МУТАЦИЯ

МУТАЦИЯ (лат. mutatio изменение, перемена) — всеобщее свойство живых организмов, лежащее в основе эволюции и селекции всех форм жизни и заключающееся во внезапно возникающем изменении генетической информации. Для медицины изучение природы Мутаций чрезвычайно важно с точки зрения профилактики и лечения наследственных болезней (см.).

Внезапное возникновение наследственных изменений было описано еще в 18—19 вв. Это явление было известно и Ч. Дарвину. Однако изучение явления Мутаций началось только после сформирования экспериментальной генетики как науки с начала 20 в. Термин «мутация» в современном понимании стал употребляться в научной литературе с 1901 г. после выхода в свет книги X. де Фриса «Мутационная теория». Ранее словом «мутация» называли особи, отклоняющиеся по своим признакам от нормальных индивидов.

После установления того факта, что генетическая информация записана в молекулах нуклеиновых к-т, в теории Мутаций произошел коренной перелом (см. Ген, Дезоксирибонуклеиновые кислоты). Позже было установлено, что наследуемые изменения могут происходить не только в ДНК хромосом, но и в ДНК цитоплазматических самовоспроизводящихся структур. В этом случае говорят о цитоплазматических Мутациях

Процесс возникновения М. в естественных условиях или в результате экспериментального воздействия различных физ., хим. и биол, факторов называют мутагенезом (см.).

Особь, несущую М., действие к-рой проявляется в фенотипе, называют мутантом. М. могут изменять внешние признаки особи, ее физические особенности, биохим, процессы, нарушать процессы развития, ослаблять жизнеспособность (сублетальные М.) или даже приводить к гибели особи (летальные М.) и т. д. Наряду с М., влияние к-рых на развитие особи выражено отчетливо, существуют М., слабо изменяющие нормальное развитие особи. Такие М. получили название малых. М. могут возникнуть в зародышевых и в соматических клетках, в клетках культуры ткани и, наконец, в выделенных из клеток молекулах ДНК.

По действию М. могут быть вредными, нейтральными и полезными, правда, такая их оценка относительна, поскольку эффект М. зависит от условий окружающей среды. Напр., для бабочек, живущих на березах, М. меланизма вредны, ибо темных бабочек на светлых стволах берез легче обнаруживают птицы. Однако в индустриальных р-нах, где стволы деревьев темнее, М. меланизма стали полезными.

Учитывая значение М. для последующих поколений, их делят на генеративные и соматические. Генеративные М. возникают в зародышевых клетках и переходят в последующие поколения. Соматические М. не передаются потомству. Появляясь в одиночной клетке тела, они наследуются только потомками этой клетки, образуя в организме мутантную ткань. Естественно, что в случае вегетативного размножения соматические М. могут сохраняться длительно. Соматические М. широко известны и для животных организмов. У дрозофилы на ранних стадиях развития глаза нормальный аллель (см. Аллели), определяющий красную окраску глаз, в отдельной клетке может мутировать в аллель, определяющий белую окраску глаз. Клетка, содержащая вновь появившийся аллель, дает начало ткани, занимающей часть глаза, в результате чего на фоне красной окраски в глазу такой дрозофилы появляется сектор белого цвета (см. Мозаицизм). Соматическая М., возникающая на той или иной стадии онтогенеза, генетически выделяет исходную клетку и произошедшую из нее ткань, что в нек-рых случаях позволяет изучить закономерности индивидуального развития. Соматические М. могут оказать серьезное влияние на жизнь особи. Организм человека состоит примерно из 10¹⁴ клеток. Если предположить, что нек-рый определенный ген мутирует с такой низкой частотой, как 10^-8, то и в этом случае в организме человека должно содержаться более 10⁶ клеток, несущих М. только в данном гене. Число генов у человека условно равно 10⁵. Даже если допустить, что частота мутирования предельно низкая (10^-8), все равно получается огромное число мутантных клеток (10¹¹). Это показывает, что очень большая популяция клеток тела человека испытывает на себе влияние М. Мутабельность, т. е. способность изменяться, резко повышена в клетках раковых опухолей. По-видимому, в ряде случаев появление рака объясняется соматическими М. с последующей тканевой селекцией.

Успешное развитие исследований по культивированию тканей человека позволило в прямых опытах определять частоту М. генов в клетках, а также исследовать генетическую природу злокачественного роста в эксперименте.

