Генетическая изменчивость

Мутация — событие достаточно редкое. При делении клеток эукариот новые мутации возникают с частотой I мутация на 3 • IO-4—3 • IO12 пар нуклеотидов. Это означает, что на геном человека, состоящий приблизительно из 3 • IO12 пар нуклеотидов, при каждом делении клеток происходит примерно три мутации.

репликацию, или (и) в результате тепловых колебаний атомов в нуклеотидах. В естественных условиях, когда причины возникновения мутаций неизвестны, все они считаются спонтанными.

Мутации не направлены и случайны. Случайность мутаций означает, что нарушение структуры ДНК может возникнуть в любом сайте. Подбором доз ионизирующей радиации или химических мутагенов можно сузить спектр мутаций, но нельзя получить заранее заданное единичное изменение. Единичные, точно локализованные мутации получают методами генетической инженерии. He направленность мутаций подразумевает несоответствие изменений фенотипа мутантных организмов условиям их существования.

Поскольку мутация может возникнуть в любом сайте, чем меньше в ДНК сайтов, несущих генетическую информацию, тем больше вероятность, что мутация произойдет не в транслируемой, а в молчащей ДНК. У эукариот количество ДНК на клетку на 2—3 порядка больше, чем у прокариот, и колеблется в очень широких пределах. У хвостатых амфибий количество ДНК достигает 168 пикограмм (п. г.) на клетку. У некоторых костистых рыб — всего I п. г., у человека — 6 п. г. Большая часть ДНК не транслируется. Точная доля молчащей ДНК неизвестна, однако, сравнение количества ДНК прокариот и эукариот, амфибий с рыбами и человеком указывает на то, что она очень велика.

Однако В. Н. Патрушев (2000) убедительно обосновал представление о том, что молчащая ДНК служит «ловушкой» мутаций, защищая тем самым и генеративные и соматические клетки от их вредного влияния. Этот вывод основан на количественной оценке частоты возникновения мутаций и деления клеток многоклеточного организма. Зная размер генома, частоту неиндуцированных мутаций, и учитывая число делений клеток, начиная с первого деления зиготы, можно рассчитать количество клеток, содержащих хотя бы одну мутацию. Так, у взрослого человека должно быть IO15 «мутантных» клеток, то есть не было бы здоровых соматических клеток. Однако, поскольку количество молчащей ДНК в 100—1000 раз больше количества генетически значимой, львиная доля вновь возникающих мутаций приходится на нуклеотиды, не несущие генетической информации. Это и является мощнейшим средством защиты генома.

Известно, что большинство вновь возникающих мутаций рецессивны. Поэтому, диплоидный (или полиплоидный) генотип эукариот защищает фенотип от эффекта экспрессии мутантных генов.

В этом состоит одно из кардинальных различий механизмов эволюции прокариот и эукариот. У прокариот каждая мутация проявляется в фенотипе и за адаптацию прокариоты платят колоссальной гибелью потенциально

бессмертных клеток — организмов. Подсчитано, что если бы клетки холерного вибриона не гибли, то за 1,6—1,7 суток потомство одной такой клетки представляло бы собой биомассу равную 2 • IO25 г. У эукариот геном защищен, что имеет решающее значение для существования многоклеточных организмов. Однако, рецессивность генеративных мутаций служит основой формирования генофонда популяций, то есть создает материал эволюции, с которым работает отбор.

Все вышеизложенное основано на данных молекулярной генетики.

Частота мутаций, оцениваемая по фенотипическим проявлениям, колеблется в очень широких пределах, от I • IO-4 до 3 • IO"9. Эти различия обусловлены и таксономическими (эволюционными) различиями исследованных объектов, и особенностями мутантных генов данного вида (табл. I). Для простоты обычно принимают, что средняя частота мутирования составляет I • IO-6, то есть одна мутация на I млн генов. Этой цифрой часто пользуются в математических моделях популяционной генетики. Редкость каждой отдельной мутации не означает редкости генеративных мутаций в пересчете на геном. Например, принимая среднюю частоту мутирования у Drosophila melanogaster I • IO-5 и предполагая, что геном этого вида (In) содержит IO4 структурных генов, частота мутирования на генотип (2п) составит 2 • IO4 • IO-5=0,2, то есть каждая пятая муха несет новую мутацию. Этот расчет вполне сопоставим с оценками реальных частот мутаций дрозофилы, полученным генетическим анализом. По данным, приведенным Дубининым (1970), в Х-хромосоме возникает за поколение 0,15% новых летальных мутаций, а во второй и третьей хромосомах около 0,5 % деталей. Летали легко выявляются, так как в гомозиготном состоянии их частота равна смертности мух. Остальные мутации не учитывались. Следовательно, любая популяция испытывает постоянное и довольно сильное давление мутационного процесса.

Помимо спонтанных мутаций существуют и так называемые индуцированные мутации. Индуцированный мутагенез вызывают как физические, так и химические мутагенные факторы. К физическим относятся ионизирующая радиация, рентгеновское и ультрафиолетовое излучения, температурные воздействия.

Темп мутирования некоторых генов у различных организмов

Организм и приз              Число мутаций на один

геном за одно поколение

Drosophila melanogaster (плодовая мушка)

Мутагенное действие ионизирующей радиации и электромагнитного излучения обусловлено возбуждением атомов, составляющих молекулу ДНК, в результате чего происходят разрывы ковалентных и (или) водородных связей. Действие физических мутагенов подчиняется правилу «доза—эффект».

