27. Мутация

О мутации говорят тогда, когда признак, передаваемый по наследству, согласно законам Менделя, появляется в линии организма, которая первоначально была свободна от этого признака. В линиях домашних животных вследствие мутаций возникли анконский признак у овец и платиновая окраска шкурки у норки (см. гл. 7). Английская королева Виктория происходила из рода, в котором гемофилия была неизвестна, пока ее не обнаружили у одного из ее сыновей и у некоторых сыновей ее дочерей (см. гл. 15); по всей видимости, мутация, вызывающая гемофилию, появилась в зародышевых клетках одного из ее родителей, так что королева Виктория сама была гетерозиготна по вновь появившемуся мутировавшему гену.

Наблюдаемая нами мутация отражает изменение какого-то гена. Мутировавший ген предположительно отличается от исходного гена химическим составом или строением. Как и старый ген, новый ген должен быть способным к точному самовоспроизведению, так как новый ген реплицируется в мутационной форме. Нет возможности избавиться от мутации, за исключением весьма редких случаев, когда последующая мутация восстанавливает исходный ген. С позиции нашего современного понимания природы гена мутация представляет собой изменение числа, типа и расположения нуклеотидов, которые осуществляют "написание" гена. Основываясь на схеме репликации ДНК, предложенной Уотсоном и Криком, такие изменения должны воспроизводиться и дальше.

Мутация не ограничивается зародышевыми клетками; однако у видов, размножающихся половым путем, потомству передаются лишь мутации, появляющиеся в зародышевых клетках. У видов, размножающихся бесполым путем, мутации, возникающие в клетках тела, т. е. в клетках соматических, могут давать начало мутантным линиям: много сортов фруктовых деревьев возникло из "почечных вариаций". У диплоидных видов рецессивные мутации могут давать начало почечным вариациям только тогда, когда особь уже гетерозиготна по данному гену. Рис. 87 показывает цветок львиного зева, одна половина которого окрашена в пурпурный цвет, а другая - в бледно-лиловый; это цветок вырос на ветке, на которой кроме двух или нескольких мозаичных цветков было расположено много цветков либо целиком пурпурных, либо бледно-лиловых. Само растение было гетерозиготным по рецессивному гену бледно-лиловой окраски, и в одной из клеток, из которой развивалась мозаичная ветвь, нормальный аллель мутировал в ген бледно-лиловой окраски. Доминантные мутации могут дать непосредственно наблюдаемые почечные вариации или мозаики.

Рис. 87. Мозаичный цветок львиного зева

Мутации закономерно возникают у всех видов живых существ. Каждый индивидуальный ген мутирует очень редко: возможно, один раз в ста тысячах или в миллионе клеток; однако, поскольку число генов у большинства видов чрезвычайно велико, общая частота мутирования в данном поколении может быть весьма значительной. У человека некоторые мутации, например гемофилия, встречаются относительно часто, а именно 1 на 50000; это значит, что примерно 1 гамета на 50000 гамет несет вновь возникающий ген гемофилии. На основании разных соображений можно сделать вывод, что большинство генов человека мутирует менее часто: возможно, один раз на 100000 гамет или, быть может, еще реже. Если сделать скромные допущения, что среди них 23 хромосомы несут 10000 генов, из этого следует, что одна гамета из десяти несет новый мутировавший ген. Это, конечно, только предположительный расчет, но он, по-видимому, не преувеличен.

Лишь небольшую часть новых мутаций можно обнаружить сразу в виде мутантного потомства. Рецессивная мутация в гамете диплоидного вида будет давать фенотипически нормальное потомство до той поры, пока другая гамета не окажется несущей тот же самый рецессивный ген в результате предшествующей мутации, происшедшей в населении. За исключением такой возможности, вновь возникший рецессивный ген будет передаваться в гетерозиготной форме на протяжении многих поколений, пока скрещивание таких гетерозигот не даст гомозиготного потомства. Исключением оказываются связанные с полом рецессивные мутации (см. гл. 15); они обнаружатся в первой же XY-особи с мутировавшим геном. Даже доминантные или частично доминантные мутации не всегда дают отличимое мутантное потомство. Многие из них дают эффект, уловимый с трудом, или эффект, который с одинаковым успехом может быть приписан действию среды. В особенности это относится к мутациям, влияющим на количественные признаки (см. гл. 21), например яйценоскость кур, урожай зерен кукурузы, общую жизнестойкость и умственные способности. Таким образом, положение, что одна из десяти гамет человека несет новую мутацию, отнюдь не значит, что примерно один ребенок из десяти детей будет в какой-то мере ненормальным или необычным.

