Мутации и модификации [1982 Лаптев Ю.П. - Занимательная генетика]

К чему только ни прибегали люди, чтобы продлить свою жизнь! За многовековую историю человечество испробовало разные способы. В наши дни наиболее популярен метод регулярного принуждения мышц к работе, будь это мышцы ног или рук или обеих пар конечностей вместе (главное, не утруждать мозг и не травмировать психику).

И. И. Мечников считал, что со старостью можно бороться, если взять в союзники кисломолочные продукты, академик АМН СССР Д. Ф. Чеботарев в качестве наиболее характерных черт долгожителей приводил занятие любимым делом, постоянное (в смысле не часто меняемое) место работы, умеренность в еде и ее разнообразие, незлоупотребление алкоголем и табаком, ранний брак и многодетность.

Если верить старинным легендам, царь Давид продлил жизнь, окружив себя молодыми девушками. Этот древний способ отдаления смертного часа даже получил научное название "герокомия".

Высокий процент долгожителей среди населения долины Вилькабамбы, расположенной на юге Эквадора на высоте 1450 метров над уровнем моря, геронтологи объясняют низким атмосферным давлением, высоким содержанием кислорода в воздухе и... неровным рельефом местности, вынуждающим к невольным занятиям "физкультурой". Немаловажное значение, полагают, имеет и меню: овощи, фрукты, кукуруза, пшеница.

Описанные "приемы" продления жизни, очевидно, способствуют долголетию у индивидов, ведущих надлежащий образ жизни и придерживающихся определенной диеты, но, естественно, не гарантируют длительной жизни их потомкам, не следующим примеру родителей. Образ жизни и среда не влияют на генотип и наследственность. Генетики любые отклонения от "нормы" (в приведенных выше примерах - долголетие), не связанные с изменением генотипа и, следовательно, не влияющие на потомство, называют модификациями.

Но есть и другой род долгожителей. И. И. Мечников в "Этюдах оптимизма" приводит в пример жителей деревни Шальи (департамент Кот-д'Ор, Франция), где восьмидесятилетние и более "зрелого" возраста старики, составляющие чуть ли не четыре процента населения, отличались крайне неумеренным потреблением спиртного. Приверженностью к "зеленому змию" страдали Катерина Реймон, умершая в возрасте 107 лет, Политиман, успевший отпраздновать 140-летие, и 120- летний мясник Гасконь, упивавшийся дважды в неделю, начиная с 20-летнего возраста. Ирландский землевладелец Браун словно в насмешку над геронтологами, достигнув 120-летнего возраста, составил завещание, в котором пожелал установить на своей могиле надгробие с надписью, раскрывающей довольно своеобразный "секрет" его долголетия: "Он был всегда пьян и так страшен в этом состоянии, что сама смерть боялась его".

Это уже пример наследственного долголетия, может быть, даже мутаций (этот термин нам уже знаком). Но, дабы не испытывать судьбу и не надеяться на счастливо сложившийся генотип, лучше придерживаться здорового образа жизни. Статистикой установлено, что подавляющая часть долгожителей ведут размеренный трудовой образ жизни, крайне редко меняют место жительства, работу, жену или мужа (прочности семьи способствует многодетность) и не конфликтуют с окружающими без достаточно веского повода. Автор подозревает, что последнее условие решающее для модификации человеческой жизни до достаточно глубокой, но необременительной старости. Вероятно, читатель не без интереса прочтет в этой связи строки писателя В. Конецкого из его очерка "На околонаучной параболе": "Искали тайну долгожительства в простокваше. Изучали рацион и атмосферу горножителей. А дело оказалось в нервах. Если раньше стенокардией и инфарктом миокарда страдали преимущественно только люди пожилого возраста, то теперь недуги все чаще поражают человека в самом расцвете творческих сил. Ишемическая болезнь свирепствует в тех странах, где достигнута наиболее высокая степень технизации. По характеру подъема кривая поражения ишемической болезнью сердца приближается к кривой роста количества информации - удваивается каждые 10-15 лет.

Главной причиной атеросклероза считались алкоголь, табак, жирная пища. Но потом вспомнили, что люди курят со времен Колумба, пьют испокон веков, едят жирное со времен мамонтов. Теперь стало ясно, что сердечно-сосудистые заболевания представляют собой лишь трагический финал ряда физиологических осложнений, происходящих в организме человека, главным образом в его нервной системе".

