Мутации генов

В природе по различным причинам и под действием факторов окружающей среды возникают спонтанные мутации. От случайного толчка может наступить таутомерный сдвиг атомов водорода. В результате нарушается порядок подбора пар комплементарной основы в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и, например, аденин (А) входит в пару не с тимином (Т), а с гуанином (Г), При последующей репликации А не комплементирует с Т, и, более того, в этом нуклеотиде отсутствует Т, но присутствует Г, который комплементирует с Ц (цитозином). Этот процесс схематично показан на рисунке 3.1.

Таким образом происходят изменения в нуклеотидах молекул ДНК, а затем и в самом генетическом коде, что является следствием изменения в кодонах информационной рибонуклеиновой кислоты (иРНК). Далее происходит связывание других аминокислот, а затем наступает изменение в синтезе протеина. Примерами этого служат серповидная анемия у человека, мутации окраски у растений и т.д.

Соединения нормальных и таутомерных форм пурина и пиримидина

По мнению Уотсона (1970), в течение одного поколения только после таутомерного сдвига спонтанные мутации возникают с частотой 10-9 на уровне нуклеотида и с частотой 10-6 на уровне гена (около 1000 нуклеотидов).

У микроорганизмов, коэффициент размножения которых очень велик, только в одном цикле развития возникает огромное число мутаций. Например, считают, что для количества уредоспор, которое образует на пшенице возбудитель листовой ржавчины (Puccinia recondita tritici), требуется 1 % листовой поверхности на 1 м2 поверхности почвы, что составляет около 300 спор на 1 мм2 за сутки, точнее 10 в 11 степени спор на 1 га за сутки. Если допустить, что частота спонтанных мутаций на один локус равна 10-8, то это составляет около 1000 мутантов на локус в сутки с 1 га. Учитывая, что каждый живой организм содержит несколько тысяч генов, можно с уверенностью говорить о постоянном возникновении мутаций. Как подчеркивал Райт (1932), по отношению к эволюционным потребностям вида спонтанные мутации всегда находятся в избытке. В таблице 3.1 указана частота спонтанных мутаций некоторых генов у трех видов живых организмов.

После того как Мюллеру (1927) с помощью рентгеновских лучей удалось индуцировать мутации у плодовой мухи Drosophyla melanogaster, в генетике началась новая эра, а само индуцирование мутаций превратилось в обширное поле для генетических исследований. Позже были открыты ряд других мутагенов радиоактивного облучения, затем такие химические вещества, как алкильные агенты и аналоги щелочей, физические мутагены и т.д.

Частота возникновения индуцированных мутаций выше, чем частота спонтанных мутаций, и составляет около 10-3 - 10-5 на ген за одно поколение. Одни гены подвержены мутированию в большей степени, другие - в меньшей как при спонтанном, так и при индуцированном мутагенезе (см. табл. 3.1).

Частота естественных мутаций у некоторых видов живых организмов

Спектр спонтанных и индуцированных мутаций сходен, причем индуцированные мутации, полученные человеком, в основном найдены или могут быть найдены в природе.

В связи с тем что мутации представляют определенную ценность, можно говорить о полезных, вредных и нейтральных мутациях. Мутационный процесс носит случайный характер при возникновении как спонтанных, так и индуцированных мутаций, и управлять им невозможно; поэтому наибольшее число мутаций нейтрально т.е. не создает для индивидуума, который их несет, ни преимуществ, ни недостатков. В популяции такие мутации довольно долго сохраняют гетерозиготность, проявляются при переходе в гомозиготное состояние и могут даже иметь преимущества при изменении условий окружающей среды.

Возникающая мутация изменяет ген дикого типа развития, точнее вносит изменение в генотип относительно его адаптации к условиям среды, а все мутации являются результатом не только таутомерного сдвига, но и делеций одного или нескольких оснований ДНК, а также хромосомных аберраций. Следовательно, огромное число мутаций вредно и не обеспечивает адаптационного преимущества для своих носителей в той среде, в которой они возникли. Такие мутации элиминируются естественным или искусственным отбором.

Мутации, обеспечивающие приспособительные преимущества своим носителям, в процессе естественного отбора сохраняются. Они служат зачатком нового и имеют огромное значение в эволюции видов. Об использовании спонтанных и индуцированных мутаций в селекции растений будет сказано позднее.