Реферат
Вивчення мутаційного процесу
У 1899 р. два вчених - російська Сергій Іванович Коржинський та голландець за походженням, більшу частину свого життя пропрацював в Німеччині, Гуго де Фріз - описали явище спадкової мінливості в природних природних умовах. Серед переважної маси нормальних організмів різних видів вони виявили окремі особини, різко відрізнялися від інших за своїми зовнішніми ознаками. Ці форми де Фриз назвав мутаціями, або мутантами. Характерною особливістю мутантів було те, що свої змінені ознаки мутанти передавали нащадкам. Інакше кажучи, природа мінливості була спадковою.
У короткий термін явище виникнення спадково змінених особин було описано для багатьох рослин і тварин. Стало ясно, що виникнення мутантів серед маси нормальних особин відбувається у всіх видів живих істот. Частота виникнення мутантів виявилася приблизно однаковою у всіх досліджених видів живих організмів. У середньому один мутант виникав серед. 100 тис. або мільйона особин.
Природно, що дослідників з перших же днів появи цієї роботи почав цікавити питання про природу мутацій і причини їх виникнення. Оскільки мутації - це зміна спадкових властивостей організмів, то їх природа, мабуть, пов'язана з якимись порушеннями в складі і будівлі хромосом, що несуть генетичну запис. Але ось дізнатися, що змінюється в хромосомах при виникненні мутацій, довгий час не вдавалося. Більш того, протягом майже чверті століття генетики не могли навчитися викликати мутації штучно і знаходили мутанти тільки в природних умовах, в природі. Вивчення мутантів велося інтенсивно, але всякі спроби викликати мутації штучно закінчилися невдало.
Але от у 1925 р. в лабораторії академіка Георгія Адамовича Надсона в Ленінграді в дослідах з вивчення впливу різних опромінень на клітини мікроскопічних грибів вдалося викликати мутації штучно. Учень Г. А. Надсона, нині покійний Григорій Семенович Філіппов, в дослідах, проведених разом з С. А. Надсоном, вперше описав так званий «індукований мутагенез» у дріжджів під дією променів радію. Через два роки в США Германн Меллер показав мутагенну дію променів Рентгена на дрозофілу.
Так був відкритий радіаційний мутагенез, тобто штучне викликання мутацій при дії на живі організми різного роду випромінювань. Зараз показано, що практично всі види променистої енергії здатні змінювати спадковість всіх без винятку живих організмів - від вірусів до людини.
Довгий час викликати в лабораторії мутації за допомогою хімічних впливів не вдавалося. Багато вчених вірили в те, що це можливо, але повторювалася та сама історія, що і з радіацією. Спроб було зроблено багато, але всі вони виявлялися безрезультатними. Томас Морган в США, М. К. Кольцов в СРСР і багато інших ставили такі досліди самі і доручали їх своїм учням, але ефект був один. І тільки в 1932 р. Учень Кольцов В.В. Сахаров нарешті-то доповів про свої успішно завершених дослідах: за допомогою розчин йоду він зумів викликати мутації у личинок дрозофіли. Сахаров витримував деякий час личинки в розчині йоду йодистим калії (так як йод у чистій воді розчиняєте погано), і у особин мух, які розвивалися з цих личинок, частота мутацій виявилася підвищеною у кілька разів. Через деякий час ще в кількох лабораторіях у ССС (С. М. Гершензон, М. В. Лобашов, І. А. Рапопорт) і в ряді інших країн (в Англії - Ш. Ауербах, в Америці - М. Beстергаард та інші) було доведено мутагенну дію низки хімічних речовин. Вже після закінчення другої світової війни дослідження з вивчення хімічного мутаген стали проводитися виключно широко.
Багато років генетики вважали, що хімічний мутаген був відкритий в середині 30-х років. Але це виявилося неправильним. Ще в 1928 р. в тій же лабораторії Г. А. Надсона де було вперше встановлено мутагенну дію випромінювання, був відкритий і хімічний мутагенез. Інший учень Г. А. Надсона Максим Миколайович Мейсель, нині член-кореспондент Академії наук СРСР, довів, що пари хлороформу викликають мутації у дріжджів. Цю роботу він продовжував протягом майже десяти років. Він вивчив сотні поколінь змінених особин і показав, що, зміни стійко передаються нащадкам, крім того, він вивчив декілька хімічних речовин, що змінюють спадковість. Ці досліди не були своєчасно визнані, тому що багато вчених у той час не вірили в існування у мікробів таких же спадкових молекул, які є і у вищих організмів Тому дослідів на мікроорганізмах не дуже-то довіряли.
Але все-таки найбільш планомірні і результативні дослідження почалися після того, як була встановлена структура речовини спадковості - дезоксирибонуклеїнової кислоти. Як тільки з'ясували, які хімічні речовини складають хромосоми, стало можливим планувати так експерименти, щоб цілеспрямовано шукати все нові і нові речовини, що змінюють спадковість. Тепер відомо, що багато речовин, здатні реагувати з радикалами в ДНК: (відривати від них окремі атоми або групи їх чи, навпаки, передавати їм свої частини), можуть змінювати генетичний код. Сьогодні відкрито так багато різного роду хімічних і радіаційних мутагенів, що навіть перерахувати їх досить важко. Гідроксиламін, гідразин, азотистая кислота, різного роду акридинового барвники, аналоги азотистих основ, уретани, зміни до кислотності середовища, підвищення температури, практично всі види променистої енергії, багато отруйні та отруйні речовини (азотистий і сірчаний імпріт інші алкілуючі речовини) викликають мутації.
