Теорія мутацій та її положення. Під терміном мутація (від лат. мутаціо — зміна) розуміють стійку, раптову зміну фенотипу, яка пов'язана з перетвореннями генотипу. Отже, вона завжди успадковується. Зараз під мутаціями розуміють будь-які зміни в структурі генетичного апарату. Такі зміни можуть успадковуватися і або призводити до летальних наслідків, або робити особину безплідною. Поняття «мутація» у 1903 р. увів голландський генетик Туго де Фріз (1848-1935). Він сформулював головні положення теорії мутацій.

Основні положення теорії мутацій у сучасному трактуванні.

• Мутації виникають раптово, стрибкоподібно та проявляються у вигляді дискретних ознак.

• Мутації не втрачаються і передаються з покоління в покоління.

• Мутації проявляються по-різному й можуть бути домінантними або рецесивними, корисними й шкідливими, відрізнятися силою свого впливу на організм і бути летальними.

• Ті самі мутації можуть виникати повторно.

• Мутації можна викликати впливами на організм сильнодіючих фізичних або хімічних агентів.

• Мутації завжди спонтанні, незалежні одна від одної, не мають групової спрямованості.

• Мутувати може будь-яка ділянка хромосоми.

Мінливість організмів, викликана мутаціями, отримала назву мутаційна мінливість. Цей тип мінливості є найважливішим джерелом еволюційних перетворень. Завдяки генетичній мінливості утворюються організми з новими властивостями та ознаками.

Типи мутацій. За характером спадкових змін генетичного апарату виділяють три типи мутацій.

Точкові, або генні, мутації — це мутації нарівні первинного ланцюга ДНК, які призводять до порушення амінокислотної послідовності в білках, що зазвичай має негативні наслідки для організму (іл. 37.1). Адже амінокислотна послідовність у кожному білку строго специфічна, і заміна навіть однієї з них може призвести до порушення його просторової структури й, відповідно, функцій.

Найпоширеніший випадок точкової мутації — заміщення нуклеотидної пари АТ на ГЦ. Якщо ці зміни відбуваються в межах структурних генів, то в результаті замість триплета АГА, наприклад, може з'явитися триплет АГЦ, і в поліпептидному ланцюзі, відповідно, замість негативно зарядженої амінокислоти аргініну виявиться незаряджена амінокислота серин. Це може призвести до зміни заряду білка, порушення його конформації, а якщо це фермент, — то й до зниження швидкості хімічної реакції, яку він каталізує. У результаті можуть початися збої в метаболізмі всього організму.

Хромосомні перебудови. Зміни структури хромосом також відносять до розряду мутаційних подій.

Це можуть бути переноси частини однієї хромосоми на іншу, зміни розташування генів на хромосомі шляхом їх розвороту на 180°, вставляння зайвої частини хромосоми або, навпаки, випадіння яких-небудь ділянок (іл. 37.2).

У більшості випадків хромосомні перебудови не проходять для організму без наслідків. Найчастіше вони завершуються смертю організму ще на дуже ранніх стадіях розвитку зародка. Якщо ж хромосомні перебудови не стосуються генів, які відповідають за важливі функції організму, то зазвичай вони призводять до порушень мейозу й стерильності особини.

Іл. 37.1. Механізм виникнення точкової мутації

Іл. 37.2. Різні типи хромосомних перебудов

Проте бувають і зовсім нейтральні хромосомні перебудови.

Геномні мутації є змінами кількості хромосом. Їх причиною є грубі порушення процесу мейозу.

Одним з видів геномних мутацій є анеуплоїдія (від грец. ан — негативний префікс, еу — повністю, плоос — спроба; еідос — вигляд) — збільшення гомологічних хромосом на одну й більше або, навпаки, нестача найчастіше однієї хромосоми. У результаті особини виду, якому властивий диплоїдний набір 2n = 22, можуть мати 21, 23, 24 і навіть 25 хромосом. Зазвичай у тварин такі порушення несумісні з нормальною життєдіяльністю організму й призводять або до летального кінця на ранніх стадіях, або до численних порушень розвитку. Синдром Дауна у людини — спадкове захворювання, що веде до різноманітних вад розвитку, у тому числі й розумової відсталості, — викликає додаткова хромосома за 21-ю парою.

Геномні мутації, пов'язані з кратними збільшеннями кількості хромосомних наборів, називають поліплоїдією (від грец. полі — багато і плоїдія). Якщо кількість хромосомних наборів збільшена на один, то це триплоїд, якщо на два — тетраплоїд, на три — пентаплоїд, чотири — гексаплоїд і так далі. Найбільше збільшення кількості хромосомних наборів виявлене в організмів з 12-хромосомними наборами.

Поліплоїдія доволі поширена в природі. Дуже багато поліплоїдних видів серед рослин, значно менше — серед тварин. Доволі часто випадки поліплоїдії трапляються серед дощових червів, ракоподібних, риб.

Іл. 37.3. Різноманіття сортів кукурудзи є наслідком не лише мутаційної, а й комбінативної мінливості

Генетична рекомбінація. Ще одним важливим фактором генетичної мінливості, крім мутацій, є генетична рекомбінація (від лат. ре — префікс, що вказує на повторну дію і комбінацій — з'єднання) — перерозподіл генетичного матеріалу батьківських особин у потомстві, що відбувається за участю статевого процесу (іл. 37.3). У цьому випадку рекомбінація призводить до утворення потомків з найрізноманітнішими генотиповими комбінаціями. У результаті в одній популяції неможливо зустріти дві генетично однакові особини. Різноманітність організмів, що виникає в процесі рекомбінації, отримала назву комбінативна мінливість.

