117. Что происходит с генетическим материалом при возникновении мутации?

К мутациям относятся изменения отдельных генов, хромосомные перестройки, а также изменения числа хромосом.

Наиболее часто встречаются генные, или точковые, мутации. Они представляют собой вставки или выпадения, а также изменения (транзиции и трансверсии) пары нуклеотидов ДНК (РНК). Точковые мутации могут изменять функцию отдельных генов одного оперона в случае полярного эффекта, т. е. выключения всех генов, расположенных дистально от оператора по отношению к возникшей мутации.

Хромосомные перестройки возникают в основном, по-видимому, за счет "незаконной" рекомбинации, т. е. рекомбинации негомологичных участков генетического материала. К ним относятся перемещения участков генетического материала, соизмеримых по длине с геном, между хромосомами или в пределах одной хромосомы. Изменения числа хромосом в клетках организма могут быть кратными гаплоидному набору, а также не кратными гаплоидному набору.

Особенностью ДНК, которая выполняет роль хранилища генетической информации, является неограниченно варьирующая последовательность азотистых оснований вдоль каждой ее цепи. Отсюда следует, что наиболее вероятным механизмом мутации является замена одного основания другим, т. е. изменение последовательности оснований.

Мутация может возникнуть вследствие таутомерного сдвига в положении атома водорода, принадлежащего, например, аденину. Этот сдвиг приводит к неправильному спариванию аденина с цитозином вместо тимина, с которым он обычно спаривается. При следующей репликации ДНК цитозин, как правило, соединяется с гуанином таким образом, что в определенной точке ДНК пара оснований А - Т заменяется на пару Г - Ц.

Многочисленные типы замен оснований можно классифицировать следующим образом:

Замена пуринового основания на пуриновое или пиримидинового на пиримидиновое называется простой или транзицией. Замена пуринового основания на пиримидиновое и наоборот называется сложной или трансверсией. Различные мутагены обладают специфической способностью вызывать или транзиции, или трансверсии. Например, включение аналогов оснований в ДНК (5-бромурацил, 2-аминопурин) приводит к транзиции; воздействие на ДНК алкилирующих соединений (иприта, этиленимина) вызывает изменения оснований, которые способствуют появлению трансверсий в результате нарушения спаривания при репликации ДНК.

При обработке ДНК дезаминирующими агентами появляются необычные (минорные) основания, которые нарушают правильность спаривания при репликации. При этом аденин превращается в гипоксантин, гуанин - в ксантин, цитозин - в урацил. Гипоксантин и урацил спариваются соответственно с цитозином и аденином. Это приводит к мутациям типа транзиции. В качестве примера дезаминирующего агента можно назвать азотистую кислоту.

Интересной группой мутагенов являются так называемые акридиновые красители (профлавин, акридин). Они обладают свойством внедряться в молекулу ДНК при ее репликации, однако вследствие слабой связи их с соседними основаниями при следующих репликациях они могут выпасть из молекулы ДНК, что приведет к выпадению основания в комплементарной цепи. Такая мутация называется выпаданием или делецией. Мутации, вызываемые акридиновыми красителями, называются вставками, поскольку при спаривании внедрившегося акридинового красителя с любым основанием при репликации ДНК происходит добавление основания в комплементарную цепь.

Когда ДНК выдерживается при рН ниже 4, некоторые основания приобретают положительный заряд. Это приводит к расхождению цепей ДНК и в конце концов к депуринизации, т. е. полному удалению А и Г.

При действии на ДНК ионизирующих излучений могут наблюдаться разнообразные эффекты, такие как разрывы ДНК или изменения некоторых оснований. Причем излучения могут действовать на ДНК как непосредственно, так и косвенно, поскольку вдоль трека каждой частицы возникает много ионов или радикалов, способных инициировать цепь химических реакций.

Одним из эффектов облучения ДНК УФ лучами является димеризация тимина вследствие поляризации двойных связей. Нарушение репликации из-за появления димера приводит или к летальному исходу, или к мутации. Другим эффектом, наблюдаемым при УФ излучении, можно считать появление нестойких аналогов оснований после облучения пиримидинов. Эти аналоги оснований, несмотря на кратковременность их существования, могут служить причиной мутаций.