Мутації можна викликати в клітинах спочивали, і в клітинах діляться. Є мутагени, які виявляють свою активність незалежно від того, ділиться клітина чи ні (наприклад, багато алкілуючі агенти, тобто речовини, що передають алкільних радикал СН 3, С 2 Н 5 та ін атомам в ДНК, гідроксиламін та ін ), але є й такі, які можуть змінювати спадкову запис тільки в момент розподілу клітин, коли відбувається подвоєння молекул ДНК (наприклад, аналоги азотистих основ).
Вивчення хімії взаємодії мутагенів з ДНК виявило ще одне важливе правило. Виявилося, що більшість мутагенів взаємодіє зі строго визначеними складовими частинами в ДНК. Згадаймо, що ДНК складається з двох цукрово-фосфатних ланцюгів, до яких приєднані за їх довжиною чотири типи азотистих основ - аденін, тимін, гуанін і цитозин. Виявилося, що деякі мутагени взаємодіють тільки з цитозином, а інші тільки з аденіном. Це дозволяє використовувати в деяких випадках цілком певні речовини, щоб змінювати цілком певні частини в ДНК.
За останні кілька років стала вимальовуватися ще одна важлива закономірність. Bo час життя клітин її генетична інформація постійно бере участь в управлінні синтезами всередині клітин, адже саме в ДНК записана програма для синтезу білків в клітинах. Коли ця спадкова програма переписується особливими ферментами з молекул ДНК на інші молекули, може також відбуватися індукція помилок в ДНК. Мутації з'являються і в момент розмноження, молекул або під час обміну генетичною інформацією між хромосомами. Поступово все ясніше і ясніше стає загальне правило, що не тільки за рахунок штучних і часто незвичайних впливів на організм (отрутами або випромінюванням) відбуваються зміни в спадковості живих організмів на землі. І в звичайних умовах, за рахунок нормально протікають в організмах ферментативних процесів відбувається нагромадження помилок в ДНК, хоча, звичайно, частота цього процесу багато менше, ніж при дії сильно ушкоджувальними агентами.
Вивчення мутаційного процесу стало важливою галуззю сучасної генетики. За допомогою мутагенів вчені отримують потрібні їм організми, які потім використовуються в селекційній роботі. Практично всі мікроби-продуценту антибіотиків, вітамінів, інших біологічних активних речовин - отримані за допомогою мутагенної обробки. Мутанти все частіше використовують в селекції рослин. Так відкриття Коржинського і де Фріза було поставлено на службу людини.
Стала з'ясовуватися і молекулярна основа мутацій.
Природа молекулярних змін генів під час мутагенезу залишалася туманною до появи гіпотези Уотсона і Крику щодо структури ДНК. Вже в цій гіпотезі містилося зерно майбутніх уявлень про те, що зумовлює виникнення мутацій. На думку авторів заміна одного з нуклеотидів в парі аденін - тимін або гуанін-цитозин на не комплементарного партнера повинна була привести до зміни генетичної запису. Однак конкретна модель мутагенних змін була запропонована в 1959 р. Ернстом Фрізом і розвинена їм в наступні 3-4 роки.
Фриз припустив, що всі випадки точкових мутацій з точки зору їх молекулярної природи можна розділити на два основних типи: прості і складні заміни. При простих замінах відбувається заміна пуринового підстави пуріновим (наприклад, місце гуаніну займав аденін), а піримідинового - пірімідіновим (заміна тиміну цитозином і навпаки). При складній заміні пуриновое підстава замінюється пірімідіновим і навпаки. В даний час більш поширеними є терміни транзицію (для простих замін) і трансверсія (для складних замін).
Перехід до генетичних досліджень мікроорганізмів совершившийся відразу після другої світової війни, дав можливість колосально збільшити роздільну здатність генетичних методів. Це зручність роботи з мікробами, коли в руках дослідника в одному досвіді може виявитися до мільярда легко враховуються особин, позначилося насамперед у дослідженні молекулярних механізмів мутагенезу Е. Фриз та його колеги зуміли швидко довести, що переважна більшість мутацій є точковими. Цим на молекулярному рівні було підтверджено правило, вперше висловлене ще в 1926 р. російським генетиком С. С. Четверикова. Поряд з цим у класифікації Е. Фріза збереглися такі типи мутацій, які були раніше описані в класичній генетиці як делеція (втрата частини гена), дуплікація (подвоєння частин генів або навіть цілих генів), інверсія (переворот на 180 ° ділянок генів), транслокація (переміщення генів). Розвиток робіт з генетики бактеріофагів дозволило довести наявність ряду таких мутацій і перш за все делецій.
Однак у своєму трактуванні молекулярної природи точкових мутацій Фриз не врахував того, що поряд з транзицію і трансверсіямі можуть бути мутації, які змінюють кількість підстав в гені. Цей промах був виправлений Кембриджської школою молекулярних генетиків, які в 1961 р. спочатку передбачили (Бреннер, Барнет, Крік і Оргела), а потім експериментально довели, що поряд із замінами існують такі точкові мутації, коли один або кілька нуклеотидів впроваджуються або, навпаки, випадають із структури ДНК. Такі мутації змінюють читання всього подальшого ділянки гена від точки зміни, і вони отримали назву «мутації зсуву читання».
Винятково важливими для молекулярної теорії мутагенезу виявилися роботи з вивчення амінокислотних замін в мутантних білках, виконані на моделях бактеріальних і рослинних вірусів і білків кишкової палички.
