119. Как экспериментально индуцировать мутации?

Широкое использование разнообразных физических и химических факторов для экспериментального получения мутаций было начато после того, как Г. А. Надсон, С. Г. Филиппов и Г. Мёллер доказали мутагенное действие рентгеновских лучей, а В. В. Сахаров открыл химический мутагенез.

Для получения мутаций используются УФ лучи, различные виды ионизирующих излучений (рентгеновские лучи, γ-лучи, быстрые и медленные нейтроны) и химические вещества.

В результате воздействия ионизирующей частицы на атомы облучаемого вещества происходит ионизация. Причем результаты воздействия разных видов ионизирующих излучений различаются по плотности ионизации (т. е. по числу пар ионов, образующихся на единицу объема) и распределению ионизации в облученном веществе: чем больше заряд частицы, тем выше плотность ионизации.

Причиной появления новых мутаций считалось прямое воздействие ионизирующей частицы на молекулярную структуру хромосом ("теория мишени"). Однако облучение только питательной среды приводило к увеличению частоты мутаций высеянных на нее бактерий и нейро-споры, что и позволило выявить косвенное воздействие облучения через химические изменения субстрата. Действительно, энергия излучения поглощается не только в хромосомах, но и в ядре и цитоплазме. Образующиеся при этом ионы вызывают цепь физико-химических процессов, растянутых во времени, в результате которых могут возникать генные мутации или структурные хромосомные перестройки. Важную роль в непрямом воздействии ионизирующего излучения играют свободные радикалы, возникающие при радиационном разложении воды - основной составной части всех живых организмов. Обладая высокой реакционной способностью, эти радикалы расщепляют органические вещества, в том числе и нуклеиновые кислоты.

Факторы, способствующие образованию свободных радикалов, усиливают мутагенный эффект. Так, повышение концентрации кислорода во время облучения значительно повышает частоту мутаций ("кислородный эффект"). Изучение влияния различных доз ионизирующей радиации (рентгеновских лучей, γ-лучей и др.) на частоту генных мутаций выявляет прямую пропорциональную зависимость частоты мутаций от дозы облучения. Причем не имеет значения, получит ли объект дозу за более короткое время - при большей интенсивности облучения или за более продолжительное время - при меньшей интенсивности облучения.

Генные мутации могут быть вызваны воздействием УФ лучей. Частота мутаций зависит от дозы облучения, но до определенного предела, выше которого она не только не увеличивается, но и снижается. Наибольшим мутагенным действием обладают УФ лучи с длиной волны 250-280 нм, что соответствует спектру поглощения ДНК.

Для экспериментального получения мутаций используются разнообразные химические соединения (этиленимин, N-нитрозоэтилмочевина и др.). Химическое воздействие вызывает определенные молекулярные изменения в ДНК и влияет на фенотипическое выражение генов. Очевидно, именно наличие мутагенного действия ряда химических соединений, которые накапливаются в организме в результате обмена, позволяет объяснить увеличение частоты мутаций у людей пожилого возраста. Химические мутагены могут оказывать не только прямое, но и косвенное действие на организм, подавляя или уничтожая его естественные антимутагены^*.

^* (Имеются данные о наличии у организмов соединений, которые предупреждают или противодействуют мутагенному эффекту ряда веществ. Таким антимутагеном является, например, фермент каталаза, который немедленно прекращает мутагенное действие пероксида водорода.)

Структурные перестройки хромосом, как и генные мутации, возникают спонтанно и могут быть индуцированы разнообразными физическими и химическими факторами. Однако зависимость частоты хромосомных перестроек от дозы облучения в данном случае не прямолинейная, так как конечный результат определяется разрывом хромосом и соединением образовавшихся фрагментов. Если разрыв одиночный, образовавшийся при воссоединении фрагмент может занять только свое прежнее положение^*. Неправильные соединения фрагментов возможны лишь при одновременном разрыве в двух местах. Вероятность же одновременного двойного разрыва равна произведению вероятностей одиночных разрывов, так как это независимые события.

^* (Концевые части хромосомы - теломеры не могут присоединять фрагменты хромосом.)

Так, если облучение при дозе 50 рентген вызывает одиночные разрывы с частотой 1/100, т. е. 1%, то вероятность двух одновременных разрывов 1/100 · 1/100 = 1/10000. При удвоении дозы облучения удвоится и частота одиночных разрывов, а вероятность одновременного разрыва в двух местах будет равна 2/100 · 2/100 = 4/10000, т. е. увеличится в 4 раза. Таким образом, наблюдается квадратичная зависимость между дозой облучения и частотой двух одновременных разрывов. Поэтому большие дозы облучения вызывают обычно многочисленные хромосомные перестройки. В данном случае имеет значение, дается ли вся доза облучения однократно или в несколько приемов. При однократном быстром облучении большой дозой разрывы образуются одновременно во многих точках и увеличивается вероятность неправильных воссоединений фрагментов. При многократном или продолжительном облучении малыми дозами возникающие одиночные разрывы могут восстанавливаться почти полностью.

Эффект облучения могут значительно изменять различные дополнительные факторы, такие, например, как наличие или отсутствие кислорода, ультразвук, видимый свет и др. Эффект облучения зависит и от состояния хромосом в период облучения: хромосомы сильнее повреждаются в период деления, особенно в профазе и метафазе мейоза. Причем облучение клеток в предсинтетический период (G₁ - удвоение хромосомных нитей еще не произошло) приводит к хромосомным аберрациям, т. е. к фрагментации хромосом, а облучение в постсинтетический период (G₂) и на ранних стадиях деления - к хроматидным аберрациям, т. е. к относительно независимому образованию и соединению фрагментов отдельных хроматид. Благодаря свойству саморепродукции возникшие структурные перестройки могут сохраняться в ряду последующих клеточных делений. В мейозе можно наблюдать своеобразную конъюгацию хромосом, образование хромосомных и хроматидных мостов, микроядер, транслокацию и другие нарушения, приводящие к снижению плодовитости облученных форм.

Жизнеспособность и другие признаки потомства определяются степенью нарушения генетической системы хромосом. В результате разрывов и неправильных соединений фрагментов возникают внутрихромосомные (делеции, дефишенси, дупликации, инверсии) и межхромосомные (транслокации) перестройки.