Мутация в биологии¶
Мутация — это стабильное изменение генетического материала (ДНК или РНК) организма, которое может передаваться по наследству. Мутации возникают спонтанно при ошибках репликации ДНК, под действием физических и химических факторов и лежат в основе наследственного разнообразия и эволюции. Термин ввёл в 1901 году голландский ботаник Хуго де Фриз, изучавший вариации у вечерницы душистой (Oenothera lamarckiana).
¶Классификация мутаций
Мутации классифицируют по нескольким основаниям.
По характеру изменений в гене:
- точечные — замена одного нуклеотида на другой;
- делеции — выпадение одного или нескольких нуклеотидов;
- инсерции — вставка дополнительных нуклеотидов;
- дупликации — удвоение участка ДНК;
- инверсии — разворот участка ДНК на 180°;
- транслокации — перенос участка хромосомы на другую хромосому.
По влиянию на фенотип различают мутации:
- летальные — приводящие к гибели организма (например, некоторые формы остеопогенеза у человека);
- полулетальные — снижающие выживаемость;
- вредные — ухудшающие признаки;
- нейтральные — не меняющие фенотипа;
- полезные — повышающие приспособленность в конкретных условиях.
По степени проявления мутации делятся на доминантные и рецессивные, по локализации — на генные (точечные), хромосомные и геномные (изменение числа хромосом).
¶Причины и факторы мутагенеза
Спонтанные мутации возникают в результате ошибок репликации ДНК (частота — примерно 10⁻⁹–10⁻¹⁰ на нуклеотид за репликацию), а также自发ного повреждения оснований (депуринизация, дезаминирование цитозина в урацил). Клеточные системы репарации исправляют большинство повреждений, но часть ошибок остаётся.
Индуктированные мутации вызываются мутагенами:
| Тип мутагена | Примеры | Механизм |
|---|---|---|
| Физические | УФ-излучение, ионизирующее излучение | Пиремидиновые димеры, разрывы хромосом |
| Химические | Бромурацил, нитрозогуанидин, бензапирен | Алкилирование, аналоги оснований |
| Биологические | Вирусы, транспозоны | Встраивание в геном, нарушение структуры |
В 1927 году Герман Мюллер впервые показал, что рентгеновское излучение индуцирует мутации у дрозофилы, за что получил Нобелевскую премию в 1946 году.
¶Мутации и эволюция
Мутации — единственный источник нового генетического материала. Случайные изменения последовательности ДНК создают аллельное разнообразие, на котором работает естественный отбор. Большинство мутаций нейтральны или вредны, но редкие полезные изменения могут закрепляться в популяции.
Нейтральная теория молекулярной эволюции, предложенная японским биологом Мотоо Кимурой в 1968 году, утверждает, что подавляющее большинство эволюционных изменений на молекулярном уровне обусловлено дрейфом нейтральных мутаций, а не отбором.
¶Мутации у человека
Соматические мутации накапливаются в клетках в течение жизни и могут приводить к раку — накопление мутаций в генах-онкогенах (например, RAS, TP53) и генах-супрессорах опухолей является основой канцерогенеза. Наследственные (герминативные) мутации передаются потомкам и вызывают генетические заболевания: муковисцидоз (мутация в гене CFTR), серповидноклеточную анемию (гемоглобин S), фенилкетонурию.
По данным медицинской генетики, каждый человек несёт в среднем 100–400 «вредных» гетерозиготных мутаций, большинство из которых рецессивны и не проявляются.
¶Мутации в селекции и генной инженерии
Селекция традиционно использует естественные и индуцированные мутации: сортовая мутация у кукурузы, мутагенез семян радиацией (мутированный сорт «Минутка» и другие). В современной биотехнологии мутации целенаправленно вносят с помощью системы CRISPR-Cas9, что позволяет «выключать» гены и изучать их функции.
¶Мутации в вирусологии
У вирусов, особенно РНК-содержащих (например, вируса гриппа, ВИЧ), частота мутаций высока из-за отсутствия системы репарации у вирусной РНК-полимеразы. Это обуславливает антигенный дрейф и дрейф, быструю эволюцию и ускользание от иммунного ответа.
¶Исторические вехи
- 1901 — Хуго де Фриз вводит термин «мутация».
- 1927 — Герман Мюллер показывает мутагенное действие рентгеновских лучей.
- 1944 — Освальд Эйвери доказывает, что носитель наследственности — ДНК.
- 1953 — Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик определяют структуру ДНК.
- 1970-е — открытие транспозонов Барбарой Макклинток.
- 2012 — Дженнифер Дудна и Эмманюэль Шарпанье разрабатывают систему CRISPR-Cas9.
Источники:
- Алов А. И., Глазова М. В., Мамонтова В. А. «Генетика» — учебник.
- Кимура М. «Нейтральная теория молекулярной эволюции».
- Пирс Б. «Генетика: анализ и принципы».
- Мюллер Х. «Искусственный мутагенез» (Нобелевская лекция, 1946).
- Медицинская энциклопедия: наследственные болезни и молекулярная патология.