Нарешті, останнім часом з'явилася надія з молекулярних позицій пояснити загадку виникнення повних і мозаїчних мутацій. Довгий час генетики не могли уявити переконливих пояснень, чому в деяких випадках пошкодженими виявляються відразу обидві нитки ДНК (повна мутація), в той час як в інших випадках зміни піддається тільки одна з ниток (мозаїчна мутація). Відкриття ферментних систем, що виправляють пошкодження ДНК, завдані фізичними і хімічними агентами, і з'ясування молекулярного механізму їх дії дозволило обгрунтувати тезу про те, що саме репаруючу системи переносять ушкодження з однієї нитки ДНК на іншу її нитка, викликаючи появу повної мутації (Н. П. Дубінін і В. Н. Сойфер). Цей же принцип був використаний для пояснення причин появи хромосомних, а не хроматидного мутацій стадії G 1, коли ДНК хромосом залишається не реплікується при дії на клітини агентами, що викликають репаріруемие ушкодження.
У перших же експериментах з вивчення дії радіації спадкові структури - хромосоми було виявлено, що хромосоми можуть розриватися, утворюючи фрагменти. Згодом розриви хромосом були описані і в тих випадках, коли організми або окремі клітини обробляли хімічними мутагенами. Але природа виникнення розривів, залишалася незрозумілою до самого останнього часу.
В життєвому циклі клітини можна відзначити наступні основні етапи: у фазі G 1 клітина готується до подвоєння її генетичних структур. У цій фазі хромосоми більшості клітин містять одну двунітевих молекулу ДНК. У фазі S відбувається подвоєння генетичного матеріалу - реплікація молекул ДНК, і клітини вступають у фазу G 2, коли їх хромосоми містять вже дві копії - хроматиди, кожна з яких несе по одній двунітевой молекулі.
У результаті численних робіт з вивчення хімії взаємодії мутагенів з ДНК було встановлено, що, як правило, пошкодження піддається тільки одна нитка ДНК, а інша залишається неушкодженою. Якщо це так, то ДНК, пошкоджена у фазі G 1 або G 2, могла б нести тільки хроматидного мутації. Після реплікації пошкодження однієї нитки ДНК передалося б її дочірньої копії - хроматид, а друга хроматида, синтезована на непошкодженою нитки ДНК, залишалася б нормальною. Однак в експериментах було знайдено, що нерідко пошкодження захоплює обидві нитки ДНК і обидві хроматиди відразу. У цьому й полягала основна складність в розумінні природи мутагенезу. У 1968 р. Н. П. Дубініним і В. Н. Сойфер була запропонована модель, що пояснює цю основну трудність і дозволяє зрозуміти молекулярний механізм цього явища.
За останні роки були відкриті особливі ферментні системи, що стежать за збереженням цілісності генетичного матеріалу клітини і названі репаруючу системам. Найбільший інтерес представляють ферменти так званої темнової репарації.
Якщо в ДНК виникає пошкодження, яке може бути виявиться репаруючу ферментами, то перш за все відбувається надріз ДНК поблизу місця пошкодження. Слідом за цим ділянка, що містить в собі пошкодження, вирізається з структури ДНК, а що утворилася дірка розширюється подібно до того, як при операціях хірурги вичищають деякий ділянку здорової тканини навколо віддаленого ушкодження. Два наступних етапу - забудова утвореної проломи здоровим матеріалом і з'єднання забудованої ділянки зі старою ниткою ДНК. Така репарація може відбуватися на будь-якій стадії клітини і, що найголовніше, - за відсутності реплікації ДНК.
У 1968 р. два американських дослідника Фред Рапп і Пауль Говард-Фландерс експериментально показали, що при деяких типах поразки ДНК (при з'єднанні двох поруч розташованих в ДНК тимінових залишків в так званий димер тиміну), проти них при синтезі ДНК залишається налаштована пролом, і цей пролом виявляється довго живучі Таким чином, система «пошкодження - опозитний пролом» може існувати в ДНК тривалий час.
Це цікаве спостереження Раппа і Говарда-Фландерса було враховано при створенні моделі хромосомних перебудов і повних генних мутацій.
Почнемо виклад моделі з того моменту, коли одна з ниток ДНК отримала ушкодження. Якщо це пошкодження може бути виявиться репаруючу ферментами, то можуть бути принципово дві можливості - або саме ушкодження буде вирізане і потім зарепаріровано з відновленням нормальної структури, або - фермент закономірно або помилково виріже не сам пошкоджену ділянку, а протилежний йому. Принциповою відмінністю поразок, впізнаваних репаруючу ферментами, від тих, які залишаються не ідентифікованими ними, є порушення правильності спіралі ДНК Уотсона-Кріка. Підтвердження цього припущення було отримано автором цієї статті у дослідах з мутагеном - гідроксиламіном. Цей агент діє на цитозинових заснування в ДНК, і мутагенну наслідок обробки гідроксиламіном полягає в перекладі цитозину за рахунок дезамінування (відриву групи амінів) у урацил. Оскільки урацил злучається не з гуаніном, як це робив цитозин, а з аденіном, то відбувається заміна пари гуанін-цитозин на пару аденін-тимін, іншими словами, виникає точкова мутація. Перехід цитозину в урацил може не супроводжуватися порушенням конфігурації ДНК, і згідно з нашим припущенням пошкодження від гідроксиламіну не повинні дізнаватися репаруючу ферментами. Це було зареєстровано в дослідах з бактеріофагом лямбда. Фаги оброблялися розчином гідроксиламіну, і за ступенем інактивації фага судили про репаріруемості генетичних пошкоджень. Збіг кривих виживаності фага в нормальних бактеріальних клітинах і мутантних клітинах свідчило про відсутність репарації.