Следовательно, у человека, как у любого другого вида, мутации неизбежно будут встречаться даже при отсутствии такой искусственной причины, как, например, воздействия рентгеновских лучей.

Эти новые мутации не надо считать новыми в том смысле, что они не встречались раньше. Данный вид обладает ограниченным числом генов, и каждый ген может давать лишь ограниченное число мутантных аллелей. Каждое мутирование данного гена повторяется с определенной невысокой частотой, и весьма вероятно, что у вида с долгой эволюционной историей каждая возможная мутация встречалась многократно. У микроорганизмов миллионы клеток можно обследовать на мутирование, поэтому легко обнаружить, что те же самые мутации возникают вновь и вновь.

Это - очень важный факт. Он объясняет, почему большинство мутаций являются вредными. У вида, который на протяжении долгих периодов эволюции приспособился к своему образу жизни, все полезные аллели, которые могут возникнуть мутационным путем, уже включены в его генотип, в результате все или большинство представителей вида несут их в гомозиготном состоянии (см. гл. 29). Как только эта стадия осуществилась, могут возникнуть в качестве новых мутаций лишь вредные и по крайней мере менее ценные аллели. Большинство пустынных животных имеют желто-серую шкурку, которая характеризуется, таким образом, очень эффективной защитной окраской. Эволюция в пустыне благоприятствовала животным с нужными генами окраски. Аллели, возникающие в результате новых мутаций, могут вызывать лишь более светлые или более темные оттенки, отклоняющиеся от наиболее пригодных в качестве покровительствующей окраски.

Этот пример прост, но тот же принцип применим к более сложным случаям, в которых взаимодействуют многие гены, и они определяют лучше всего приспособленный фенотип.

В самом деле, чем более сложно генетическое управление признаком, тем легче оно нарушается в итоге мутирования одного из ведущих по значению генов. Примитивная машина может продолжать работать, если одна ее деталь заменена деталью несколько отличной формы. Более сложный аппарат придет в негодность в результате ничтожнейшего изменения в размерах и положении одного из его зубцов или рычагов. Все же наиболее сложная машина, сделанная руками человека, проста по сравнению с самым примитивным живым организмом.

В недавнее время факт вредности большинства мутаций стал актуальной и важной проблемой генетики. Поскольку мутации возникают лишь от природных причин, мы не можем ничего делать для регулирования их частоты. Однако современный человек использует такие воздействия, которые могут искусственно повышать встречаемость мутаций по сравнению с природным уровнем. На первом месте среди таких воздействий стоят излучения высокой энергии, создаваемые рентгеновскими аппаратами, осадками в результате ядерных испытаний и другими источниками. Пользу, получаемую от всех этих устройств, надо сопоставить с вредом, который мы причиняем еще не родившимся поколениям людей, отягощая их все более растущим грузом мутировавших генов. Об этой трудной и актуальной теме написано так много, что было бы излишне обсуждать ее здесь. Надо отметить лишь одно обстоятельство. Часто ставят вопрос о том, не будут ли новые мутации иногда полезными. Это на самом деле иногда бывает. Такие мутации действительно возникают. Селекционерам удалось с успехом получать, используя радиацию или химическую обработку, полезные мутации у зерновых и декоративных растений, у плодовых деревьев и прочих растений. Облучение грибов, подобных пенициллам, позволило получить штаммы с повышенным урожаем антибиотиков. Надо, однако, помнить, что каждую из полученных полезных мутаций получили вследствие примерно тысячи вредных или бесполезных, которые необходимо было отбросить. Даже в области племенного дела в животноводстве такой прием был бы чрезвычайно малорентабелен. Если же говорить о человечестве, то увеличение частоты мутаций остается крайне нежелательным явлением, несмотря на возможность встречи среди тысячи вредных мутаций одной благоприятной.

