологичная рекомбинация — исправляют значительную часть повреждений, но не все. Нерепарированные изменения закрепляются при следующем делении и переходят к потомкам.
¶Классификация мутаций
Мутации классифицируют по нескольким основаниям.
По характеру изменения последовательности:
- Замещения (субституции) — замена одного нуклеотида на другой. Различают транзиции (замена пуринового нуклеотида на пуриновый или пиримидинового на пиримидиновый) и трансверсии (замена пуринового на пиримидиновый и наоборот).
- Делеции — выпадение одного или нескольких нуклеотидов.
- Дупликации — удвоение участка ДНК.
- Вставки (инсерции) — внедрение дополнительного фрагмента.
- Инверсии — разворот участка хромосомы на 180°.
По влиянию на фенотип:
- Нонсенс-мутации — образование стоп-кодона, приводящее к синтезу укороченного небелкового продукта.
- Миссенс-мутации — замена кодона, ведущая к подстановке другой аминокислоты. Классический пример — мутация GAG→GTG в гене β-глобина, вызывающая серповидноклеточную анемию.
- Синонимичные (молчащие) мутации — замена нуклеотида, не меняющая аминокислоту из-за вырожденности генетического кода.
- Мутации в сайтах сплайсинга, регуляторных элементах, стоп-кодон-супрессорные и рамковые (фреймшифт) мутации.
По масштабу:
- Генные (точечные) — изменения в пределах одного гена.
- Геномные — изменения числа хромосом (полиплоидия, анеуплоидия).
- Хромосомные — перестройки структуры хромосом: делеции, дупликации, инверсии, транслокации.
По происхождению:
- Спонтанные — возникают без видимого воздействия, с частотой, зависящей от размера генома, скорости репликации и эффективности репарации.
- Индуктированные — вызваны мутагенами: физическими (ионизирующее излучение, УФ-лучи, высокая температура), химическими (нитрозогуанин, бромурацил, эпоксиды) и биологическими (транспозоны, некоторые вирусы).
¶Мутагены
Мутагенами называют агенты, повышающие частоту мутаций выше спонтанного фона. К физическим мутагенам относят ультрафиолетовое излучение, вызывающее образование пиримидиновых димеров, и ионизирующее излучение, приводящее к одно- и двунитевым разрывам ДНК. Химические мутагены делятся на аналоги оснований (5-бромурацил, 2-аминопурин), алкилирующие агенты (этилметансульфонат, нитрозомочевина), интеркалянты (этидия бромид, акрихин) и вещества, образующие аддукты с ДНК (бензапирен, афлатоксин B1). Некоторые мутагены одновременно являются канцерогенами, поскольку мутации в онкогенах и генах-супрессорах опухолей лежат в основе злокачественного перерождения клеток.
¶Роль мутаций в эволюции
Мутации — единственный источник нового генетического материала и, следовательно, основа эволюционного процесса. Большинство мутаций нейтральны или вредны, но редкие полезные изменения закрепляются в популяции под действием естественного отбора. Скорость накопления мутаций варьирует у разных организмов: у бактерий — порядка 10⁻¹⁰ на нуклеотид за поколение, у млекопитающих — около 2–5 × 10⁻⁹.
Полиморфизм ДНК, включая однонуклеотидные полиморфизмы (SNP), является результатом закрепления мутаций в популяции и используется в генетике для изучения наследственности, выявления генов предрасположенности к заболеваниям и построения филогенетических деревьев.
¶Мутации и болезни человека
Соматические мутации, накапливающиеся в течение жизни, лежат в основе старения и онкогенеза. Герминативные (наследственные) мутации вызывают моногенные заболевания: муковисцидоз, фенилкетонурию, гемохроматоз, хорею Гентингтона, серповидноклеточную анемию. По различным оценкам, на долю наследственных заболеваний приходится около 1–2 % всех рождений. В России медицинская генетика развивается в рамках сети медико-генетических консультаций, действующих с 1970-х годов; в 2012 году принята федеральная программа «Новые медицинские технологии» с разделом генетики.
¶Мутагенез в биотехнологии
Сознательное вызывание мутаций применяют в селекции растений и микроорганизмов. Методами направленного мутагенеза получены штаммы промышленных бактерий с повышенной продуктивностью антибиотиков и ферментов. С 2010-х годов развивается технология CRISPR-Cas9, позволяющая вносить точечные изменения в геном в заданных локусах, что превратило мутагенез из случайного процесса в управляемый инструмент.
Источники:
- Алов И. А., Блохин Б. М., Токарев В. Н. «Общая биология»
- Пирогов В. Н. «Общая биология»
- Книгин А. А. «Генетика с основами селекции»
- Watson J. D. et al. «Molecular Biology of the Gene»
- Львов Н. П. «Генетика»
- Глазко В. В. «Генетика и биология развития»