Таким чином, репарація тих пошкоджень, які порушують вторинну структуру ДНК, повинна супроводжуватися вирізуванням або самого пошкодження або протилежного йому. Однак наслідки цих двох актів будуть абсолютно різними. Ділянка ДНК, в якому пошкодження, вирізане, буде швидко зарепарірован. Але як було показано американськими біохіміками Раппом і Говард-Фландерс в 1968 р., молекула ДНК, що несе пролом проти і пошкодженої ділянки, буде довгий час залишатися незалікованою через те, що пошкодження буде заважати репаруючу ферментам закладати пролом в молекулі. У такому випадку будь-яке повторне «проходження» блоку репаруючу ферментів, що стежать за «правильністю» молекул ДНК, призведе до вирізання залишився без вилікуваним пошкодженої ділянки. Але в силу того, що перше вирізання залишалося незагоєні, друге вирізання закінчиться розпадом молекули ДНК на фрагменти. Розпад молекули ДНК спричинить за собою розвал і самої хромосоми. Наслідком всього процесу буде виникнення хромосомної перебудови в молекулі, первинно пошкодженої тільки в однієї нитки.
Викладена ідея дозволяє зрозуміти багато експериментальні факти, що стосуються виникнення хромосомних і хроматидного розривів. Найбільша частота хромосомних розривів спостерігається саме з тими мутагенами, які викликають порушення вторинної структури ДНК, а найбільша частота хроматидного розривів - з тими мутагенами, які не порушують спіралі Уотсона-Кріка
Яка ж доля відірвалася фрагмента ДНК? По-перше, він може бути загублений, і це призведе до загибелі клітини, наприклад, за рахунок порушення ділення клітин. По-друге він може перейти в іншу хромосому, утворивши транслокації. Цей спосіб генетичного обміну здійснюється рахунок процесу кросинговеру, або рекомбінації, як його прийнято зараз називати. Процес переходу відірваного шматка хромосоми до нової хромосомі можна представити таким чином. Якщо в відірвався фрагменті є послідовність підстав, комплементарна до послідовності підстав в іншій хромосомі, то фрагмент зможе з'єднатися з цією хромосомою і потім утворити транслокації. '
Принципово той же механізм може бути запропонований для випадків повних генних мутацій. Хоча, як показали Рапп і Говард-Фландерс, швидкість забудови проломів в пошкодженій молекулі ДНК низька, але все ж забудова має місце.
При такій забудові, безсумнівно, синтезується ділянка буде відрізнятися від вихідної структури. Це відбудеться тому, що матрицею для репаративного синтезу буде служити пошкоджену ділянку оппозитной нитки, що і закінчиться вставкою невірних підстав. Саме явище вставки невірних підстав відразу після опромінення ультрафіолетом спостерігалося у низці експериментів. Американські генетики Сетлоу, Каррір і Боллум в експериментах з ДНК, опроміненої ультрафіолетовим світлом, виявили, що в синтезованих на такий ДНК молекулах інформаційних РНК є набагато менше АА-послідовностей (тобто розташованих поруч двох аденілових залишків), ніж в і-РНК , побудованих на неопромінених матрицях. Американський біохімік Яновський і співробітники також зазначили, що після пошкодження цитозинових нуклеотидів, розташованих поруч в гені лужної фосфатази кишкової палички, відбувається синтез зміненої і-РНК, що закінчується підстановкою в білок невірної амінокислоти.
Таким чином, основною умовою появи повної мутації повинна бути репарабельность первинного ураження. Нерепаріруемие пошкодження повинні призводити до мозаїцизм, а більша частина репаріруемих ушкоджень закінчуватися повними мутаціями.
Можна думати, що серед репарабельних поразок існують два класи. Перший складається з тих поразок, які змінюють вторинну конфігурацію ДНК і в момент репаративного синтезу спаровуються з комплементарним партнером, новим для даного сайту. Основним для появи повної мутації в цьому випадку є те, що утворилася пара не буде далі змінювати конфігурацію ДНК-Тим самим для появи повної мутації досить єдиного акту вирізання з наступним репаративну синтезом.
Другий клас повинні складати такі поразки ДНК, які змінюють вторинну конфігурацію ДНК і, отже, репаруючу з невірним для цієї ділянки партнером. Однак, навіть СПАР, пошкоджене підставу буде як і раніше порушувати нормальну структуру, і дізнаватися ферментом - репаруючу ендонуклеаз. Тому стабілізація мутації настане лише після вторинного вирізання тепер вже самого пошкодженого підстави. Прикладами змін такого роду можуть бути алкілованих підстави, дімерізованние тимін і т. д.
Ми можемо назвати перший тип поразок ДНК мутаційним, оскільки при такому ураженні відразу формується стабільний змінене підставу. Другий тип в такому випадок може бути названий мутагенним, так як він створює передумови для невірного спаровування, але сам повинен бути усунутий, і на його місце повинен встати нуклеотид, комплементарний заснуванню в репарирувати ділянці.
Список літератури
1. Азімов А. Коротка історія біології. М., 1997.
2. Кемп П., Армс К. Введення в біологію. М., 2000.
3. Лібберт Е. Загальна біологія. М., 1978 Льоцці М. Історія фізики. М., 2001.
4. Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. М., 1999.
5. Небел Б. Наука про навколишнє середовище. Як влаштований світ. М., 1993.
