Мутагенез - это что такое? естественный и искусственный мутагенез

Виды мутагенеза

Все мутации происходят под воздействием мутагенов, которые приводят к увеличению частоты мутаций у растений. Исходя из вида мутагена, мутагенез бывает:

Радиационный происходит под действием ионизирующего облучения, коротковолнового ультрафиолетового и СВЧ излучения. Влияние излучения приводит к появлению свободных радикалов, которые воздействуют на организм на клеточном уровне.

Под действием различных химических веществ (альдегиды, нитриты, гидроксиламин, азотистые соединения) происходит химический мутагенез. Химические вещества вступают в реакцию с нуклеиновыми основаниями, приводя к нарушению принципа комплементарности ДНК.

Биологический происходит под действием вирусов, чистых ДНК, антивирусных вакцин. Механизм действия биологических факторов не вполне ясен, но они вызывают нарушение процессов рекомбинации.

Примечания

Фриз Г. де, Избр. произв., пер. , М., 1932
Коржинский С., Гетерогенезис и эволюция. К теории происхождения видов, СПБ, 1899 (Записки АН. Серия 8. Отдел физико-математич., т. 9, № 2)
Мутационная теория // : / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.
С. Г. Инге-Вечтомов. Генетика с основами селекции. М.: Высшая школа. 1989. 591 с.
Pham P., Bertram J. G, O’Donnell M., Woodgate R., Goodman M. F. A model for SOS-lesion-targeted mutations in Escherichia coli // Nature. — 2001. — 408. — P. 366—370.
Watson J. D., Crick F. H. C. The structure of DNA // Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. — 1953. — 18. — P. 123—131.
Полтев В. И., Шулюпина Н. В., Брусков В. И. Молекулярные механизмы правильности биосинтеза нуклеиновых кислот. Компьютерное изучение роли полимераз в образовании неправильных пар модифицированными основаниями // Молек. биол. — 1996. — 30. — С. 1284—1298.
Cannistraro V. J., Taylor J. S. Acceleration of 5-methylcytosine deamination in cyclobutane dimers by G and its implications for UV-induced C-to-T mutation hotspots // J. Mol. Biol. — 2009. — 392. — P. 1145—1157.

Теория мутагенеза

Одним из самых важных разделов генетики считается мутационная теория, зарожденная С. Коржинским еще в 1899 году, после того как Т. Морган переоткрыл законы другого известного ученого – Менделя. Суть мутационной теории заключается в отрицании значимости естественного отбора

В свою очередь, мутационная теория признает главное эволюционное значение, что очень важно

Мутагенез — описание

К основным и самым важным положениям мутационной теории стоит отнести следующие пункты:

Искусственный мутагенез

все мутационные процессы возникают внезапно, как и дискретные изменения;
образующиеся новые формы на самом деле очень устойчивы;
мутации не способны вызывать непрерывные ряды, чего нельзя сказать о естественных изменениях. Мутации – это особенные и, главное, качественные скачки генетических изменений;
проявление мутаций может происходить по-разному, поэтому они бывают не только полезными, но и вредными;
обнаружить мутации не всегда удается, поэтому здесь важную роль играет количество исследуемых особей (чем их больше, тем больше шансов выявить мутацию).

Теория мутагенеза

Полимеразная модель мутагенеза

Искусственный мутагенез

Сайт-направленный мутагенез. Синтезируют пару праймеров, несущих мутацию, и пару праймеров, комплементарных концам нужного фрагмента ДНК. В ходе первых двух реакций образуются фрагменты ДНК с мутацией, которые объединяют в третьей реакции. Полученный фрагмент вставляют в нужную генно-инженерную конструкцию.

Искусственный мутагенез широко используют для изучения белков и улучшения их свойств (направленной эволюции (англ.)).

