У живих істот весь час виникають спонтанні (від лат. спонтанеус - самочинний) мутації, наприклад, як помилки при відтворенні генетичного коду. Їх можуть також спричиняти переміщення фрагментів з однієї ділянки молекули ДНК до іншої, природний радіаційний фон, космічні промені, які сягають поверхні Землі, тощо. Частота спонтанних мутацій залежить від віку клітин та організмів в цілому. Так, зі збільшенням віку матерів підвищується частота мутацій, пов’язаних з нерозходженням гомологічних хромосом під час мейозу. Тому частота народження дітей із синдромом Дауна зростає від 0,1 % у 30-річних жінок до 2 % у 45-річних. Загальна ймовірність виникнення різноманітних спонтанних мутацій у дітей, народжених матерями віком понад 42 роки, становить близько 30 %. На частоту спонтанних мутацій впливає і вік батька. Так, у сорокарічних чоловіків кількість нащадків з карликовим зростом, вкороченими кінцівками, сідлоподібним носом зростає вдесятеро порівняно з двадцятирічними.

Тривалий час причини мутацій залишалися нез’ясованими. Лише 1927 року американський генетик Г.Дж. Меллер (мал. 12.1), опромінюючи рентгенівськими променями дрозофіл, викликав у них різноманітні мутації. Фактори, здатні спричиняти збільшення частоти мутацій, називають мутагенними (від лат. мутатіо - зміна та грец. генезис - походження). Мутації, спричинені мутагенними факторами, називають індукованими (від лат. індукціо — спонукання).

Мал. 12.1. Герман Джозеф Меллер (1890-1967) - видатний американський генетик. Разом з Т.Х. Морганом брав участь у розробці хромосомної теорії спадковості. Лауреат Нобелівської премії (1946)

Мал. 12.2. Сергій Михайлович Гершензон (1906-1998) - академік НАН України, Герой Соціалістичної Праці (1990); всесвітньо відомий своїми працями у галузі вивчення мутагенних факторів, популяційної та молекулярної генетики

Які Існують групи мутагенних факторів?

За походженням розрізняють фізичні, хімічні та біологічні мутагенні фактори, або скорочено - мутагени. Серед фізичних мутагенів найбільше значення має іонізуюче випромінювання, зокрема рентгенівське. Проходячи через живу речовину, рентгенівські промені вибивають електрони із зовнішньої оболонки атомів або молекул, унаслідок чого ті стають позитивно зарядженими. А вибиті електрони спричинюють неконтрольовані хімічні перетворення різних сполук живих організмів.

До фізичних мутагенів також належать ультрафіолетові промені, підвищена температура тощо. Їхня дія призводить до виникнення насамперед генних мутацій, рідше - хромосомних.

Хімічні мутагени були відкриті пізніше за фізичні. Значний внесок в їхнє вивчення зробила українська генетична школа, очолювана академіком С.М. Гершензоном (мал. 12.2). Дослідники щорічно відкривають нові хімічні мутагени (зокрема, акридинові барвники, нітритна кислота, гідроген пероксид, формальдегід (метаналь), деякі лікарські препарати тощо). Наприклад, алкалоїд колхіцин унеможливлює утворення веретена поділу, що спричинює подвоєння числа хромосомних наборів у клітині. Газ іприт (або гірчичний газ), який використовували як хімічну зброю, підвищує частоту мутацій у піддослідних мишей у 90 разів. Дія незначних концентрацій цього газу на самців дрозофіли значно підвищує частоту летальних мутацій в Х-хромосомі (до понад 7 %). Нітритна кислота (HNO2) здатна спричиняти генні мутації, пов’язані зі зміною пар нуклеотидів, наприклад ГЦ - на АТ, АТ - на ЦГ. Хімічними мутагенами, зокрема, є наркотичні речовини, небезпечний вплив яких виявляється не лише в людини, що їх вживає. Мутації, спричинені наркотиками, можуть передаватись нащадкам і викликати у них різноманітні спадкові захворювання і вади.

До біологічних мутагенів належать віруси та токсини, що виробляють деякі бактерії. В уражених вірусами клітинах мутації відбуваються значно частіше, ніж у здорових. Вивільнення вірусної ДНК та утворення вірусної частинки, яка потім заражає інші клітини, може супроводжуватись захопленням частини ДНК хазяїна. У такий спосіб віруси здатні переносити генетичну інформацію між різними особинами одного або різних видів (горизонтальне перенесення генів). Цей процес має важливе значення в еволюції прокаріотів.