Вивчення мутаційного процесу
У 1899 р. два вчених - російська Сергій Іванович Коржинський та голландець за походженням, більшу частину свого життя пропрацював в Німеччині, Гуго де Фріз - описали явище спадкової мінливості в природних природних умовах. Серед переважної маси нормальних організмів різних видів вони виявили окремі особини, різко відрізнялися від інших за своїми зовнішніми ознаками. Ці форми де Фриз назвав мутаціями, або мутантами. Характерною особливістю мутантів було те, що свої змінені ознаки мутанти передавали нащадкам. Інакше кажучи, природа мінливості була спадковою.
У короткий термін явище виникнення спадково змінених особин було описано для багатьох рослин і тварин. Стало ясно, що виникнення мутантів серед маси нормальних особин відбувається у всіх видів живих істот. Частота виникнення мутантів виявилася приблизно однаковою у всіх досліджених видів живих організмів. У середньому один мутант виникав серед. 100 тис. або мільйона особин.
Природно, що дослідників з перших же днів появи цієї роботи почав цікавити питання про природу мутацій і причини їх виникнення. Оскільки мутації - це зміна спадкових властивостей організмів, то їх природа, мабуть, пов'язана з якимись порушеннями в складі і будівлі хромосом, що несуть генетичну запис. Але ось дізнатися, що змінюється в хромосомах при виникненні мутацій, довгий час не вдавалося. Більш того, протягом майже чверті століття генетики не могли навчитися викликати мутації штучно і знаходили мутанти тільки в природних умовах, в природі. Вивчення мутантів велося інтенсивно, але всякі спроби викликати мутації штучно закінчилися невдало.
Але от у 1925 р. в лабораторії академіка Георгія Адамовича Надсона в Ленінграді в дослідах з вивчення впливу різних опромінень на клітини мікроскопічних грибів вдалося викликати мутації штучно. Учень Г. А. Надсона, нині покійний Григорій Семенович Філіппов, в дослідах, проведених разом з С. А. Надсоном, вперше описав так званий «індукований мутагенез» у дріжджів під дією променів радію. Через два роки в США Германн Меллер показав мутагенну дію променів Рентгена на дрозофілу.
Так був відкритий радіаційний мутагенез, тобто штучне викликання мутацій при дії на живі організми різного роду випромінювань. Зараз показано, що практично всі види променистої енергії здатні змінювати спадковість всіх без винятку живих організмів - від вірусів до людини.
Довгий час викликати в лабораторії мутації за допомогою хімічних впливів не вдавалося. Багато вчених вірили в те, що це можливо, але повторювалася та сама історія, що і з радіацією. Спроб було зроблено багато, але всі вони виявлялися безрезультатними. Томас Морган в США, М. К. Кольцов в СРСР і багато інших ставили такі досліди самі і доручали їх своїм учням, але ефект був один. І тільки в 1932 р. Учень Кольцов В.В. Сахаров нарешті-то доповів про свої успішно завершених дослідах: за допомогою розчин йоду він зумів викликати мутації у личинок дрозофіли. Сахаров витримував деякий час личинки в розчині йоду йодистим калії (так як йод у чистій воді розчиняєте погано), і у особин мух, які розвивалися з цих личинок, частота мутацій виявилася підвищеною у кілька разів. Через деякий час ще в кількох лабораторіях у ССС (С. М. Гершензон, М. В. Лобашов, І. А. Рапопорт) і в ряді інших країн (в Англії - Ш. Ауербах, в Америці - М. Beстергаард та інші) було доведено мутагенну дію низки хімічних речовин. Вже після закінчення другої світової війни дослідження з вивчення хімічного мутаген стали проводитися виключно широко.
Багато років генетики вважали, що хімічний мутаген був відкритий в середині 30-х років. Але це виявилося неправильним. Ще в 1928 р. в тій же лабораторії Г. А. Надсона де було вперше встановлено мутагенну дію випромінювання, був відкритий і хімічний мутагенез. Інший учень Г. А. Надсона Максим Миколайович Мейсель, нині член-кореспондент Академії наук СРСР, довів, що пари хлороформу викликають мутації у дріжджів. Цю роботу він продовжував протягом майже десяти років. Він вивчив сотні поколінь змінених особин і показав, що, зміни стійко передаються нащадкам, крім того, він вивчив декілька хімічних речовин, що змінюють спадковість. Ці досліди не були своєчасно визнані, тому що багато вчених у той час не вірили в існування у мікробів таких же спадкових молекул, які є і у вищих організмів Тому дослідів на мікроорганізмах не дуже-то довіряли.
Але все-таки найбільш планомірні і результативні дослідження почалися після того, як була встановлена структура речовини спадковості - дезоксирибонуклеїнової кислоти. Як тільки з'ясували, які хімічні речовини складають хромосоми, стало можливим планувати так експерименти, щоб цілеспрямовано шукати все нові і нові речовини, що змінюють спадковість. Тепер відомо, що багато речовин, здатні реагувати з радикалами в ДНК: (відривати від них окремі атоми або групи їх чи, навпаки, передавати їм свої частини), можуть змінювати генетичний код. Сьогодні відкрито так багато різного роду хімічних і радіаційних мутагенів, що навіть перерахувати їх досить важко. Гідроксиламін, гідразин, азотистая кислота, різного роду акридинового барвники, аналоги азотистих основ, уретани, зміни до кислотності середовища, підвищення температури, практично всі види променистої енергії, багато отруйні та отруйні речовини (азотистий і сірчаний імпріт інші алкілуючі речовини) викликають мутації.