Хотя генетические опасности радиации принадлежат в наше время к наиболее часто обсуждаемым вопросам, гораздо меньше внимания уделяется мутациям, возникающим под влиянием химических веществ, с которыми имеет дело цивилизованный человек, потребляя пищу, лекарства, пользуясь косметикой и работая в промышленности. Имеются серьезные причины, из-за которых отсутствуют научные обобщения по этому вопросу: наше глубокое незнание относящихся сюда фактов. Правда, за последние 20 лет открыто много химических веществ, вызывающих мутации у дрозофилы, растений и микробов. Хотя всеми с уверенностью признается, что человеческие гены, подобно генам всех исследованных видов, включая и мышей, мутируют под действием ионизирующей радиации, это нельзя считать обязательным по отношению к химическим мутациям. Рентгеновские лучи проникают легко через всякие живые ткани. Химические же вещества могут задерживаться наружными тканями тела прежде, чем они доберутся до зародышевых клеток, они могут выделиться из организма раньше, чем им удастся вызвать мутации; их могут задержать составные вещества клеток, находящиеся вне ядра; они могут разложиться на составные части с иными химическими свойствами. Все эти возможности различны у разных видов, и может оказаться, что химические вещества, вызывающие мутации у одного организма, будут совершенно недейственными для другого. Так, например, кофеин вызывает мутации у определенных бактерий и грибов. На дрозофиле эффект сходен, но сильно ослаблен. Его действие на половые клетки мышей, крыс и морских свинок заслуживает экспериментальной проверки. Проверить экспериментально, вызывает ли кофеин мутации в генах людей, которые поглощают его с кофе и с чаем, не представляется возможным. Результаты опытов на мышах и других лабораторных животных смогут дать лишь довольно предположительный вывод, который будет разными генетиками истолкован по-разному в зависимости от их научной осмотрительности и их собственной склонности пить кофе и чай. Тем не менее получение таких данных надо рассматривать как срочнейшую задачу в области генетических исследований.

Работы по мутированию - очень важный раздел прикладной генетики как в отношении изучения положительной роли мутаций в создании улучшенных сортов растений и микроорганизмов, так и в отношении их отрицательной роли в возникновении генетически вредных явлений под воздействием физических факторов и химических веществ, используемых в человеческом обществе. Для исследователя работа с мутациями является чрезвычайно ценным инструментом познания генетического материала. Новая глава в истории генетики возникла после того, как Г. Мёллер (США) на Пятом международном генетическом конгрессе сообщил о получении им мутации у дрозофилы под влиянием рентгеновских лучей. С тех пор любой лабораторный исследователь имеет возможность создавать небывалые количества новых мутаций у любых нужных ему организмов. В свою очередь, получавшиеся мутации были материалом для всевозможных типов генетических исследований. Эти исследования иначе потребовали бы не одно десятилетие для поисков случайно обнаруживаемых мутаций. В наше время генетики, которым нужны те или иные мутации для работы, для получения их совершенно естественно обращаются к помощи рентгеновских лучей.

В работе с микробами для той же цели с большим успехом пользуются ультрафиолетовым излучением. Большинство мутаций, необходимых для изучения действия генов у микроорганизмов (см. гл. 23) или генетической рекомбинации у бактерий (см. гл. 25), получили путем воздействия на клетки ультрафиолетовых лучей. У высших организмов ультрафиолетовый свет также вызывает мутации, если лучи доходят до ядер в зародышевых клетках; приходится идти на ухищрения, чтобы избежать экранирования клеток слоями тканей, расположенными вокруг. Хотя излишнее облучение тела человека ультрафиолетовыми лучами в составе солнечного света вызывает неприятные ожоги, нам нечего беспокоиться об их влиянии на потомство¹.

¹ (Неумеренное использование ультрафиолетовых лучей от кварцевой лампы и чрезмерно долгое пребывание под палящими лучами солнца, как хорошо доказано, приводит к раку кожи, представляющему собой мутирование клеток кожи. - Прим. ред.)