Термин "модификация" в свое время был предложен К. Негели (1865). В настоящее время под модификациями подразумевают фенотипические ненаследственные изменения, возникающие под влиянием господствующих условий среды и не оказывающие влияния на генотип. Размах модификационной изменчивости ограничен обусловленной генотипом нормой реакции.

В качестве примера проявления яркой модификационной изменчивости можно привести приспособительную реакцию стрелолиста. Листовые пластинки растения, обитающего на илистом дне мелких спокойных водоемов, напоминают стрелку (отсюда и его название), когда же стрелолист вырастает на дне стремительного ручья, листовые пластинки принимают форму плоских бледно-зеленых лент. Изменения эти ненаследственны и проявляются только в соответствующих условиях обитания.

На первый взгляд может показаться правильным, если появление новых наследственных признаков объяснить изменчивостью, вызываемой условиями среды. Жан Батист Ламарк (1744-1829), например, считал, что образование любого нового органа есть не что иное, как ответная реакция на условия среды или на появление новой потребности у животного.

Как одно из возможных объяснений эволюции воззрение Ламарка в свое время привлекло многих биологов, пытавшихся подкрепить его и экспериментальными данными. Однако тщательно поставленные опыты, в которых старались вызвать при помощи разнообразного варьирования условий среды адекватные (направленные) наследственные изменения, ни разу не увенчались успехом.

Модификация одуванчика (А - в долине, Б - в горах)

В эволюции модификации тем не менее играют существенную роль, так как позволяют виду в пределах нормы реакции составляющих его генотипических форм выдерживать постоянно меняющиеся условия среды в течение года или сезона.

Мутации, как уже было сказано, это внезапно появляющиеся и передающиеся по наследству новые признаки. Организмы или отдельные клетки, проявившие мутационное изменение, называют мутантами. Во многих случаях мутации настолько слабы, что визуально не обнаруживаются, а ограничиваются сферой физиологических реакций.

Селекционеры хорошо знакомы с мутациями и используют в своей работе как естественно возникающие, так и искусственно получаемые (индуцированные) мутанты. Так, например, ученые на основе естественного мутанта горького желтого люпина, содержащего алкалоиды в ничтожных количествах, вывели сорта кормового сладкого люпина, ныне широко распространенные в странах Западной Европы и СССР. Благодаря естественному мутированию созданы красная береза, стьюартский кубинский табак, радужный мак, многие сорта тюльпанов и махровых форм цветов. От естественных мутантов ведет начало ряд сортов картофеля (Рассет Бербанк, Кобблер, Ред Триумф, Рассет Себаго, Ред Понтиак, Ред Ла Сода и др.).

Склонность мутировать столь же существенна для вида, как и его способность сохранять устойчивость в продолжении сменяющих друг друга поколений. Мутации - основной источник естественной наследственной изменчивости и движущая сила эволюции.

Исследователи обнаруживают мутации по появлению новых наследственных морфологических, физиологических, химических изменений в организме, нарушениям числа или строения хромосом, влекущим (но не всегда) за собой фенотипическое проявление. Видимые мутации наиболее часто используют в генетических исследованиях. Кроме того, существуют мутации, которые не удается выявить из-за препятствий методического, а также технического порядка. Иногда мутировавший ген не оказывает явного влияния на фенотип до тех пор, пока не попадет в новый геном; в последнем случае до проявления мутации может пройти несколько поколений.

Воздействие космических лучей, солнечной радиации и внезапных "шоковых" перепадов температуры способно вызвать естественную мутацию у животных и растений. Но мутация может подчиняться и внутренним процессам обмена веществ, обусловленным, например, межвидовой или межродовой гибридизацией.

В 1925 году советские ученые Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов на микроскопических грибах открыли мутагенные вызывающие мутации свойства рентгеновских лучей. Э. Баур (работы опубликованы в 1916 и 1930 годах) и В. В. Сахаров (публикации 1932-1938 годов) установили, что мутагенным действием обладают и химические вещества.

Работы этих исследователей открыли новую главу в истории генетики. Экспериментаторы получили возможность искусственно создавать новые мутации у любых организмов.