Мутації можна викликати в клітинах спочивали, і в клітинах діляться. Є мутагени, які виявляють свою активність незалежно від того, ділиться клітина чи ні (наприклад, багато алкілуючі агенти, тобто речовини, що передають алкільних радикал СН 3, С 2 Н 5 та ін атомам в ДНК, гідроксиламін та ін ), але є й такі, які можуть змінювати спадкову запис тільки в момент розподілу клітин, коли відбувається подвоєння молекул ДНК (наприклад, аналоги азотистих основ).
Вивчення хімії взаємодії мутагенів з ДНК виявило ще одне важливе правило. Виявилося, що більшість мутагенів взаємодіє зі строго визначеними складовими частинами в ДНК. Згадаймо, що ДНК складається з двох цукрово-фосфатних ланцюгів, до яких приєднані за їх довжиною чотири типи азотистих основ - аденін, тимін, гуанін і цитозин. Виявилося, що деякі мутагени взаємодіють тільки з цитозином, а інші тільки з аденіном. Це дозволяє використовувати в деяких випадках цілком певні речовини, щоб змінювати цілком певні частини в ДНК.
За останні кілька років стала вимальовуватися ще одна важлива закономірність. Bo час життя клітин її генетична інформація постійно бере участь в управлінні синтезами всередині клітин, адже саме в ДНК записана програма для синтезу білків в клітинах. Коли ця спадкова програма переписується особливими ферментами з молекул ДНК на інші молекули, може також відбуватися індукція помилок в ДНК. Мутації з'являються і в момент розмноження, молекул або під час обміну генетичною інформацією між хромосомами. Поступово все ясніше і ясніше стає загальне правило, що не тільки за рахунок штучних і часто незвичайних впливів на організм (отрутами або випромінюванням) відбуваються зміни в спадковості живих організмів на землі. І в звичайних умовах, за рахунок нормально протікають в організмах ферментативних процесів відбувається нагромадження помилок в ДНК, хоча, звичайно, частота цього процесу багато менше, ніж при дії сильно ушкоджувальними агентами.
Вивчення мутаційного процесу стало важливою галуззю сучасної генетики. За допомогою мутагенів вчені отримують потрібні їм організми, які потім використовуються в селекційній роботі. Практично всі мікроби-продуценту антибіотиків, вітамінів, інших біологічних активних речовин - отримані за допомогою мутагенної обробки. Мутанти все частіше використовують в селекції рослин. Так відкриття Коржинського і де Фріза було поставлено на службу людини.
Стала з'ясовуватися і молекулярна основа мутацій.
Природа молекулярних змін генів під час мутагенезу залишалася туманною до появи гіпотези Уотсона і Крику щодо структури ДНК. Вже в цій гіпотезі містилося зерно майбутніх уявлень про те, що зумовлює виникнення мутацій. На думку авторів заміна одного з нуклеотидів в парі аденін - тимін або гуанін-цитозин на не комплементарного партнера повинна була привести до зміни генетичної запису. Однак конкретна модель мутагенних змін була запропонована в 1959 р. Ернстом Фрізом і розвинена їм в наступні 3-4 роки.
Фриз припустив, що всі випадки точкових мутацій з точки зору їх молекулярної природи можна розділити на два основних типи: прості і складні заміни. При простих замінах відбувається заміна пуринового підстави пуріновим (наприклад, місце гуаніну займав аденін), а піримідинового - пірімідіновим (заміна тиміну цитозином і навпаки). При складній заміні пуриновое підстава замінюється пірімідіновим і навпаки. В даний час більш поширеними є терміни транзицію (для простих замін) і трансверсія (для складних замін).
Перехід до генетичних досліджень мікроорганізмів совершившийся відразу після другої світової війни, дав можливість колосально збільшити роздільну здатність генетичних методів. Це зручність роботи з мікробами, коли в руках дослідника в одному досвіді може виявитися до мільярда легко враховуються особин, позначилося насамперед у дослідженні молекулярних механізмів мутагенезу Е. Фриз та його колеги зуміли швидко довести, що переважна більшість мутацій є точковими. Цим на молекулярному рівні було підтверджено правило, вперше висловлене ще в 1926 р. російським генетиком С. С. Четверикова. Поряд з цим у класифікації Е. Фріза збереглися такі типи мутацій, які були раніше описані в класичній генетиці як делеція (втрата частини гена), дуплікація (подвоєння частин генів або навіть цілих генів), інверсія (переворот на 180 ° ділянок генів), транслокація (переміщення генів). Розвиток робіт з генетики бактеріофагів дозволило довести наявність ряду таких мутацій і перш за все делецій.
Однак у своєму трактуванні молекулярної природи точкових мутацій Фриз не врахував того, що поряд з транзицію і трансверсіямі можуть бути мутації, які змінюють кількість підстав в гені. Цей промах був виправлений Кембриджської школою молекулярних генетиків, які в 1961 р. спочатку передбачили (Бреннер, Барнет, Крік і Оргела), а потім експериментально довели, що поряд із замінами існують такі точкові мутації, коли один або кілька нуклеотидів впроваджуються або, навпаки, випадають із структури ДНК. Такі мутації змінюють читання всього подальшого ділянки гена від точки зміни, і вони отримали назву «мутації зсуву читання».
Винятково важливими для молекулярної теорії мутагенезу виявилися роботи з вивчення амінокислотних замін в мутантних білках, виконані на моделях бактеріальних і рослинних вірусів і білків кишкової палички.
