Мутации

Мутации – изменения структуры ДНК генов, проявляющиеся наследственно закрепленным изменением какого-либо признака или признаков. В природе они могут наступать спонтанно, без участия экспериментатора. Такие мутации относят к спонтанным. Они имеют свою причину, но не контролируются.

Индуцированные мутации – направленные изменения структуры ДНК, контролируемые экспериментатором.

Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенами. Они могут быть химическим, физическими и биологическими.

Химические мутагены – соединения, способные изменять структуру генов, прямо взаимодействуя с ДНК клетки или реагируя с ферментами, контролирующими метаболизм нуклеиновых кислот. Известно огромное количество химических мутагенов – красители, галогены, соли металлов переходных валентностей (например – никеля), азотистый натрий, некоторые антибиотики и т.д.

К физическим мутагенам относятся такие факторы, как температура, гамма-излучение, ультрафиолетовые лучи, ренгеновские лучи и т.д.

К биологическим мутагенам можно отнести действие бактериофагов, накопление продуктов метаболизма и т.п.

По величине мутации делятся на генные – изменения в пределах 1 гена; хромосомные – изменения более, чем в одном гене, и точковые – в паре оснований нуклеотидов, что приводит к изменению одного триплета.

В случае точковых мутаций вместо одной аминокислоты кодируется другая или образуется бессмысленный кодон, не кодирующий аминокислоты. Последние мутации называются нонсенс-мутациями. Возможны молчащие мутации (без изменения смысла). Они возникают вследствие вырожденности генетического кода; образовавшийся в результате мутирования триплет кодирует ту же самую аминокислоту, что и исходный триплет. Миссенс-мутации (мутации с изменением смысла) – это результат изменения последовательности ДНК, ведущий к появлению в белковой цепи иной аминокислоты. Образующийся измененный белок может быть как активным, так и неактивным в зависимости от размеров мутации. Мутации со сдвигом рамки чтения обусловлены удалением или вставкой одного нуклеотида в ДНК, что приводит к «сдвигу» считывания и следовательно – к изменению всех последующих триплетов.

Мутации могут происходить вследствие замены одной пары оснований на другую (вместо гуанилового нуклеотида – цитидиловый, аденилового – тимидиловый или наоборот). В таких случаях часто бывают реверсии – возвращение структуры ДНК в исходное состояние. Также может быть включение дополнительной пары оснований (дупликация) или потеря (делеция) пары оснований. Реверсии обычно редки. Возникают также перемещения (транслокации) группы оснований или даже генов в пределах хромосомы. Здесь практически реверсий не бывает. Возможен поворот ДНК на 180 градусов – изменение ориентации сегмента ДНК (инверсия).

Могут возникать также структурные искажения ДНК (или мутации деформации спирали ДНК). Они могут возникать, например, в результате димеризации расположенных близко нуклеотидов, особенно тимина, под действием ультрафиолета, что препятствует правильной репликации.

Как уже упоминалось, мутации могут быть связаны и с подвижными элементами генома – с перемещением инсерционных последовательностей и транспозонов по хромосоме бактерии или из репликона в репликон (из хромосомы в плазмиду и наоборот). При транспозиции они могут вызывать делеции или инверсии генетического материала, а при включении в новый участок ДНК – дупликации.

По расположению мутации делятся на нуклеоидные и цитоплазменные (за счет плазмид).

По направлению выделяют прямые и обратные мутации

Прямые – это изменения бактерий «дикого» типа. «Дикий» тип представляет собой комплекс наследственных признаков клеток в естественных условиях обитания. Обратные мутации – это возврат от измененного типа к «дикому». Данный процесс может осуществляться и другим способом. Могут возникать мутации, подавляющие фенотипические проявления исходных (прямых) мутаций. Такие мутации называются супрессорными или вторичными.

По фенотипическим последствиям выделяют нейтральные мутации – фенотипически не проявляются; условно-летальные и летальные.

Мутации, которые ведут к изменению (обычно – ограничению), но не к исчезновению функциональной активности фермента, называют условно-летальными. Некоторые температурочувствительные мутанты сохраняют способность к синтезу ферментов, активных при 37⁰С, но не способных к катализу при при 42⁰С. У бактерий же дикого типа эти ферменты функционируют при обеих температурах.

Летальные мутации ведут к полной потере способности синтезировать жизненно важный фермент или ферменты, что ведет к гибели бактериальной клетки.

Мутации проявляются в фенотипе в виде утраты или изменения морфологических и биохимических признаков (например, жгутиков, пилей, капсулы, клеточной стенки; способности ферментировать какие-либо углеводы, синтезировать определенные аминокислоты, витамины и другие соединения, возникновении устойчивости к лекарственным или дезинфицирующим веществам и т.д.)

Оценку мутаций на молекулярном уровне проводят путем определения последовательности ДНК соответствующих генов (секвенирования). На клеточном уровне мутации выявляют по фенотипическим изменениям – по утрате или приобретению конкретного белка или изменению его функции (ферментативной или регуляторной активности). Для оценки мутаций на уровне популяции определяют частоту появления мутаций и проводят последующую селекцию измененных клеток в популяции для дальнейшего изучения.

У бактерий в результате мутаций могут меняться самые различные свойства: вирулентность, чувствительность к антибиотикам, биохимические свойства. Мутанты, нуждающиеся для своего развития в определенных ростовых факторах (аминокислотах, азотистых основаниях и т.д.), называются ауксогетеротрофными. Они не имеют ферментов для их синтеза и сохраняют жизнеспособность лишь при наличии в среде соответствующих факторов роста.