Мутагенез: виды и значение¶

Мутагенез — это совокупность процессов, приводящих к возникновению мутаций в генетическом материале организмов, а также совокупность методов искусственного вызывания мутаций в лабораторных и прикладных целях. Термин образован от латинского mutatio (изменение) и греческого genesis (происхождение). Мутагенез лежит в основе эволюции, обеспечивая появление наследственного материала для естественного отбора, и является одним из ключевых инструментов генетики и селекции.

¶Природный и искусственный мутагенез

Различают естественный (природный) и искусственный мутагенез.

Естественный мутагенез происходит постоянно и без внешнего вмешательства. Он обусловлен ошибками репликации ДНК, действием эндогенных факторов (метаболитов, активных форм кислорода), а также внешними факторами — ультрафиолетовым и радиационным излучением, температурой, химическими веществами, содержащимися в окружающей среде. Скорость естественного мутагенеза различается у разных организмов и составляет в среднем от 10⁻⁹ до 10⁻⁶ мутаций на нуклеотид за поколение.

Искусственный мутагенез — это целенаправленное вызывание мутаций с помощью мутагенных агентов или генно-инженерных методов. Искусственный мутагенез применяется в селекции, медицине, фундаментальной генетике и биотехнологии для изучения функций генов, создания мутантных линий и получения новых свойств у организмов.

¶Классификация мутагенов

Мутагены — это факторы, вызывающие мутации. По природе их подразделяют на три основные группы.

¶Физические мутагены

К ним относят:

• Ионизирующее излучение (рентгеновское, гамма-излучение, потоки нейтронов, альфа- и бета-частицы). Вызывает разрывы однотяговых и двунитевых цепей ДНК, хромосомные перестройки, делеции.
• Ультрафиолетовое излучение. Способствует образованию пиримидиновых димеров (в частности, тиминовых), что приводит к точечным мутациям при репликации.
• Высокая и низкая температура. Может увеличивать частоту ошибок репликации ДНК.

¶Химические мутагены

Химические мутагены делятся на несколько классов по механизму действия:

• Аналоги оснований — вещества, структурно сходные с азотистыми основаниями ДНК (5-бромурацил, 2-аминопурин). Встраиваются в ДНК при репликации и вызывают трансверсионные замены.
• Алкилирующие агенты (этилметансульфонат, нитрозометилмочевина, иприт). Модифицируют основания ДНК, что приводит к точечным мутациям.
• Межспиральные агенты (акрихин, этидиум бромид, профлавин). Встраиваются между базами двойной спирали ДНК, вызывая вставки и делеции.
• Агенты, повреждающие сами основания (гидроксиламин, дезаминирующие вещества).
• Мутагены, действующие на белки репликационного аппарата (интеркаляторы, некоторые антибиотики).

¶Биологические мутагены

К биологическим мутагенам относят вирусы, бактериофаги и транспозоны, встраивающие свой генетический материал в хромосомы хозяина и нарушающие структуру генов. Некоторые бактерии (например, штаммы Helicobacter pylori) также повышают частоту мутаций в клетках хозяина.

¶Типы мутаций

В зависимости от масштаба изменений в ДНК различают:

¶Мутагенез в селекции

Искусственный мутагенез стал одним из основных методов селекции растений и микроорганизмов. В СССР пионером мутационной селекции был Н. В. Цицин, разработавший метод индукции полиплоидии и мутаций у растений. С помощью мутагенеза получены сорта пшеницы, ячменя, овса и других культур с повышенной урожайностью, устойчивостью к болезням и неблагоприятным условиям.

В промышленной микробиологии мутагенез применяется для создания штаммов-продуцентов с повышенной синтезирующей способностью. Так, методом последовательного мутагенеза и отбора получены штаммы Penicillium chrysogenum, продуцирующие пенициллин в количествах, на тысячи раз превышающих природные, а также штаммы Corynebacterium glutamicum для промышленного производства аминокислот.

¶Мутагенез и здоровье человека

Мутагены окружают человека повсеместно: курение, ультрафиолетовое излучение, некоторые компоненты пищи, промышленные выбросы, радиация. Кумуляция мутаций в соматических клетках связана со старением и развитием онкологических заболеваний. Герминативные мутации передаются потомкам и могут вызывать наследственные заболевания.

В Российской Федерации действуют санитарные нормы и правила, ограничивающие воздействие ионизирующего излучения и контролирующие содержание мутагенных веществ в воде, воздухе и пищевых продуктах. Работы с мутагенными веществами регламентируются соответствующими государственными стандартами и требованиями охраны труда.

¶Роль мутагенеза в эволюции

Мутагенез — единственный источник генетического разнообразия, без которого невозможен естественный отбор. Именно накопление мутаций в генофонде популяций обеспечивает адаптацию видов к меняющимся условиям среды. Скорость мутагенеза находится под контролем систем репарации ДНК; нарушение этих систем приводит к резкому повышению частоты мутаций и, как правило, к тяжёлым наследственным заболеваниям (например, к неполноценной ксеродермии пигментозной или синдрому Линча).

¶Исторические сведения

Первые эксперименты по искусственному мутагенезу были проведены в 1927 году Г. Мюллером, показавшим действие рентгеновского излучения на плодовые мушки Drosophila melanogaster. В 1946 году Мюллер получил Нобелевскую премию за открытие мутаций, вызываемых ионизирующим излучением. В 1940-х годах Ш. О. Бёрнер и Г. П. Понтекорво показали действие химических мутагенов на грибы, что заложило основы химической мутагенетики.

Источники:

• Агуляр Дж., Ходж Г. «Введение в современную генетику»
• Кузьмин М. Л. «Общая биология»
• Глазко В. В. «Генетика с основами селекции»
• Дубинин Н. П. «Общая генетика»
• Материалы журнала «Генетика» (Российская академия наук)