Нарешті, останнім часом з'явилася надія з молекулярних позицій пояснити загадку виникнення повних і мозаїчних мутацій. Довгий час генетики не могли уявити переконливих пояснень, чому в деяких випадках пошкодженими виявляються відразу обидві нитки ДНК (повна мутація), в той час як в інших випадках зміни піддається тільки одна з ниток (мозаїчна мутація). Відкриття ферментних систем, що виправляють пошкодження ДНК, завдані фізичними і хімічними агентами, і з'ясування молекулярного механізму їх дії дозволило обгрунтувати тезу про те, що саме репаруючу системи переносять ушкодження з однієї нитки ДНК на іншу її нитка, викликаючи появу повної мутації (Н. П. Дубінін і В. Н. Сойфер). Цей же принцип був використаний для пояснення причин появи хромосомних, а не хроматидного мутацій стадії G 1, коли ДНК хромосом залишається не реплікується при дії на клітини агентами, що викликають репаріруемие ушкодження.
У перших же експериментах з вивчення дії радіації спадкові структури - хромосоми було виявлено, що хромосоми можуть розриватися, утворюючи фрагменти. Згодом розриви хромосом були описані і в тих випадках, коли організми або окремі клітини обробляли хімічними мутагенами. Але природа виникнення розривів, залишалася незрозумілою до самого останнього часу.
В життєвому циклі клітини можна відзначити наступні основні етапи: у фазі G 1 клітина готується до подвоєння її генетичних структур. У цій фазі хромосоми більшості клітин містять одну двунітевих молекулу ДНК. У фазі S відбувається подвоєння генетичного матеріалу - реплікація молекул ДНК, і клітини вступають у фазу G 2, коли їх хромосоми містять вже дві копії - хроматиди, кожна з яких несе по одній двунітевой молекулі.
У результаті численних робіт з вивчення хімії взаємодії мутагенів з ДНК було встановлено, що, як правило, пошкодження піддається тільки одна нитка ДНК, а інша залишається неушкодженою. Якщо це так, то ДНК, пошкоджена у фазі G 1 або G 2, могла б нести тільки хроматидного мутації. Після реплікації пошкодження однієї нитки ДНК передалося б її дочірньої копії - хроматид, а друга хроматида, синтезована на непошкодженою нитки ДНК, залишалася б нормальною. Однак в експериментах було знайдено, що нерідко пошкодження захоплює обидві нитки ДНК і обидві хроматиди відразу. У цьому й полягала основна складність в розумінні природи мутагенезу. У 1968 р. Н. П. Дубініним і В. Н. Сойфер була запропонована модель, що пояснює цю основну трудність і дозволяє зрозуміти молекулярний механізм цього явища.
За останні роки були відкриті особливі ферментні системи, що стежать за збереженням цілісності генетичного матеріалу клітини і названі репаруючу системам. Найбільший інтерес представляють ферменти так званої темнової репарації.
Якщо в ДНК виникає пошкодження, яке може бути виявиться репаруючу ферментами, то перш за все відбувається надріз ДНК поблизу місця пошкодження. Слідом за цим ділянка, що містить в собі пошкодження, вирізається з структури ДНК, а що утворилася дірка розширюється подібно до того, як при операціях хірурги вичищають деякий ділянку здорової тканини навколо віддаленого ушкодження. Два наступних етапу - забудова утвореної проломи здоровим матеріалом і з'єднання забудованої ділянки зі старою ниткою ДНК. Така репарація може відбуватися на будь-якій стадії клітини і, що найголовніше, - за відсутності реплікації ДНК.
У 1968 р. два американських дослідника Фред Рапп і Пауль Говард-Фландерс експериментально показали, що при деяких типах поразки ДНК (при з'єднанні двох поруч розташованих в ДНК тимінових залишків в так званий димер тиміну), проти них при синтезі ДНК залишається налаштована пролом, і цей пролом виявляється довго живучі Таким чином, система «пошкодження - опозитний пролом» може існувати в ДНК тривалий час.
Це цікаве спостереження Раппа і Говарда-Фландерса було враховано при створенні моделі хромосомних перебудов і повних генних мутацій.
Почнемо виклад моделі з того моменту, коли одна з ниток ДНК отримала ушкодження. Якщо це пошкодження може бути виявиться репаруючу ферментами, то можуть бути принципово дві можливості - або саме ушкодження буде вирізане і потім зарепаріровано з відновленням нормальної структури, або - фермент закономірно або помилково виріже не сам пошкоджену ділянку, а протилежний йому. Принциповою відмінністю поразок, впізнаваних репаруючу ферментами, від тих, які залишаються не ідентифікованими ними, є порушення правильності спіралі ДНК Уотсона-Кріка. Підтвердження цього припущення було отримано автором цієї статті у дослідах з мутагеном - гідроксиламіном. Цей агент діє на цитозинових заснування в ДНК, і мутагенну наслідок обробки гідроксиламіном полягає в перекладі цитозину за рахунок дезамінування (відриву групи амінів) у урацил. Оскільки урацил злучається не з гуаніном, як це робив цитозин, а з аденіном, то відбувається заміна пари гуанін-цитозин на пару аденін-тимін, іншими словами, виникає точкова мутація. Перехід цитозину в урацил може не супроводжуватися порушенням конфігурації ДНК, і згідно з нашим припущенням пошкодження від гідроксиламіну не повинні дізнаватися репаруючу ферментами. Це було зареєстровано в дослідах з бактеріофагом лямбда. Фаги оброблялися розчином гідроксиламіну, і за ступенем інактивації фага судили про репаріруемості генетичних пошкоджень. Збіг кривих виживаності фага в нормальних бактеріальних клітинах і мутантних клітинах свідчило про відсутність репарації.