Мутагенные действия химических веществ впервые обнаружили в начале второй мировой войны¹. В настоящее время известны целые серии мутагенных веществ, принадлежащих к весьма разнообразным классам химических соединений. Некоторые из них, подобно горчичному газу и сходным с ним веществам, вызывают мутации у всех испытанных организмов. Другие действуют только на определенные типы клеток или организмов. Так, например, формальдегид вызывает мутации только у дрозофил-самцов, но не самок. В последнее время усилия ученых направлены на поиски веществ, действующих более избирательно и лишь на определенные гены. Совершенно очевидно, что открытие таких веществ чрезвычайно важно как для теории, так и генетической практики. Исследователи получат в свои руки вещества, которые будут инструментом в деле изучения химической природы индивидуальных генов; приклад-генетика получит средства для вызывания по желанию мутаций требуемого типа. Мы пока далеки от этой цели, но достижение ее отнюдь не безнадежно. Уже ясно, что химические вещества могут отличаться по своему действию от радиации и друг от друга по относительной частоте вызываемых ими мутаций.

¹ (Первые работы по химическому мутагенезу выполнены в СССР в Институте экспериментальной биологии проф. В. В. Сахаровым задолго до начала подобных работ на Западе, - Прим. ред.)

Мы до сих пор мало знаем о сущности того, каким образом радиация и химические мутации осуществляют свое действие. Рентгеновские лучи и другие виды радиации отдают большие количества энергии при прохождении через живое вещество; если это произойдет в хромосоме или вблизи нее, то может привести к химическому изменению гена. Подобным же образом может действовать гораздо меньшее количество энергии, выделяющееся в процессе ультрафиолетовой радиации. Весьма вероятно, что мутагенное действие ультрафиолетовых лучей осуществляется посредством химических изменений, вызываемых радиацией в соках, окружающих гены. До некоторой степени это справедливо и даже применительно к радиации с высокой энергией, как у рентгеновских лучей. Мутагенные вещества, возможно, реагируют с генами непосредственно, или через реакции с цитоплазмой. Частая причина мутации, видимо, в том, что ген "делает ошибку" в момент репликации. Можно представить себе много путей, по которым мутаген вызывает такую ошибку. Подобным образом склонны действовать особенно мутагены, химически связанные с пуринами и пиримидинами, находящимися в ДНК.

Еще более умозрительны наши соображения о том, что вызывает мутации в природных условиях. Конечно, радиация космических лучей и радиоактивных веществ в природе и в самих организмах принимает какое-то участие в возникновении мутаций; однако сила этих источников слишком мала, чтобы объяснить появление даже части всех мутаций, наблюдаемых в природе. Остальные мутации, возможно, возникают под влиянием химических мутагенов. Много известных мутагенов относится к природным веществам; совсем недавно весьма мощный мутаген - гелиотрин - был обнаружен в одном растении из семейства сложноцветных - полевом крестовнике. По крайней мере у бактерий часть естественно возникающих мутаций, по всей видимости, появляется под действием мутагенных пуринов, образуемых в самих клетках. Это предположение основывается на опытах с получением мутаций под влиянием таких пуринов, как кофеин и сходные с ним вещества. Мутагенное воздействие пуринов можно парализовать, если давать бактериям некоторые вещества, действующие как бы в качестве "антимутагенов". Если выращивать необработанные бактерии в питательной среде с этими антимутагенами, у них появлялось бы гораздо меньше мутаций по сравнению с бактериями, выращиваемыми в обычной питательной среде. Как и можно было ожидать, антимутагены ничуть не препятствовали возникновению мутаций под влиянием радиации.

После этих отвлеченных рассуждений мы опять опускаемся на твердую почву фактов, обратившись к другому типу генетических изменений, часто встречаемых в природе, а также вызываемых под действием радиации и многих химических веществ, а именно к хромосомным поломкам. У организмов с достаточно крупными хромосомами легко наблюдать поломки под влиянием рентгеновских лучей, горчичного газа или под влиянием других мутагенных воздействий; у других организмов поломки обнаруживаются генетическими методами, а именно при исследовании потомства. Генетические результаты поломок хромосом зависят от судьбы поломанных хромосом. Каким-то пока до конца не выясненным образом концы разломанных хромосом могут слипаться друг с другом, образуя вновь стойкие структуры; однако, так как хромосомы в живой клетке плавают свободно в ядерном соке, новые хромосомы получаются не всегда такими, какими они были вначале. Хромосомы могут обмениваться частями, куски их могут пропадать, и могут возникать другие типы структурных изменений. Сейчас уместно сказать о наиболее важном изменении - нехватке части хромосомы. Оно состоит или в утере куска с конца хромосомы, или в соединении несоответствующих кусков (рис. 88) из внутренних частей хромосом. Кусочек, которому не удается присоединиться, обычно теряется, и с ним теряются расположенные в нем гены.