Ненаправленный мутагенез

Методом ненаправленного мутагенеза в последовательность ДНК вносятся изменения с определённой вероятностью. Мутагенными факторами (мутагенами) могут быть различные химические и физические воздействия — мутагенные вещества, ультрафиолет, радиация. После получения мутантных организмов производят выявление (скрининг) и отбор тех, которые удовлетворяют цели мутагенеза. Ненаправленный мутагенез более трудоемок и его проведение оправдано, если разработана эффективная система скрининга мутантов.

Направленный мутагенез

Основная статья: Сайт-направленный мутагенез

В направленном (сайт-специфическом) мутагенезе изменения в ДНК вносятся в заранее известный сайт (DNA binding site). Для этого синтезируют короткие одноцепочечные молекулы ДНК (праймеры), комплементарные целевой ДНК за исключением места мутации.

Мутагенез по Кункелю

Для бактериальной плазмиды (внехромосомной кольцевой ДНК) получают уридиновую матрицу, то есть такую же молекулу, в которой остатки тимина заменены на урацил. Праймер отжигают на матрице, проводят его достройку in vitro с помощью полимеразы до кольцевой ДНК, комплементарной уридиновой матрице. Двухцепочечной гибридной ДНК трансформируют бактериальные клетки, внутри клетки уридиновая матрица разрушается как чужеродная, и на мутантной одноцепочеченой кольцевой ДНК достраивается вторая цепь. Эффективность такого способа мутагенеза менее 100 %.

Мутагенез с помощью ПЦР

Полимеразная цепная реакция позволяет проводить сайт-направленный мутагенез с использованием пары праймеров, несущих мутацию, а также случайный мутагенез. В последнем случае ошибки в последовательность ДНК вносятся полимеразой в условиях, понижающих её специфичность.

Искусственный мутагенез: насколько он важен в селекции

Важность искусственного мутагенеза трудно недооценить, ведь именно он служит важнейшим источником получения исходных материалов в селекции растений. Биологи уже научились применять ионизирующее излучение и химические мутагены, с помощью которых возможно увеличить число мутаций

Правда, вначале учёные не особо придавали значение искусственному мутагенезу, считая его просто очередным экспериментом. Вся важность этого открытия была понята не сразу, но когда, наконец, биологи осознали, насколько важен искусственный мутагенез в селекции растений, то сразу взяли на вооружение эту технологию.

Первыми исследователями, доказавшими всю важность искусственного мутагенеза, стали учёные Сапегин и Делоне — именно они на примере пшеницы доказали, насколько значим искусственный мутагенез для селекции растений. Благодаря их опытам в тысяча девятьсот двадцать восьмом году были получены очень важные результаты исследования, а также новые образцы пшеницы, которую вырастили под Харьковом

Но, даже несмотря на удачные опыты, к искусственному мутагенезу в научном мире относились с прохладой, считая его бесперспективным и не достойным внимания.

Это недоверие продолжалось вплоть до пятидесятых годов, однако после этого к искусственному мутагенезу у учёных проснулся интерес, и не просто так, во многом этому поспособствовала ядерная физика и химия, с помощью которой учёные открыли новые возможности, позволившие использовать при проведении опытов разнообразные источники ионизирующих излучений, а также высокореактивных химических веществ. Всё это позволило дать искусственному мутагенезу второй шанс, и учёные не ошиблись в своих решениях.

Через год над искусственным мутагенезом проводили свои опыты многие учёные и биологи не только из нашей страны, но и зарубежные коллеги обратили внимание, на искусственный мутагенез, понимая, насколько он важен в сельском хозяйстве. Вскоре в СССР был создан центр по изучению искусственного мутагенеза, а также велась разработка новых способов применения мутаций в качестве исходных селекционных материалов

Больше всего учёных и биологов, изучавших искусственный мутагенез, волновала проблема, как получить мутации, позволяющие растениям переносить грибковые и другие виды заболеваний. Именно эта задача и ставилась перед учеными, которые занимались искусственным мутагенезом.