Признаки, присущие данному виду, вырабатываются в процессе эволюции и контролируются нормальными аллелями, к-рые обычно доминантны по отношению к другому гену аллельной пары. Очевидно, что мутационный процесс, идущий в нормальных особях, в основном превращает доминантные нормальные аллели в мутантные рецессивные. Однако процесс мутирования обратим. Последующие М. в мутантном гене приводят к появлению не только серии других рецессивных аллелей, но и к возникновению нормальных доминантных аллелей. Изменения нормальных аллелей в мутантные называют прямыми мутациями (А -> а), превращения мутантных рецессивных аллелей в нормальные доминантные — обратными мутациями (а -> А).

В естественных условиях М. появляются под влиянием факторов внешней и внутренней среды и обозначаются термином «естественные (или спонтанные) мутации». М., полученные в условиях эксперимента, называют индуцированными. Агенты, вызывающие М., получили название мутагенов (см.). В процессе естественного мутирования гены мутируют с определенной частотой. Средняя частота М. на один ген в одном поколении у бактерий — 10^-7, у дрозофилы в зародышевых клетках — 10^-5 и т. д.

В одном и том же организме разные гены мутируют с разной частотой. Из восьми генов эндосперма кукурузы ген, контролирующий окраску, мутирует с частотой 496*10^-6, ген Wx, контролирующий крахмалистость эндосперма, мутирует в 330 раз реже, с частотой, равной всего лишь 1,5*10^-6. Частота мутирования остальных шести генов представляет среднюю величину между приведенными крайними значениями.

Определение частоты М. у человека гораздо сложнее, чем у бактерий или растений. Однако в нек-рых случаях она примерно установлена. Так, ген кишечного полипоза мутирует с частотой 10^-4, а ген прогрессирующей мышечной дистрофии — с частотой 10^-5. Частота мутирования при прямых М. (А —> а), как правило, выше, чем частота мутирования при обратных М. (а —> А); соотношение прямых и обратных М. характерно для каждого отдельного гена. Если учитывать частоту прямых и обратных М. суммарно по многим генам, то становится ясно, что процесс мутирования — это массовый, статистически хорошо фиксируемый процесс.

В 1921 г. Райт (S. Wright) предложил называть устойчивость массового процесса мутирования термином «давление мутаций», к-рый характеризует естественную жизнь популяций организмов (см. Популяционная генетика). Прямые и обратные М. не обязательно являются скачком от одного состояния только к другому. Рецессивные и доминантные аллели изменяются многообразно, в результате из одного и того же локуса (см.) в разных организмах возникает множество аллелей. Изучение популяций показало, что в нек-рых случаях количество аллелей для отдельных генов исчисляется десятками и даже сотнями. Ген W, локализованный в Х-хромосоме у дрозофилы и определяющий цвет глаз, имеет более десятка аллелей, к-рые контролируют эозиновый, медовый, абрикосовый, вишневый, коралловый и белый цвет глаз плодовых мушек. Ген С⁺, вызывающий появление серой окраски шерсти у кролика (агути), мутирует в три разных рецессивных аллеля: аллель C^ch обеспечивает шиншилловую окраску кролика, аллель С^h — белую с черными пятнами (гималайский кролик), аллель с — чисто белую.

Практически всякий ген, испытывая М., дает серию множественных аллелей. Классическим примером серии аллелей служат аллели генов групп крови (см.) у человека.

Антиген А. в эритроцитах появляется при наличии у людей гена IA, антиген В — при действии гена IB. Оба эти гена являются аллельными, их влияние независимо друг от друга, они не связаны доминантностью или рецессивностью. Такое независимое проявление аллелей, когда у гетерозиготных особей возникают два признака под действием двух аллелей, получило название ко доминантности.

Множественные аллели участвуют в создании естественных приспособительных биол, особенностей организмов.

Когда М. происходит в отдельном гене, говорят о генных, или точко-вых М. При изменениях структуры хромосом (структурные М., аберрации хромосом) или их числа, речь идет о хромосомных мутациях. Сущность аберраций хромосом состоит в дислокации участков хромосом, т. е. их перемещении внутри данной хромосомы или между разными хромосомами. В начальный период развития генетики наличие структурных М. хромосом устанавливалось путем генетического анализа (см.) и примитивного наблюдения за хромосомами. Возможность тонкого наблюдения хромосомных мутаций под микроскопом появилась после открытия гигантских хромосом в слюнных железах дрозофилы. В 1930 г. Д. Костов предположил, а Пейнтер (Т. S. Painter) в 1933 г. доказал, что видимая под микроскопом структура этих хромосом, представленная рядом последовательно расположенных дисков, отражает их генетическое содержание. Структурные М. широко представлены в популяциях растений, животных и человека, на их основе осуществляется эволюция видовых кариотипов (см.). Основными типами структурных М. хромосом являются делеции (см.), симметричные и асимметричные транслокации (см.), образование кольцевых хромосом (центрических и ацентрических), дупликации (см.), инверсии (см.).