У гаплоидного организма, вроде микроскопической водоросли хламидомонады или многих рас дрожжей и других грибов, почти все, за исключением мельчайших, нехватки приводят к смерти, так как для выживания необходимо огромное большинство генов (см. гл. 23). Два примера нехваток у диплоидных организмов были описаны в гл. 4 и изображены на рис. 5 и 6. Каждая нехватка убивает гомозиготы, т. е. особи, у которых отсутствует тот же ген или те же гены в обеих хромосомах-партнерах; однако, если нехватки, изображенные на рис. 6, не дают заметного влияния на гетерозиготу, нехватка, показанная на рис. 5, делает даже гетерозиготу существенно ненормальной. Таким образом, первая нехватка ведет себя как рецессивный ген, а вторая - как доминантный.

Клетки с поломанными хромосомами вне зависимости от того, соединяются ли они в новой форме или нет, выживают до наступления процесса деления, но по разным причинам эти клетки обычно гибнут при ближайшем делении или вскоре после него. Этим объясняется, почему делящиеся клетки гораздо более чувствительны к радиации по сравнению с неделящимися. Избирательное умерщвление делящихся клеток рентгеновскими лучами используется при лечении рака. В опухолях имеется гораздо больше делящихся клеток, чем в окружающей нормальной ткани, поэтому они избирательно уничтожаются под действием радиации. Лечение при помощи мутагенных препаратов возникло недавно. Эти препараты, подобно рентгеновским лучам, разрушают опухолевые клетки путем поломок хромосом; мутагенные препараты дают хорошие результаты в случаях, когда нет возможности использовать рентгеновские лучи. Первым препаратом этого рода был горчичный газ, или иприт. Его применили в США для лечения рака в начале второй мировой войны. Первые химически вызванные мутации одновременно и независимо с этим обнаружили в Шотландии в потомстве мух, подвергнутых действию горчичного газа (иприта). Одновременно с этим без знакомства с работами, опубликованными в Англии и США, германские ученые натолкнулись на совершенно другое вещество - уретан, которое вызывало поломки хромосом и их перестройку у растений, и британские клиницисты с успехом применили уретан в лечении больных лейкемией. Эта история очевидного совпадения как бы иллюстрирует факты, хорошо известные знатокам истории наук, которые отмечают, что научные факты как бы "созревают" для своего открытия.

Рис. 88. Происхождение хромосомной нехватки

Мендель шел впереди своей эпохи, и его великие открытия оставались по существу неизвестными до тех пор, пока не пришло для них время (см. гл. 2). Подобные неудачи свойственны гениальным людям. Средний ученый скромно сознает, что не будь его, такое открытие сделает кто-либо другой в это же десятилетие.

Если способность определенных мутагенных агентов разрушать опухолевые клетки может быть хотя бы частично понята с точки зрения их способности разламывать хромосомы, другая связь между мутагенезом и раком гораздо менее ясна. Хорошо известно, что рентгеновские лучи могут не только вылечить рак, но и в итоге длительного облучения небольшими дозами вызвать рак, что стало известно еще первым исследователям рентгеновских лучей на своем собственном горьком опыте. Точно такой же параллелизм обнаружили для ряда мутагенов, включая иприт и уретан. Одна группа исследователей рассматривает эти факты как доказательство гипотезы, что для известных типов злокачественных опухолей первичной причиной является мутация, в итоге которой клетка выходит из-под ростового управления, осуществляемого организмом, и начинает безудержно делиться. Эти ученые сознают, что опухолевые клетки отличаются от нормальных своим неправильным обменом веществ, и приписывают это вторичным последствиям исходной мутации. Другие ученые придают большое значение этим нарушениям обмена и рассматривают изменения в цитоплазме как первичную причину рака. Так как все клетки опухоли могут рассматриваться как клоны (см. гл. 5), получившие начало от одной ненормальной исходной клетки, эта теория считает, что возникновение наследственного изменения сводится к своего рода цитоплазматической мутации; последняя группа ученых скептически относится к монополии генов в определении наследственных свойств. Поставленная нами проблема по своему значению более широка, чем теория происхождения рака; мы продолжим ее обсуждение в следующей главе.