Среди экзогенных, по отношению к организму, химических мутагенов выделяют несколько классов веществ, непосредственно нарушающих структуру нуклеиновых кислот. Мутации часто вызывают алкилирующие агенты, например, иприт S(CH2CH2Cl)2 и его производные. Эти вещества производят неферментативный перенос алкильных групп на биологические макромолекулы, например, алкилируют кислород в шестой позиции в гуанине и в четвертой позиции в тимине и ряд атомов азота в пуринах и пиримидинах. Подобные мутации обычно репарируются. Поэтому прямая зависимость между количеством мутагена и частотой мутаций в данном случае отсутствует.

Одним из классов мутагенов, имеющих опосредованное действие, являются нитриты, накапливающиеся в овощах при передозировке азотных удобрений. В организме нитриты (KNO2 и NaNO2) превращаются в азотистую кислоту HNO2, которая дезаминирует гуанин до ксантина, аденин до гипоксантина, цитозин до урацила. Соединение урацила с аденином в двойной спирали ДНК приводит к транзиции GC-gt;• AT, а гипоксантин вызывает транзицию AT —> GC. Это не возвратная мутация, т. к. такой транзиции может подвергнуться любая пара оснований. Ксантин не спаривается ни с одним нуклеотидом. Возникает «пробел» в антипараллельной цепи ДНК, что считается летальной мутацией. Мутагенной активностью обладают многие пероксиды и свободные радикалы, возникающие как при экзогенных, так и при эндогенных нарушениях метаболизма. Особенно активны свободные радикалы кислорода, возникающие при восстановительных реакциях. Это гидроксилы, супероксид и синглетный кислород. Следует добавить, что источником мутагенов служит метаболизм микрофлоры, присутствующей в организмах многоклеточных.

Таким образом, любой организм находится под постоянным действием множества мутагенных факторов. Поэтому и многоклеточным, и одноклеточным организмам чрезвычайно важна защита от мутаций. Важна она и прокариотам, так как возникающие мутации в более или менее стабильных условиях снижают их приспособленность. Редкость возникновения мутаций—следствие не отсутствия вызывающих их воздействий, а выработавшихся в процессе

эволюции защитных механизмов. Существует ряд систем, защищающих организм от мутаций. Эти системы достаточно автономны друг от друга и действуют по принципу — если не сработает одна, то сработает другая.

Наиболее известны системы репарации мутационных нарушений, возникающие при транскрипции и трансляции, работающие в клетках как прокариот, так и эукариот (фотореактивация, отщепление метильной группы, SOS репарация, действие ферментов—лигаз и т. д.). Системы репарации защищают клетки от многих мутаций, но не могут сделать этого по меньшей мере в двух случаях: если не распознают мутации в цепочке ДНК, и если мутация поражает саму систему репарации. Во втором случае частота мутаций резко возрастает. В эпоху, предшествовавшую молекулярной генетике, считалось, что существуют «гены-мутаторы», усиливающие мутагенез. Теперь пишут о «мутаторном фенотипе», возникающем в результате мутаций генов, ответственных за системы репарации.

He так давно было показано (Галактионов, 1995), что специфический иммунитет высших животных, системы T и В лимфоцитов, точно распознающие чужеродные белки и уничтожающие клетки — источники этих белков (антигенов), служит не только для защиты от бактериальной инфекции, но и от мутантных клеток собственного организма.

К механизмам, защищающим организм от мутаций, можно отнести также вырожденность генетического кода. Синонимические мутации, то есть мутации, превращающие один кодон в другой, кодирующий ту же аминокислоту, не влияют на структуру белков и, таким образом, являются нейтральными мутациями. Кроме того, целый ряд мутаций, приводящих к замене аминокислот в полипептидных цепях, не влияют на конформацию и функциональные свойства белковых молекул. Такие заметы и вызывающие их мутации называются селективно-нейтральными. Например, (3-цепи гемоглобина человека и лошади различаются 17 аминокислотными заменами, не влияющими на сродство гемоглобина к кислороду.

Мутационная изменчивость является основным источником генетической изменчивости у прокариот, обладающих гаплоидным набором генов. У них, вновь возникающие мутации сразу проявляются в фенотипе, а на фенотипическое выражение мутаций влияют межгенные взаимодействия и эпигеномные взаимодействия белков — продуктов экспрессии генов. У эукариот, обладающих диплоидным и полиплоидным генотипами, решающее значение имеет комбинативная изменчивость.

В результате объединения гамет родителей, в генотипах потомков комбинируются разные аллели, в том числе, вновь возникшие мутации, тандемные повторы, возникающие в результате кроссинговера и передислокации мобильных генетических элементов. Вторым источником комбинирования генов является равный кроссинговер. Новые сочетания генов приводят к новым, отсутствовавшим у родителей, признаков фенотипов потомков.

Примером возникновения нового признака в результате комбинирования генов может служить возникновение ореховидного гребня у кур вследствие комбинирования двух диаллельных генов (рис. 2).

У организмов, размножающихся половым путем, разнообразие комбинирующихся генов во много раз превосходит разн образие, создаваемое мутационной изменчивостью. Количество возможных комбинаций генов отражает количество генетических классов зигот во втором поколении. Его описывает формула:

r(r+l) ^ Где г—число аллелей в каждом локусе, а п — число гетеро- 2 J              зиготных локу сов.

Рис. 2. Наследование формы гребня у кур при взаимодействии двух генов (по Лобашеву, 1969) 24

Считая, по данным на 1999 год, численность человечества 6 • IO9 и предполагая диаллельными всего 100 из приблизительно 30 тыс. структурных генов генома человека, получим

возможных комбинаций генов, то есть величину на два порядка превосходящую численность человечества. Таким образом, комбинирование генов является основным источником наследственной изменчивости эукариот.