Таким чином, репарація тих пошкоджень, які порушують вторинну структуру ДНК, повинна супроводжуватися вирізуванням або самого пошкодження або протилежного йому. Однак наслідки цих двох актів будуть абсолютно різними. Ділянка ДНК, в якому пошкодження, вирізане, буде швидко зарепарірован. Але як було показано американськими біохіміками Раппом і Говард-Фландерс в 1968 р., молекула ДНК, що несе пролом проти і пошкодженої ділянки, буде довгий час залишатися незалікованою через те, що пошкодження буде заважати репаруючу ферментам закладати пролом в молекулі. У такому випадку будь-яке повторне «проходження» блоку репаруючу ферментів, що стежать за «правильністю» молекул ДНК, призведе до вирізання залишився без вилікуваним пошкодженої ділянки. Але в силу того, що перше вирізання залишалося незагоєні, друге вирізання закінчиться розпадом молекули ДНК на фрагменти. Розпад молекули ДНК спричинить за собою розвал і самої хромосоми. Наслідком всього процесу буде виникнення хромосомної перебудови в молекулі, первинно пошкодженої тільки в однієї нитки.
Викладена ідея дозволяє зрозуміти багато експериментальні факти, що стосуються виникнення хромосомних і хроматидного розривів. Найбільша частота хромосомних розривів спостерігається саме з тими мутагенами, які викликають порушення вторинної структури ДНК, а найбільша частота хроматидного розривів - з тими мутагенами, які не порушують спіралі Уотсона-Кріка
Яка ж доля відірвалася фрагмента ДНК? По-перше, він може бути загублений, і це призведе до загибелі клітини, наприклад, за рахунок порушення ділення клітин. По-друге він може перейти в іншу хромосому, утворивши транслокації. Цей спосіб генетичного обміну здійснюється рахунок процесу кросинговеру, або рекомбінації, як його прийнято зараз називати. Процес переходу відірваного шматка хромосоми до нової хромосомі можна представити таким чином. Якщо в відірвався фрагменті є послідовність підстав, комплементарна до послідовності підстав в іншій хромосомі, то фрагмент зможе з'єднатися з цією хромосомою і потім утворити транслокації. '
Принципово той же механізм може бути запропонований для випадків повних генних мутацій. Хоча, як показали Рапп і Говард-Фландерс, швидкість забудови проломів в пошкодженій молекулі ДНК низька, але все ж забудова має місце.
При такій забудові, безсумнівно, синтезується ділянка буде відрізнятися від вихідної структури. Це відбудеться тому, що матрицею для репаративного синтезу буде служити пошкоджену ділянку оппозитной нитки, що і закінчиться вставкою невірних підстав. Саме явище вставки невірних підстав відразу після опромінення ультрафіолетом спостерігалося у низці експериментів. Американські генетики Сетлоу, Каррір і Боллум в експериментах з ДНК, опроміненої ультрафіолетовим світлом, виявили, що в синтезованих на такий ДНК молекулах інформаційних РНК є набагато менше АА-послідовностей (тобто розташованих поруч двох аденілових залишків), ніж в і-РНК , побудованих на неопромінених матрицях. Американський біохімік Яновський і співробітники також зазначили, що після пошкодження цитозинових нуклеотидів, розташованих поруч в гені лужної фосфатази кишкової палички, відбувається синтез зміненої і-РНК, що закінчується підстановкою в білок невірної амінокислоти.
Таким чином, основною умовою появи повної мутації повинна бути репарабельность первинного ураження. Нерепаріруемие пошкодження повинні призводити до мозаїцизм, а більша частина репаріруемих ушкоджень закінчуватися повними мутаціями.
Можна думати, що серед репарабельних поразок існують два класи. Перший складається з тих поразок, які змінюють вторинну конфігурацію ДНК і в момент репаративного синтезу спаровуються з комплементарним партнером, новим для даного сайту. Основним для появи повної мутації в цьому випадку є те, що утворилася пара не буде далі змінювати конфігурацію ДНК-Тим самим для появи повної мутації досить єдиного акту вирізання з наступним репаративну синтезом.
Другий клас повинні складати такі поразки ДНК, які змінюють вторинну конфігурацію ДНК і, отже, репаруючу з невірним для цієї ділянки партнером. Однак, навіть СПАР, пошкоджене підставу буде як і раніше порушувати нормальну структуру, і дізнаватися ферментом - репаруючу ендонуклеаз. Тому стабілізація мутації настане лише після вторинного вирізання тепер вже самого пошкодженого підстави. Прикладами змін такого роду можуть бути алкілованих підстави, дімерізованние тимін і т. д.
Ми можемо назвати перший тип поразок ДНК мутаційним, оскільки при такому ураженні відразу формується стабільний змінене підставу. Другий тип в такому випадок може бути названий мутагенним, так як він створює передумови для невірного спаровування, але сам повинен бути усунутий, і на його місце повинен встати нуклеотид, комплементарний заснуванню в репарирувати ділянці.
Список літератури
1. Азімов А. Коротка історія біології. М., 1997.
2. Кемп П., Армс К. Введення в біологію. М., 2000.
3. Лібберт Е. Загальна біологія. М., 1978 Льоцці М. Історія фізики. М., 2001.
4. Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. М., 1999.
5. Небел Б. Наука про навколишнє середовище. Як влаштований світ. М., 1993.