Транслокации представляют собой обмен фрагментами между разными хромосомами. Это становится возможным при совпадении двух разрывов — одного в одной хромосоме и другого — в другой. Возникающие четыре фрагмента свободно комбинируются друг с другом.

Деления, т. е. потеря участка хромосомы, может произойти в результате одного разрыва хромосомы. Концевой фрагмент, лишенный центромеры, теряется. Такой тип делеций получил название концевых. При появлении двух разрывов средний участок хромосомы выпадает, а концевые фрагменты соединяются в одну хромосому. Так возникают интерстициальные делеции. Размер делеций может быть различным. В тех случаях, когда теряются заметные блоки генов, зиготы погибают. Сравнительно небольшие делеции передаются по поколениям через гетерозиготных особей. Однако при появлении зигот, гомозиготных по утраченному участку, они, как правило, погибают. М., вызванные делецией в этом случае, имеют летальный эффект.

У человека обнаружен ряд делеций, служащих причиной наследственных болезней. Так, концевая нехватка части короткого плеча 5-й хромосомы обусловливает появление так наз. синдрома крика кошки, интерстициальная делеция в 21-й хромосоме является причиной злокачественной анемии.

Явления дупликации, т. е. удвоения какого-либо блока генов в хромосомах, могут служить источником увеличения объема генетической информации видов, они важны с эволюционной точки зрения.

Термин «инверсия» был введен Стертевантом (A. H. Sturtevant) в 1926 г. при изучении кроссинговера у самок дрозофилы; он показал, что срединный участок одной из хромосом 3-й пары перевернут на 180°. Инверсии могут быть одиночными и сложными, последние приводят к заметной перестановке блоков генов. В случае, если при образовании инверсии оба разрыва проходят по одну сторону от центромеры, образуется парацентрическая инверсия. Такая инверсия не изменяет морфологии хромосом. Однако у гетерозиготных особей на инвертированном участке для заключенного в ней блока генов не происходит кроссинговера (см. Рекомбинация). Это обеспечивает наследование этого блока целиком. Если инверсия захватывает центромеру, то возникает перицен-трическая инверсия. Когда две инверсии непосредственно примыкают друг к другу, появляются так наз. тандемные инверсии. Этот тип инверсий имеет две формы: прямую тандемную инверсию (при сохранении обеими инверсиями исходно свойственных их блокам генов в хромосоме) и обратную тандемную инверсию, когда блоки генов, заключенные в инверсиях, меняются местами. При наличии одной инверсии вторая может произойти на ее внутреннем участке. Этот тип хромосомных М. называют включенной инверсией. Если вторая инверсия происходит с частичным захватом части материала первой инверсии и части генов из соседнего нормального района хромосомы, то ее называют заходящей. Причиной отсутствия на участке инверсии у гетерозиготных особей обмена генами являются биол, последствия кроссинговера. У гетерозиготной особи, имеющей нормальную хромосому — 12345678 и хромосому с инверсией — 12654378, кроссинговер на участке 5—6 приведет к появлению двух кроссинговерных хромосом — 126678 и 123455437 8. В половине таких хромосом часть генов потеряна, а в другой половине часть генов представлена в удвоенном количестве. Такие последствия кроссинговера наблюдают при парацентрических и перицентрических инверсиях. В последнем случае, кроме того, появляется хроматида с двумя центромерами (дицентрики) и фрагмент без центромеры. Появление несбалансированной хромосомы в зиготе приводит ее к гибели. Явление, когда у особей часть зигот регулярно погибает, а другая часть оказывается нормальной, получило название полустерильности.