Применив в искусственном мутагенезе ионизирующие излучения и химические мутагены можно легко избавиться от главных недостатков, которыми зачастую страдают многие виды сельскохозяйственных растений. Применив искусственный мутагенез взамен проблемных растений легко получить совершенно новые формы, обладающие очень важными свойствами, такими, как устойчивость к заболеваниям, скороспелость, хорошая переносимость жары и холода и другие не менее полезные качества, выводящие сельскохозяйственные культуры на новую ступень.

Существуют два пути применения искусственного мутагенеза, которые можно использовать при применении искусственных мутаций у сельскохозяйственных растений:

В первом варианте перед учёными стоит задача улучшить существующие виды растений по основным известным признакам, при этом, не забывая исправлять их главные недостатки. Первый метод искусственного мутагенеза является наиболее перспективным при использовании прямых мутации в растениях. К тому же метод прямых мутаций позволяет не только получить новые виды растений, но и оставить нетронутыми старые сорта.

Второй вариант применения искусственных мутаций больше подходит для быстрого получения исходного материала с требуемыми признаками и свойствами. Однако такой метод не гарантирует получение качественных образцов, а зачастую именно эти требования предъявляются к новым видам растений. А значит, этот вариант может рассматриваться только в виде эксперимента, позволяя учёным создавать всевозможные виды мутаций.

А для того чтобы в искусственном мутагенезе получить наиболее ценные в сельском хозяйстве мутации учёные применяют гамма-лучи и лучи Рентгена, а также нейтроны, а также используют химические мутагены типа этиленимина. Чтобы получить хотя бы одну полезную мутацию учёным приходиться подвергать искусственному мутагенезу две тысячи семян. Благодаря открытию и изучению искусственного мутагенеза, были получены новые сорта и виды растений, которые имеют значительные преимущества перед своими собратьями. Во многом благодаря искусственному мутагенезу, биологами были получены ценные исследования, которые позволили открыть множество полезных свойств используемых для получения новых мутаций в сельскохозяйственных растениях.

Мутагены: физические и химические

Мутагены — это явления, которые вызывают мутационные изменения организма. По природе своего происхождения все они делятся на физические и химические.

К физическим мутагенам относятся:

Ионизирующие излучения.
Температура.
Влажность.

Методы их воздействия следующие:

Разрушение целостной структуры хромосом и генов.
Освобождение радикалов свободного типа, которые начинают взаимодействовать с ДНК.
Нарушение целостности нитей хроматинового веретена деления.
Возникновение димеров — образований единых комплексов пиримидиновых оснований одной цепи ДНК.

Химические мутагены представляют собой следующее:

Химические вещества органической и неорганической природы.
Вещества синтетической природы, которые не встречались в природе ранее.
Природные вещества после заводской переработки, например, уголь и нефть.
Некоторые медикаменты, наркотические вещества, некоторые виды антибиотиков.

Механизм химических мутагенов таков:

Алкилирование нуклеотидных комплексов ДНК.
Замещение азотистых оснований на основания подобного характера.
Замедление синтеза предшественников нуклеиновых кислот.

Естественный мутагенез

Естественный, или спонтанный, мутагенез происходит вследствие воздействия на генетический материал живых организмов мутагенных факторов окружающей среды, таких как ультрафиолет, радиация, химические мутагены.

Мутационная теория Де Фриза и Коржинского

Мутационная теория составляет одну из основ генетики. Она зародилась вскоре после переоткрытия Т. Морганом законов Менделя в начале XX столетия. Можно считать, что она почти одновременно зародилась в умах голландца Хуго Де Фриза (1903) и российского ботаника Сергея Коржинского (1899). Однако приоритет в первенстве и в большем совпадении изначальных положений принадлежит российскому ученому

Признание основного эволюционного значения за дискретной изменчивостью и отрицание роли естественного отбора в теориях Коржинского и Де Фриза было связано с неразрешимостью в то время противоречия в эволюционном учении Чарльза Дарвина между важной ролью мелких уклонений и их «поглощением» при скрещиваниях (см. кошмар Дженкина).