Различают два вида излучений, вызывающих мутации, - ионизирующие и неионизирующие. Из ионизирующих в генетике и селекции используют бета-частицы (электроны) и гамма-лучи, испускаемые радиоактивными веществами, рентгеновские лучи и нейтроны. Ионизация заключается в испускании электрона одним атомом и захвате его другим. Пары ионизированных атомов физически нестабильны и реактивно способны. Одного акта ионизации достаточно, чтобы инактивировать (выключить из "работы") молекулу ДНК или фермента.

Единственным эффективным неионизирующим излучением являются ультрафиолетовые лучи, которые можно применить только для облучения слоев клеток небольшой толщины (пыльцы, кончиков корней). Ультрафиолет интересен тем, что он вызывает больше мелких мутаций, чем рентгеновские лучи.

Советским ученым принадлежит приоритет в практическом использовании ионизирующих изучений в селекции сельскохозяйственных культур. В 1931 году советский селекционер Н. Л. Делоне сообщил о результатах совместных с В. И. Дидусем трехлетних исследований искусственных мутаций пшеницы. А. А. Сапегин представил данные о полученных им в 1930- 1936 годах рентгеномутациях мягких и твердых пшениц. Интересные радиомутантные формы ячменя и гороха в 1937 году были выделены под Ленинградом А. Н. Лутковым.

Рентгеновские лучи на первых порах были единственным источником излучения, применяемым в селекции. Использованию их благоприятствовали общедоступность и легкость дозирования.

Перед проведением облучения предварительно подбирают дозу облучения, достаточно высокую, чтобы заставить объект интенсивно мутировать, но в то же время обеспечить достаточную выживаемость материала. Получают мутации, воздействуя на отдельные клетки-гаметы, семена (сухие или замоченные), почки и побеги.

Нейтронами селекционеры заинтересовались с развертыванием в разных странах строительства атомных реакторов. По сравнению с рентгеновскими лучами нейтроны оказывают более однородное действие на семена, что проявляется в одинаковом развитии сеянцев и выживаемости облученного потомства М₁ (полученные из обработанных семян растения обозначают М₁, следующие поколения - соответственно М₂, М₃ и т. д.).

Разрывы хромосом под влиянием облучения рентгеновскими лучами и некоторые из их возможных последствий: 1 - произошел разрыв; 2 - хромосома разбилась на фрагменты; 3 - разрыв зажил; 4 - два разрыва произошли в одной и той же хромосоме; 5 - разорванные концы склеились, средняя часть выпала и, вероятно, будет утеряна в одном из последующих клеточных делений; б - в каждой из двух хромосом произошел один разрыв; 7 - разорванные хромосомы обменялись кусками

Из радиоактивных изотопов наиболее часто в генетических исследованиях используют фосфор Р³² и серу S³⁵. Поскольку энергия распада этих изотопов в форме электронов (бета-частиц) рассеивается быстро (период полураспада Р³² равен 14,3 дня, a S³⁵ - 88 дням), то применение их при дозиметрическом контроле неопасно. Испускание бета-частиц при ионизации и радиоактивном распаде вызывает хромосомные перестройки. Мутагенная активность Р³² превышает активность рентгеновских лучей, но уступает мутагенному действию быстрых нейтронов.

Ранее применявшиеся в биологии в качестве источников гамма-лучей радий и родон ныне вытеснены радиоактивным кобальтом (Со⁶⁰). В связи с более короткой длиной электромагнитной волны по сравнению с рентгеновскими лучами гамма-лучи обладают большей проникающей способностью. Дозы гамма-лучей подобно рентгеновским лучам измеряются в рентгенах (р).

Мутагенный эффект ультрафиолетовых лучей, связанный с образованием перекиси водорода и органических перекисей, обнаружен в 1930-1931 годах. Мутагенная активность при ультрафиолетовом облучении осуществляется через воздействие на белок или на нуклеиновую кислоту.