Існують три фактори рекомбінації:

• сполучення різних гамет у разі схрещувань у тварин і перехресного запилення у рослин;

• незалежний розподіл хромосом після першого поділу мейозу;

• кросинговер — обмін ділянками гомологічних хромосом під час кон'югації у першій метафазі мейозу.

Рекомбінація відіграє важливу роль в еволюції організмів. її властивості використовують у процесі виведення нових сортів рослин та порід тварин.

Виникнення мутацій. Процес виникнення мутацій називають мутагенезом (від мутації і генезис). Мутації виникають із двох причин. Перша — дія різноманітних випадкових неочевидних факторів, що призводить до виникнення спонтанних мутацій, які є дуже рідкісними подіями. Друга причина — під впливом чітко означених сильнодіючих зовнішніх факторів мутагенів. Такі мутації називають індукованими і вони виникають масово.

Фізичний мутагенез. Усі види іонізуючого опромінення організмів призводять до появи мутацій і є сильними фізичними мутагенами. У лабораторних умовах використовують майже винятково рентгенівські й гамма-промені. Це пов'язано з тим, що вони краще, ніж потоки заряджених частинок, проникають усередину організму. Фізичними мутагенами також є ультрафіолетові промені та підвищена температура.

Проходячи крізь клітину, промені на своєму шляху виривають електрони зовнішньої оболонки атомів і перетворюють їх на позитивно заряджені іони. Електрони, що вивільняються, приєднуються до інших атомів, надаючи їм негативного заряду. В результаті у клітині та ядрі утворюється величезна кількість високоактивних хімічних радикалів. Якщо вони взаємодіють зі структурними білками або ферментами, змінюючи їх структури, то це лише на якийсь час призводить до порушень роботи клітини. Якщо ж вони взаємодіють з ДНК, відбуваються незворотні зміни — мутації. Мутації можуть бути пов'язані з порушеннями структури як одного нуклеотиду, так і відразу низки сусідніх нуклеотидів. У результаті в першому випадку в ході реплікації можуть виникати точкові мутації, а в другому — перебудови хромосом.

Цікаво, що вплив іонізуючого опромінення найчастіше призводить саме до другого типу мутацій.

Важливою властивістю фізичних мутагенів є пряма залежність між дозою випромінювання, яку отримує організм, і виходом мутацій. Що більша доза, то, відповідно, більше мутацій. Звідси був зроблений висновок, що не існує граничних доз дії іонізуючого опромінення, нижче яких воно не шкідливе. Просто за малих доз рівень мутування не дуже помітний. Якщо ж організм перебуватиме в умовах низького рівня радіації доволі тривалий період, накопичений мутагенний ефект може бути не менший, ніж за одержання великої дози за дуже короткий період часу.

Хімічний мутагенез. Хімічні мутагени — речовини певних типів хімічних сполук, що, взаємодіючи з ДНК, уражують саме генетичний апарат клітини. До хімічних мутагенів відносять: неорганічні речовини (SO2, NO2, Н2O2, HNO2, солі нітратної кислоти, сполуки Плюмбуму та Гідраргіруму); прості органічні сполуки (формальдегід СН2=О; хлороформ СНСl3) та набагато складніші органічні сполуки. Сильними мутагенами є органічні сполуки, здатні переносити радикали СН3 і C2H5 Деякі з них настільки мутагенні, що їх називають супермутагенами. Сильні мутагенні властивості мають циклічні органічні сполуки, у яких бере участь атом Нітрогену. До цієї групи сполук відносять усі аналоги азотистих основ. Мутагенами виявилися й багато отрутохімікатів, які використовують для боротьби із сільськогосподарськими шкідниками.

Іл. 37.4. Вірус грипу H1N1 — дуже ефективний мутаген

Механізм дії хімічних сполук багато в чому нагадує дію опромінювання. Лише в цьому випадку хімічно активні речовини не утворюються у клітині під дією зовнішньої енергії. Вони проникають у клітину як чужорідні речовини, починають реагувати з ДНК, змінюючи її структуру, що згодом провокує неправильну реплікацію, і в такий спосіб призводять до мутацій. Є особливі форми хімічних мутагенів, які не змінюють первинну структуру ДНК, а утворюють комплекси з ДНК. У цих місцях відбуваються порушення синтезу ДНК.

Хімічний мутагенез має багато спільного з фізичним. Зокрема, що вища доза хімічного мутагену, то більший вихід мутацій. Але хімічний мутагенез має ряд своїх особливостей. По-перше, хімічні мутагени діють більш специфічно, часто викликаючи певні мутації. По-друге, вони мають більш віддалений ефект. Це означає, що мутації можуть проявитися через кілька клітинних поділів або навіть через два-три покоління.

Біологічні мутагени. Очевидно, що мутагенні ефекти можуть давати й вірусні інфекції (іл. 37.4). Адже в цих випадках ДНК вірусу потрапляє безпосередньо в генетичний апарат, викликаючи порушення його роботи. Справді, в уражених вірусами клітинах дуже часто відбуваються хромосомні перебудови, що зовні не відрізняються від тих, які викликають гама-промені.

Саме на мутагенній дії ґрунтується здатність вірусів викликати онкологічні хвороби.

Відомо, що виникнення злоякісних пухлин розпочинається з переродження соматичних клітин, викликаного порушеннями їх генетичного апарату різноманітними мутагенами.

Основою генетичної мінливості організмів є мутації і рекомбінації. Мутації — спадкові зміни структури генетичного апарату, що відбуваються на трьох рівнях: молекулі ДНК; будові хромосом; їх кількості.