Основные положения мутационной теории Коржинского — Де Фриза можно свести к следующим пунктам:

Мутации внезапны, как дискретные изменения признаков
Новые формы устойчивы
В отличие от наследственных изменений, мутации не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг какого-либо среднего типа. Они представляют собой качественные скачки изменений
Мутации проявляются по-разному и могут быть как полезными, так и вредными
Вероятность обнаружения мутаций зависит от числа исследуемых особей
Сходные мутации могут возникать неоднократно

Механизмы мутагенеза

Последовательность событий, приводящая к мутации (внутри хромосомы) выглядит следующим образом: происходит повреждение ДНК (если повреждение ДНК не было корректно репарировано, оно приведет к мутации); в случае, если повреждение произошло в незначащем (интрон) фрагменте ДНК или если повреждение произошло в значащем фрагменте (экзон) и, вследствие вырожденности генетического кода, не произошло нарушения, то мутации образуются, но их биологические последствия будут незначительными или могут не проявиться.

Мутагенез на уровне генома также может быть связан с инверсиями, делециями, транслокациями, полиплоидией и анеуплоидией, удвоением, утроением (множественной дупликацией) некоторых хромосом и т. д.

В настоящее время существует несколько подходов, использующихся для объяснения природы и механизмов образования точечных мутаций. В рамках общепринятой, полимеразной модели считается, что единственной причиной образования мутаций замены оснований являются спорадические ошибки ДНК-полимераз. В настоящее время такая точка зрения является общепринятой.

Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик предложили таутомерную модель спонтанного мутагенеза. Они объяснили появление спонтанных мутаций замены оснований тем, что при соприкосновении молекулы ДНК с молекулами воды могут изменяться таутомерные состояния оснований ДНК.

Образование мутаций замены оснований объяснялось образованием Хугстиновских пар.. Предполагается, что одной из причин образования мутаций замены основания является дезаминирование 5-метилцитозина.

Точечные мутации

Основная статья: Точечная мутация

Точечная мутация, или единственная замена оснований, — тип мутации в ДНК или РНК, для которой характерна замена одного азотистого основания другим. Термин также применяется и в отношении парных замен нуклеотидов. Термин точечная мутация включает также инсерции и делеции одного или нескольких нуклеотидов.

Ядерные и цитоплазматические мутации

Ядерные мутации — геномные, хромосомные, точечные.
Цитоплазматические мутации — связанные с мутациями неядерных генов, находящихся в митохондриальной ДНК и ДНК пластид — хлоропластов.

Спонтанный мутагенез

Он возникает при естественных условиях развития, когда извне не действуют никакие мутагены.

Какие могут быть причины появления такого его вида:

Экзогенные (или внешние): радиационные излучения, экстремально низкие или высокие температуры.
Эндогенные (или внутренние). К таким относятся внезапно образующиеся в организме метаболиты, которые пробуждают образование мутационных процессов.

Так, например, в зонах арктического холода растительность обладает полиплоидной формой. Это зависит от того, что в период вегетации при аномально низких температурах у растений образуется ряд геномных мутаций.

Продолжительное время ученые считали, что факторами возникновения естественного мутагенеза являются космические волны и природные радиационные излучения. Однако в ходе проведенных исследований было установлено, что лишь незначительная доля спонтанного мутагенеза образуется под действием радиации.

Установлено, что причиной являются местные небольшие отклонения теплового движения частиц.

Особенности применения

Искусственный мутагенез оказался особенно эффективным по отношению к разным видам микроорганизмов, например, к бактериям или грибам. Все эти микроорганизмы активно применяются в производственной промышленности, а точнее, при создании биологических веществ, лекарственных препаратов и продуктов питания. Также они применяются при изготовлении корма для животных. Стоит отметить, что со временем область применения стремительно увеличивается.