Приоритет в изыскании большинства известных ныне химических мощных мутагенов, в том числе непревзойденных по эффективности (например, формальдегида, уретана, этиленимина, окиси этилена, диэтилсульфата, диметилсульфата и др.) принадлежит советскому ученому И. А. Раппопорту. Им выявлены сверхмощные мутагены, или супермутагены, способные обусловить свыше 100 процентов наследственных изменений (за 100 процентов принимается 100 мутаций на 100 хромосом, за 105 процентов - 105 мутаций на 100 хромосом и т.д.). К ним относятся производные N-нитрозоалкилмочевины, N-нитрозоалкилуретана, N-нитрозоалкиламина, диазометапа и этиленимина.

Для нитрозомутагенов характерно сохранение мутагенного раздражения до M₅-М₆ поколений в отличие от других мутагенных соединений, сохраняющих мутагенную активность лишь в М₁-М₂. Супермутагены вызывают несравненно большее количество доминантных мутаций по сравнению с иными химическими и физическими мутагенами, а, кроме того, дают рекордный выход рецессивных мутаций.

Специфичность химического мутагенного действия обнаружена в опытах с натриевой солью ДНК, выделенной из зобной железы теленка. Этот препарат ДНК действует замедленно и избирательно повышает мутабильность определенных генов дрозофилы, то есть действует направленно.

Не исключено, что мутагенное действие ДНК по своей природе подобно действию контролирующих элементов - особых генетических единиц, не имеющих фиксированного положения на хромосоме и при интегрировании (включении в определенное место - локус) с хромосомой меняющих выражение генов, к которым они прикрепляются, что делает эти гены мутабильными. Такие контролирующие элементы впервые установлены у кукурузы, а позднее описаны у живокости. Возможно, что роль контролирующих элементов, имеющих сродство с определенными участками хромосом, могут играть и другие не очень крупные макромолекулы - низкополимерная РНК, фрагменты РНК и РНК-вирусов. Изучение специфичности химических мутагенов имеет прямое отношение к проблеме направленного мутагенеза при помощи мутагенов с очень узким спектром действия.

Применение рентгеновских и ультрафиолетовых лучей сыграло решающую роль в селекции штаммов (то есть генетически однородных культур) пенициллина и его промышленном производстве. Начав работу со штаммом, продуктивность которого равнялась 250 условным единицам на миллилитр объема (принятое сокращение ед/мл), селекционеры менее чем за 10 лет получили штаммы с активностью свыше 2500 ед/мл пенициллина, то есть в 10 раз более интенсивной.

В лаборатории компании Пфайзер (США) при работе с рентгеновскими и ультрафиолетовыми лучами получен мутантный штамм продуцента стрептомицина с активностью 2000 ед/мл, или в 8 раз более активный, чем взятый за исходный штамм Ваксмана. В Советском Союзе при облучении гриба Streptomyces сверхвысокими дозами ультрафиолетовых лучей получен штамм, продуцирующий свыше 4000 ед/ мл.

В настоящее время мутанты - основной материал для получения активных препаратов пенициллина, стрептомицина, хлортетрациклина (биомицина), окситетрациклина (террамицина), циклосерина и других антибиотиков.

Получена живая мутантная вакцина против восточного энцефаломиелита, наиболее заразного из существующих вирусных заболеваний. В результате обработки химическими мутагенами штаммов пропионовокислых бактерий, используемых в производстве витамина B₁₂, созданы мутанты, вдвое превышающие по уровню активности исходные штаммы.

Химические мутагены хорошо зарекомендовали себя в получении противостолбнячных анатоксинов (токсинов, лишенных ядовитых свойств). Производные этиленимина и этиленоксида перспективны для создания как живых и убитых вакцин, так и анатоксинов. Мутагены используют для повышения интенсивности синтеза аминокислот и витаминов в организме и для активизации аминокислот в ферментативных процессах.

Совершенствование агротехнических приемов возделывания культурных растений, увеличивающееся из года в год внесение минеральных удобрений вызывают необходимость создания новых сортов, устойчивых к полеганию, способных эффективно использовать повышенные дозы удобрения и формировать высокие урожаи. Для решения этих проблем генетики и селекционеры изыскивают способы получения и освоения новых генных ресурсов. Геном культурного растения таит в себе высокий потенциал структурного разнообразия. При помощи радиоизлучений и химических мутагенов генетики стремятся заставить работать скрытую часть спектра геномов и создавать стабильные генные состояния с нужными селекционеру специфическими свойствами растений.

