Открыть сервисСервис

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 мутагенаПримерыМеханизм
ФизическиеУФ-излучение, ионизирующее излучениеПиремидиновые димеры, разрывы хромосом
ХимическиеБромурацил, нитрозогуанидин, бензапиренАлкилирование, аналоги оснований
БиологическиеВирусы, транспозоныВстраивание 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.
Заметили ошибку или не согласны с информацией в статье? Напишите нам support@bfometr.ru