Ошибки в наследственной программе - мутации

Наследственные изменения - мутации - организма связаны с разными типами качественных и количественных изменений генетического материала.

Мутации бывают генными, хромосомными и геномными. Генные мутации возникают в результате выпадения одного основания в молекуле ДНК, вставки лишнего основания или замены одного другим. Сейчас твердо установлено, что генные мутации происходят в периоды удвоения структуры ДНК (реапликация), когда снимается копия с генов или целого блока генов (транскрипция).

Именно в процессе репликации и транскрипции нуклеотиды оказываются наиболее доступными для химических соединений, которые изменяют их, что и приводит к ошибкам репликации, или, как еще их называют, ошибкам считывания. В результате меняется очередность нуклеотидов в ДНК дочерних клеток по сравнению с материнской,

Хромосомные мутации также могут быть нескольких видов: дупликация (удвоение участка хромосомы), делеция (выпадение участка), инверсия (поворот какого-либо участка внутри хромосомы на 180°) и транслокация (обмен не гомологичных хромосом отдельными участками). Существуют хромосомные мутации другого типа, когда организм отличается одной или несколькими хромосомами (гетероплоидия).

Геномиые мутации возникают вследствие кратного изменения наборов хромосом или геномов.

Таким образом, одни мутации приводят к изменению последовательности нуклеотидов (генные мутации), другие обусловливают появление неодинакового количества хромосом во вновь образованных клетках, третьи нарушают нормальную работу митотического или мейотического деления, что ведет к не расхождению отдельных пар хромосом по дочерним клеткам.

Частота появления указанных типов мутаций разная и очень низкая, но если учесть количество клеток, составляющих организм человека, то в целом она значительна. Естественно, что мутации должны произойти не в обычных клетках, соматических, а в половых, чтобы быть переданными следующим поколениям.

Теперь, когда мы заглянули внутрь клетки, необходимо проследить за судьбой изменений в генетической программе, в очередности триплетов в ДНК под действием химических или физических факторов, например, разных видов ионизирующей радиации. Подсчитано, что для разрыва хромосомы толщиной 0,2 микрона необходимо, чтобы на пути пробега через нее альфа-частицы образовалось около 15-20 пар ионов. Интересно отметить, что степень изменения хромосомы зависит от места, через которое проходит ионизирующая частица, то есть от того, какой ген претерпевает изменение.

Допустим, что в результате поражения ДНК конкретного гена подучено изменение, то есть произошла генная мутация. Будет ли это изменение в гене гарантией видимой мутации? Тщательное изучение показало, что на пути репликации имеется ряд барьеров, которые должны быть преодолены, только тогда мутация от первичного изменения в ДНК проявится в фенотипе, т. е. на уровне признака организма.

В последние годы учеными обнаружен сложный барьер системы восстановления, стоящий на пути возможного нарушения очередности оснований в генах. Тщательное изучение показало, что если облучить бактериальные клетки, например, кишечную палочку, или обработать специальными химическими веществами, которые вызывают изменение очередности оснований в молекулах ДНК, то через небольшое время примерно 40-60% участков ДНК, несущих повреждения, может быть "вырезано" специальными ферментами и заново застроено, как бы отремонтировано исходными основаниями. Это происходит потому, что по первичной, исходной цепочке ДНК клетка способна полностью восстановить исходную двойную структуру своего генного материала.

В результате сложных процессов, происходящих в клетке после облучения ионизирующей радиацией или воздействия химическими веществами, может возникнуть новая последовательность расположения пар оснований, но это еще не мутация на уровне организма, так как для этого ей необходимо преодолеть еще ряд других преград, выработанных в процессе эволюции вида, чтобы изменение на молекулярном уровне могло реализоваться на уровне организма.

Предположим, что такой барьер преодолен, поврежденные участки лишь частично восстановлены. Появился новый порядок, новая очередность оснований в ДНК. Приведут ли эти изменения к изменению признаков организма или есть еще и другие преграды на этом пути? Такой преградой является вырожденность генетического кода, то есть повторяемость, которая также значительно снижает частоту вызванных мутаций.

Представим себе такую ситуацию. При облучении или при обработке химическими мутагенами нам удалось изменить очередность нуклеотидов в гене таким образом, что вместо триплета АГУ образовался один их триплетов типа УЦЦ, УЦА, УЦГ, УЦУ или АГЦ. Тогда при сборке (синтез) белка на нить информационной РНК встанет та же аминокислота, как и у неизменного, исходного триплета, а именно се)рин. Возникшая новая очередность нуклеотидов в гене не сможет реализоваться, дойти до генетических последствий из-за вырожденности генетического кода. Следовательно, не каждое изменение в очередности оснований в гене приводит к мутации.

Таким образом, вырожденность генетического кода является одной из гарантий стабильности работы генетического материала.

Предположим, однако, что вызванное изменение в очередности оснований ДНК не было нейтрализован, сведено на нет вырожденностью генетического кода.

Если клетка, в которой произошли изменения в (хромосоме, будет нормально функционировать и размножаться, то тогда эти изменения будут переданы дочерним клеткам и смогут дойти до морфологического или физиолого-биохимического проявления. Так, например, часто клетка, в которой произошло изменение, размножается хуже нормальной и поэтому не может успешно с ней соперничать. В результате этого на уровне соматического отбора клетка с изменениями будет вытеснена нормальными клетками. Однако допустим, что и этот барьер клеткой преодолен. Значит, полученное изменение будет до фенотипа? Чтобы это произошло, необходимо преодолеть еще один своего рода барьер. Он осуществляется во время мейоза, когда многие изменения, прошедшие предыдущие барьеры, могут быть на уровне гамет как бы отбракованы, так как при созревании половых клеток происходит жесткий отбор. Почему же тогда существуют и передаются из поколения в поколение некоторые наследственные болезни?

В 1908 году ученые, проведя математический анализ распределения генов в популяции, обнаружили закономерность, хорошо описывающуюся формулой, отражающей количественную сторону соотношения генотипов и фенотипов в популяции. По этому закону в популяциях от поколения к поколению частоты генов сохраняются постоянными (если отсутствуют факторы, резко изменяющие частоты таких генов). Изменение частот генов в популяции может происходить, например, при наличии большого числа родственных браков, мутировании генов, при действии отбора, а также при таких социальных явлениях, как изоляция и миграция.

Процесс отбора наиболее эффективен при устранении нежелательных генов из популяции, когда он направлен против доминантных мутаций, при условии полной выраженности их проявления, особенно в детском возрасте, и существенной тяжести протекания болезни. При таких заболеваниях больные, как правило, не оставляют потомства (либо не доживают до детородного периода, либо из-за грубых внешних дефектов редко вступают в брак), в результате чего мутантный ген удаляется (элиминируется) из генофонда популяции. В противоположность этому, при другом доминантном заболевании, например хорее Гентингтона, возможна передача патологического гена потомкам в силу того, что эта болезнь развивается, как правило, в 30-40-летнем возрасте, когда - "будущие больные" уже вступили в брак.