Применение коротковолнового излучения дало сельскохозяйственному производству десятки новых сортов. Так, на основе рентгенооблучения семян ячменя полегающего сорта Бонус и последующего отбора в Швеции получен высокоурожайный и устойчивый к полеганию сорт Паллас. Из сортов ячменя, имеющих промышленное значение и созданных благодаря радиационной селекции, можно также назвать шведский раннеспелый низкорослый сорт Мари, австрийский устойчивый к мучнистой росе сорт Вена, высокопродуктивный с повышенной зимостойкостью и прочной соломиной озимый сорт Ютта (ГДР) и американские ячмени зимостойкий Пеннрад и устойчивый к мучнистой росе Аллаш.

В США нашли применение сорта овса Элеймо-Х и устойчивый к корончатой ржавчине Флорэд. В Швеции создан сорт гороха Строль (Штраларт), выведенный на основе рентгеномутанта, характеризовавшегося сильным ветвлением и повышенным числом бобов на ветвях. За 11 лет испытания на Вейсбульхольмской станции новый сорт по урожайности превосходил исходный сорт Клостер на 5,8 процента. Урожайность полученного позднего сорта Строль 2 была выше, чем у Клостера, на 25 процентов.

В Индии выращивают высокоурожайные мутантные сорта мягкой пшеницы Р 836 и Гарбати Сонора, в США - Льюис и Стадлер, в Италии - мутантные сорта твердой пшеницы Кастельфизано и Кастельпорциано.

Обработка химическими супермутагенами (1,4-бисдиазоацетилбутаном) и мутагенами существующих инбредных (самоопылявшихся в ряду поколений) линий кукурузы с высокой комбинационной способностью привела к созданию мутантных подлиний, повысивших эффект гетерозиса на 30-50, а иногда и на 100 процентов.

К геномным мутациям генетики относят полиплоиды - формы с кратно увеличенным против нормы набором хромосом и гаплоиды - формы с гаметическим (обычно вдвое меньшим против нормы) числом хромосом.

Полиплоидия, или наличие у генетически родственных форм полутора-, двух- и более кратного геномному набору количества хромосом, широко распространена в природе. По ориентировочным подсчетам, общая доля полиплоидных видов у покрытосеменных составляет около 30-35 процентов.

Полиплоидии принадлежит важная роль в происхождении многих культурных растений. Главный продукт питания большей части населения нашей планеты - хлеб - выпекают из муки полиплоидной пшеницы. Более половины всего человечества одевается в ткани из хлопка полиплоидного хлопчатника. Благодаря улучшению питания жителей Европы резко увеличилось народонаселение этого континента после завоза из Америки полиплоидного картофеля. В мировом производстве сахара 70 процентов продукта дает полиплоидный сахарный тростник.

Селекционеры продемонстрировали всему миру, что может дать применение искусственной полиплоидии в сельскохозяйственном производстве. Созданные в Швеции тетраплоидные сорта клевера и турнепса в среднем по продуктивности превзошли диплоидные сорта на 15 процентов. При сравнении урожайности тетраплоидного сорта клевера Ульва и исходного диплоидного сорта разница в пользу первого составила 15 процентов в первый же год сортоиспытания и 47 процентов во второй. Кроме того, Ульва превосходил промышленные диплоидные сорта также по устойчивости к корневой гнили и стеблевой нематоде. Полиплоидные сорта богаче диплоидных по содержанию сухих веществ. Так, в тетраплоидном сорте турнепса Сириус их на 14 процентов больше, чем у лучшего диплоидного сорта, а у полисортов сахарной свеклы на 10 процентов больше, чем у диплоидных. Тетраплоидные озимые сорта ржи Столрог и Дубльстол, не уступая по урожайности диплоидным сортам, отличаются высоким содержанием протеина и лучшими хлебопекарными качествами. Шведский тетраплоидный сорт яровой ржи Форекс при испытании в Калифорнии дал небывало высокий урожай зеленой массы.

Большую роль искусственно полученные полиплоиды играют в преодолении нескрещиваемости видов. В частности, индуцированные полиплоиды широко используют в селекции картофеля, табака и лекарственных пасленов для медицинской промышленности.