Отже, хімічні та фізичні мутагени є універсальними, тобто можуть спричиняти різні типи мутацій у будь-яких організмів.

Чи є біологічні антимутаційні механізми?

Живі організми здатні захищати свій генетичний матеріал від мутацій. Так, більшість амінокислот закодована не одним, а кількома триплетами, а також частина генів багато разів повторюється у ланцюзі ДНК. У клітинах існує система виправлення помилок (системи репарації), які виникають під час подвоєння молекул ДНК і їхніх змін під впливом мутагенів. Загальний рівень помилок, які залишаються після репарації, незначний: менше однієї заміни нуклеотидів, що припадає на геном еукаріотичної клітини при одному подвоєнні ДНК.

Мал. 12.3. Репарація молекули ДНК: білки (1) розпізнають кінці ушкодженої молекули ДНК (2) і з’єднують їх; відновлена молекула ДНК (3)

Під час репарації ділянки молекули ДНК, змінені внаслідок мутацій, можуть видалятись за допомогою ферментів. При цьому на місце видаленої ділянки вбудовується інша, з притаманною цій частині молекули послідовністю нуклеотидів (мал. 12.3).

Які загальні властивості мутацій?

Здатність до змін спадкової інформації у процесі історичного розвитку - універсальна властивість живої матерії. Мутації виникають раптово. Викликані мутаціями зміни можуть успадковуватися. Однакові мутації можуть виникати неодноразово і незалежно від інших. На відміну від модифікацій, мутації неспрямовані, тобто можуть бути шкідливими, нейтральними або корисними.

Фактори, які викликають мутації (мутагени), універсальні, тобто здатні спричиняти зміни спадкового матеріалу в організмах усіх видів. Один і той самий фактор, який діє з однаковою інтенсивністю на ідентичні в генетичному відношенні організми (наприклад, на однояйцевих близнюків), може викликати в них різні мутації. Разом з тим різні за своєю природою мутагени здатні викликати в організмів неспоріднених видів подібні спадкові зміни.

На відміну від модифікацій, ступінь вираження змін у фенотипі не залежить від інтенсивності і тривалості дії мутагенного фактору: слабкий мутаген, який діє нетривалий час, іноді здатний спричиняти значніші зміни у фенотипі, ніж сильний. Зі зростанням інтенсивності дії мутагенного фактору до певної межі частота виникнення мутацій збільшується.

Доза мутагенного фактору це добуток його тривалості та інтенсивності дії.

Частота мутацій зростає при підвищенні дози опромінення лише до певної межі: після того, як опромінення перевищить її, частота мутацій може навіть зменшуватись, оскільки багато клітин втрачають життєздатність.

Для мутагенних факторів не існує нижньої межі інтенсивності дії (нижнього порогу дії), нижче якої вони не здатні спричиняти зміни спадкового матеріалу. Ця властивість свідчить про те, що носії спадковості організмів необхідно захищати від усіх мутагенів незалежно від сили та тривалості їхнього впливу.

Різні види живих організмів і навіть різні особини одного виду характеризуються неоднаковою чутливістю до дії мутагенних факторів. Так, дорослі особини деяких груп членистоногих (скорпіонів, багатоніжок-ківсяків) здатні витримувати величезні дози радіації: до 100 000 рад. А для того щоб вбити клітини деяких бактерій, необхідна доза приблизно 1 000 000 рад. Для людини смертельні дози у 700 рад і вище. На ранні етапах розвитку чутливість організмів до дії мутагенних факторів вища ніж у дорослих особин: доза в 200 рад здатна вбивати зародки комарів, а дорослі комахи зберігають життєздатність і при опроміненні понад 10 000 рад.

Різні групи людей мають неоднакову радіочутливість: порівняно зі здоровою дорослою людиною, радіочутливість людей похилого віку вища у 2 рази, дітей - у 5 разів, вагітних жінок - у 50 разів. Розроблені спеціальні санітарні норми радіаційного опромінення, які визначають дози радіації що не мають помітного впливу на людей певної групи. Для більшості людей безпечною вважають дозу 0,05 рад за 1 рік. Доза опромінення у 100 рад викликає променеву хворобу, за якої біологічні функції можуть порушуватись настільки, що настає смерть. При цьому слід пам’ятати, що радіоактивні сполуки, які потрапили всередину організму, приблизно в 10 разів перевищують за характером свого впливу таку саму дозу радіації, отриману ззовні.

Запам’ятайте: однією з найактуальніших проблем сьогодення є захист генофонду людства від впливу мутагенних чинників.