Явление транслокации, лежащее в основе еще одного типа хромосомной М., состоит в переносе участка хромосомы на другую хромосому или в другое место той же хромосомы. В большинстве случаев при транслокациях хромосомы обмениваются участками. Эти транслокации назвали взаимными, в отличие от невзаимных транслокаций, когда средний участок одной хромосомы вставляется в другую хромосому. В этом случае для образования срединного фрагмента в одной хромосоме необходимы два разрыва. Хромосома, в к-рую вставляется посторонний срединный участок, разрывается в одном месте. Взаимные транслокации бывают двух видов: 1) симметричные, возникающие при таком обмене участками, когда в каждой хромосоме сохраняется по одной центромере (подобные транслокации связаны с сохранением всего генетического материала, к-рый по-разному распределяется между хромосомами, они передаются последующим поколениям); 2) асимметричные, наблюдающиеся при слиянии двух центромерных фрагментов и образовании дицентрической хромосомы. Соединение двух ацентрических фрагментов ведет к появлению одного ацентрического фрагмента. Во время репликации (см.) хромосом в фазе синтеза ДНК дицентрическая хромосома и ацентрический фрагмент удваиваются. В первом же митозе ацентрические фрагменты теряются. Что касается дицентрика, то он или образует хромосомный мост и рвется, или, при отхождении обеих центромер к одному полюсу, попадает в дочернюю клетку. Через ряд митозов дицентрик теряется. Симметричные транслокации благодаря действию сил притяжения гомологичных локусов в профазе мейоза (см.) образуют крестообразную конфигурацию. При расхождении из такой фигуры хромосомы часто образуют кольцо, состоящее из четырех хромосом. Поскольку симметричные транслокации сопровождают лишь перераспределение генного материала, особи, гетерозиготные по транслокациям, наряду с нормальными дают гаметы с нарушениями в виде больших дупликаций или делеций. Зиготы, возникающие при участии таких гамет, погибают, что приводит к полусте-рильности растений и животных, гетерозиготных по взаимной транслокации. Транслокации не только изменяют порядок генов, но и число хромосом в связи с приобретением или потерей центромер.

Своеобразным типом структурных М. служит появление кольцевых хромосом. В норме у животных и растений в кариотипе кольцевые хромосомы не встречаются. Образование кольцевой хромосомы связано с возникновением в одной хромосоме двух разрывов, в результате чего образуются два концевых и один срединный фрагмент. Срединный участок соединяется местами разрывов и замыкается в кольцо. Если срединный участок хромосомы включал центромеру, то возникает центрическое кольцо. Такая кольцевая хромосома передается поколениям клеток и организмов. Если кольцевая хромосома образуется из срединного участка хромосомы, лишенного центромеры, возникает ацентрическая кольцевая хромосома.

Существует два типа М. числа хромосом: анеуплоидия, т. е. потеря или появление дополнительных хромосом (единицей М. служат одна или несколько хромосом, число к-рых меньше, чем гаплоидный набор); гаплоидия и полиплоидия, кратное изменение числа хромосом, при них единицей М. служит гаплоидный набор хромосом (n). Гаплоидия — потеря целого набора (2n — n). Полиплоидия возникает при добавлении целых наборов (2n + n, 2n + 2n и т. д.). Особи, несущие три набора хромосом, называются триплоидами (3n), четыре набора — тетраплоидами (4n) и т. д. Анеуцлоидии возникают в процессе митоза или мейоза, как правило, вследствие нерасхождения гомологичных хромосом. Для диплоидов характерны следующие типы анеуплоидии: нулисомия — потеря пары гомологичных хромосом (2n — 2r, где r обозначает гомолог); моносомия — потеря одной хромосомы из какой-либо пары (2n — 1); трисомия — появление одной лишней хромосомы (2n + 1); тетрасомия — наличие двух лишних гомологичных хромосом (2n + 2r). При более сложных явлениях возможна двойная моносомия (2n — 1 — 1), двойная трисомия (2n + 1 + 1), сочетание двух типов (2n — 1, 2n + 1) и т. д. Анеуплоидии вызывают нарушение генного баланса и, как правило, заметно изменяют признаки особи. Тетрасомия позволяет локализовать гены в определенных хромосомах, т. к. наличие четырех хромосом создает систему из трех аллелей у одного из родителей, что изменяет характер расщепления.

Анеуплоидии у человека объясняют появление целого ряда наследственных болезней. Впервые ане-уплоидию у человека обнаружили Ж. Лежен и др. в 1959 г. при анализе хромосом больного болезнью Дауна (см. Дауна болезнь). Оказалось, что больные имеют трисомию по 21-й хромосоме, регулярно возникающую с частотой 1 на 700 рождений. С частотой 1 на 5000 яйцеклеток вследствие нерасхождения X-хромосом возникает яйцеклетка, лишенная половой хромосомы (см. Пол). Женщины с генотипом ХО несут признаки синдрома Шерешевского — Тернера (см. Тернера синдром). В результате нерасхождения X-хромосом появляются люди с 47 хромосомами, включающими набор XXY. Дети XXY оказываются мальчиками с так наз. синдромом Клайнфелтера (см. Клайнфелтера синдром). Обнаружены и другие анеуплоидные изменения у человека, в частности трисомия и тетрасомия по Х-хромосоме и комбинированная трисомия. Сложные нарушения, числа половых хромосом обнаружены у мужчин (XXXY, XXYY, XXXXY, XYY) и женщин (ХХХХ, ХХХХХ). Анеуплоидия часто возникает как соматическая М. В случае соматической М. анеуплоидия в результате нерасхождения гомологов в митозе проявляется как хромосомная мозаика, при к-рой одни ткани имеют нормальный набор хромосом, а другие — состоят из клеток с анеуплоидным числом хромосом. У человека обнаружены хромосомные мозаики по половым хромосомам: ХО/ХХ, XO/XY, XX/XY, XXY/XX хх/ххх, ххх/хо, хххх/ххххх и др. (см. Хромосомные болезни).