Механизм мутагенеза

Получение плесневых грибков, к примеру, возможно в медицине за счет искусственного мутагенеза. Из этих грибков производят антибактериальные препараты, эффективность которых намного выше, чем исходных форм данной группы лекарств

Важность антибиотиков в современной медицине неоспорима: за многие годы использования они спасли жизнь нескольким миллионам пациентов

Виды мутагенов

Изучение искусственного мутагенеза помогло в создании новых штаммов, к которым относятся:

протеины;
аминокарбоновые кислоты;
биотехнологические производные витаминов (продуценты).

Результаты изучения искусственного мутагенеза

Все вышеперечисленные компоненты успешно используются в области медицины

Согласно многочисленным прогнозам, степень важность микроорганизмов для человека возрастет в ближайшем будущем, из-за чего генетика микроорганизмов станет еще более значимой. Поэтому вопрос изучения искусственного мутагенеза остается открытым

Селекция микроорганизмов

Лечение грибка ногтя

Польза мутагенеза

Существуют различные примеры мутагенеза, которые привели к мутациям, представляющим интерес в селекции. Например, в 1956 году генетик при обработке рентгеновскими лучами арахиса получил мутант с высокими продуктивными свойствами. Итальянские ученые в 1973 году смогли вывести сорт пшеницы с укороченным стеблем. Такие мутанты устойчивы к полеганию, что дает возможность увеличивать дозы удобрений для увеличения урожайности твердых сортов пшеницы.

Иногда пользу приносят и негативные мутации. Так, при индуцированном мутагенезе полученная мужская стерильность повышает пользу у новых гибридов риса, свеклы и других растений сельскохозяйственного назначения.

Таким образом, индуцированный мутагенез в селекции очень важен. Использование мутаций дает возможность получения новых сортов растений, которые в природе редко встречаются или совсем не существуют. Благодаря искусственному мутагенезу биологи смогли найти у растений много полезных свойств, которые были использованы в последующих мутациях для сельскохозяйственных растений.

Есть польза от мутагенеза?

Итак, с уверенностью можно сказать, что мутагенез — это явление, способное отражаться на состоянии организма.

Если мутаген затронет «незначительный» фрагмент ДНК, то, по сути, никаких изменений организм не претерпит. Мутации будут существовать в «памяти» ДНК и передаваться по наследству, а со временем могут исчезнуть совсем.

Но если факторы мутагенеза затронут существенный фрагмент ДНК, вследствие чего будет нарушена стандартная аминокислотная последовательность, то это приведет к необратимым изменениям в организме. И если мутация будет выявлена у подавляющего большинства особей определенного вида, то в дальнейшем это приведет к существенным изменениям характерных признаков вида.

Поскольку мутагенез — это нарушение нормальной целостности ДНК, то мутации способны наносить вред организму.

Подавляющее число мутаций способно сократить жизнедеятельность организмов и спровоцировать появление тяжелых заболеваний.

Те последствия мутагенеза, которые образуются в соматических клетках, не передаются с генетическим материалом следующему поколению. Но в результате митотического деления, когда появляются новые клетки, образующие ткань, могут образовываться опухолевые уплотнения.

Мутации, которые затрагивают половые клетки, способны передаваться следующему поколению.

Конкретный пример: мутация, приводящая к появлению укороченных крыльев у одного из представителей насекомого, в последующем времени проявится у остальных его видов, и, если эти насекомые живут в безветренном районе, то передвигаться им будет тяжело. В этом случае речь будет идти о приобретенном заболевании или даже уродстве.

Но вот если в такой местности начнут дуть сильные ветра, то первоначальный вид насекомых с длинными крыльями будут претерпевать неудобства, а короткокрылые, наоборот, будут иметь преимущества.

Таким образом, можно сказать, что мутации могут порождать новый вид организмов путем изменения геномной структуры существующего вида.