Для получения искусственных полиплоидов чаще всего применяют алкалоид колхицин, получаемый из семян и клубнелуковиц безвременника осеннего. Из него приготовляют водные растворы, ланолиновую пасту, растворы в агаре, глицерине или касторовом масле. Подавляя действие механизма митоза, колхицин приводит к увеличению числа хромосом. Колхицином обрабатывают семена, проростки, стебли, листья, цветочные бутоны, почки и клубни.

Индуцированный колхицином полиплоид представляет собой сырой материал, обычно непригодный для непосредственного и немедленного использования. Увеличение набора хромосом, как правило, влечет за собой из-за несбалансированности генотипа серьезные дефекты, которые можно устранить в процессе отбора и размножения. Больший интерес для селекционной практики представляют полиплоиды, создаваемые на мейотической основе в процессе оплодотворения. Обычно их получают при скрещивании нормальных диплоидных растений и индуцированных колхицином полиплоидов. Полиплоидные семена, снятые с диплоидного материнского растения, и будут мейотическими полиплоидами. Они не имеют мозаичных с разными наборами хромосом клеток и тканей. У некоторых видов культурных и вводимых в культуру растений полиплоиды превосходят по продуктивности или содержанию полезных соединений исходные диплоидные формы. Таким путем получены ценные полиплоидные сорта аптечной ромашки, инкарнатного клевера, перечной мяты, сахарной свеклы.

Для выделения полиплоидных форм иногда не обязательно прибегать к довольно трудоемкому подсчету хромосом. В селекции у некоторых культур можно обойтись подсчетом хлоропластов (пластид, в которых содержится хлорофилл) в замыкающих клетках устьиц или числа устьиц на единицу площади поверхности листа, замером окрашенной ацетокармином пыльцы (она крупнее у полиплоидов).

Другой тип геномных мутантов - гаплоиды - используются в селекции на гетерозис. Генетики называют гетерозисом эффект лучшего развития полезного признака (продуктивность, устойчивость к неблагоприятным условиям среды, качество продукции и т. п.) у гибридов, чем у родительских форм. Применяют гаплоиды и для преодоления нескрещиваемости между формами, имеющими разный набор хромосом. Искусственно гаплоиды получают либо скрещиванием разных видов (чаще с разными наборами хромосом), либо выращиванием растений непосредственно из гамет (например, пыльцевых зерен или неоплодотворенных яйцеклеток). Получаемые гаплоиды имеют вдвое меньший набор хромосом, чем у родителей, и геном материнской формы или опылителя. Гаплоиды существенно облегчают и ускоряют селекцию по признакам, контролируемым немногими генами.

Естественные и искусственно получаемые мутанты служат источником наследственной изменчивости. Мутации и комбинации генов поставляют сырье, из которого в процессе естественного и искусственного отбора получается строительный материал для эволюции и селекции культурных растений, животных и микроорганизмов. Но в массе мутации для вида вредны и повышение мутабильности в силу каких-либо причин ведет к увеличению в популяциях числа генетических жертв. В мелких популяциях мутагенез может привести к вымиранию вида, а у человека повысить численность индивидов с врожденными дефектами, могущими обусловить гибель либо владельцев новых мутантных генов, либо их потомства (ввиду рецессивности большей части мутаций они угрожают прежде всего внукам).

Генетическое приспособление популяций живых организмов к условиям возрастающей загрязненности среды невозможно, поэтому сохранение чистоты внешней среды является одновременно условием нормальной жизнедеятельности человека, животных, растений.

Растущие производственные мощности человечества усугубляют опасность всему живому планеты. Заводы и фабрики ежегодно выбрасывают в атмосферу сотни миллионов тонн сернистого ангидрида и около пятидесяти миллионов тонн окислов азота. Повышается фон радиации. Атмосфера, почва и водоемы так или иначе насыщаются химическими мутагенами, могущими отразиться на наследственности животного и растительного мира.

Биологи ныне как никогда озабочены мутационной селекцией микроорганизмов для биологической очистки отходов химических, металлургических, текстильных и других предприятий и разработкой методов анализа (тест-систем) влияния мутагенов среды на человека, животных, растения, микроорганизмы и вирусы. Отсюда понятно значение, которое придают развитию медицинской генетики и генетического контроля за загрязнением окружающей среды, включая сюда, скажем, не только задымленность атмосферы, но и медицинские препараты и даже парфюмерию.