Термином «гаплоидия» или «моно-плоидия» обозначают наличие в геноме только одного гомолога из каждой пары хромосом. У высших растений и животных диплоидность хромосом (парность аллелей) заключает в себе одно из преимуществ полового размножения, жизнеспособности организма при индивидуальном развитии, т. е. является важнейшим генетическим явлением.

Полиплоидия широко представлена у растений. Полиплоидные растения отличаются от диплоидных многими морфол., физиол, и биохим, особенностями. Их клетки и ядра имеют большие размеры, чем у диплоидов. Общие размеры растений, их цветки, семена и плоды увеличены.

Полиплоидия у животных распространена меньше, чем у растений. Это связано с тем, что для животных большое значение имеет генный баланс между половыми хромосомами и аутосомами. Отклонение от диплоидности у животных часто вызывает стерильность. Полиплоидные виды обнаружены среди червей, насекомых, ракообразных, рыб, амфибий, рептилий и других животных. Среди этих форм нек-рые виды утратили способность к половому размножению. Связь партеногенеза с по-липлоидностью установлена у рачков рода Artemia, мокриц Trichoni-seus, бабочек Solenobia и др. Тетра-плоидными формами, размножающимися половым путем, являются отдельные виды рыб, южноамериканская лягушка Odontophymis ame-ricanus и нек-рые другие организмы. Тихоокеанские лососи являются полиплоидами, то же касается ряда видов карповых рыб.

Причиной генных, или так наз. точечных, М. является замена одного азотистого основания в молекуле ДНК на другое, потеря, вставка или перестановка азотистых оснований в молекуле ДНК. В результате генных М. у человека могут развиться патол, состояния, патогенез к-рых различен. Потеря одного или нескольких нуклеотидов (деле-ция) может привести к нарушению последовательности аминокислотных остатков в полипептидной цепи кодируемого белка, т. е. к нарушению его первичной структуры. Делеция нескольких нуклеотидов может привести к полному прекращению синтеза белка, кодируемого мутантным геном. Аналогичный эффект возможен в случае превращения триплета, кодирующего включение в полипеп-тидную цепь определенной аминокислоты, в триплет, кодирующий окончание синтеза полипептидной цепи.

Генная М., не изменяя количество синтезируемого белка, может изменить его конформацию и тем самым — его ферментативную активность вплоть до полного ее исчезновения, и, наоборот, не влияя на ферментативную активность белка,— изменить скорость его синтеза, синтеза его ингибитора или активатора. Все это в конечном итоге приводит к развитию энзимопатий (см.).

Все генетическое разнообразие людей так или иначе является следствием М. Средняя частота возникновения М. на одну гамету человека оказалась близкой к 1*10^-5. Частота М. нормального аллеля в аллель гемофилии (см.) или в аллель альбинизма (см.) составляет 3*10^-5. Клетки костного мозга человека в культуре ткани мутируют от нормального аллеля в аллель устойчивости к 8-азагуанину с частотой 7*10^-4.

Огромный полиморфизм в популяциях человека существует не только за счет отдельных генов, но и за счет их сочетаний, создающих полиморфные системы ферментов, групп крови, изменчивости по аллелям тканевой несовместимости в локусе HLA и др.

Библиография: Ауэрбах Ш. Проблемы мутагенеза, пер. с англ., М., 1978; Барашне в Ю. И. и Вельтищев Ю. Е. Наследственные болезни обмена веществ у детей, Л., 1978; Бердышев Г. Д. и Криворучко И. Ф. Генетика человека с основами медицинской генетики, Киев, 1979; Бочков H. П. Генетика человека, М., 1978; Дубинин Н. П. Общая, генетика, М., 1976; Маккьюсик В. А. Наследственные признаки человека, пер. с англ., М., 1976; McKusick Y. Mendelian inheritance in man, Baltimore, 1978.

H. П. Дубинин.