Изучение мутационного процесса
Реферат
Изучение мутационного процесса
В 1899 г. два ученых — русский Сергей Иванович Коржинский и голландец по происхождению, большую часть своей жизни проработавший в Германии, Гуго де Фриз — описали явление наследственной изменчивости в естественных природных условиях. Среди подавляющей массы нормальных организмов различных видов они обнаружили отдельные особи, резко отличавшиеся от других по своим внешним признакам. Эти формы де Фриз назвал мутациями, или мутантами. Характерной особенностью мутантов было то, что свои измененные признаки мутанты передавали потомкам. Иначе говоря, природа изменчивости была наследственной.
В короткий срок явление возникновения наследственно измененных особей было описано для многих растений и животных. Стало ясно, что возникновение мутантов среди массы нормальных особей происходит у всех видов живых существ. Частота возникновения мутантов оказалась примерно одинаковой у всех исследованных видов живых организмов. В среднем один мутант возникал среди. 100 тыс. или миллиона особей.
Естественно, что исследователей с первых же дней появления этой работы начал интересовать вопрос о природе мутаций и причинах их возникновения. Поскольку мутации — это изменение наследственных свойств организмов, то их природа, видимо, связана с какими-то нарушениями в составе и строении хромосом, несущих генетическую запись. Но вот узнать, что меняется в хромосомах при возникновении мутаций, долгое время не удавалось. Более того, на протяжении почти четверти века генетики не могли научиться вызывать мутации искусственно и находили мутанты только в естественных условиях, в природе. Изучение мутантов велось интенсивно, но всякие попытки вызвать мутации искусственно окончились неудачно.
Но вот в 1925 г. в лаборатории академика Георгия Адамовича Надсона в Ленинграде в опытах по изучению влияния различных облучений на клетки микроскопических грибов удалось вызвать мутации искусственно. Ученик Г. А. Надсона, ныне покойный Григорий Семенович Филиппов, в опытах, проведенных вместе с С. А. Надсоном, впервые описал так называемый «индуцированный мутагенез» у дрожжей под действием лучей радия. Через два года в США Германн Мёллер показал мутагенное действие лучей Рентгена на дрозофилу.
Так был открыт радиационный мутагенез, т. е. искусственное вызывание мутаций при воздействии на живые организмы различного рода излучений. Сейчас показано, что практически все виды лучистой энергии способны изменять наследственность всех без исключения живых организмов — от вирусов до человека.
Долгое время вызвать в лаборатории мутации с помощью химических воздействий не удавалось. Многие ученые верили в то, что это возможно, но повторялась та же история, что и с Радиацией. Попыток было сделано много, но все они оказывались безрезультатными. Томас Морган в США, Н. К. Кольцов в СССР и многие другие ставили такие опыты сами и поручали их своим ученикам, но эффект был один. И только в 1932 г. Ученик Кольцов В.В. Сахаров наконец-то доложил о своих успешно завершенных опытах: с помощью раствор йода он сумел вызвать мутации у личинок дрозофилы. Сахаров выдерживал некоторое время личинки в растворе йода йодистом калии (так как йод в чистой воде растворяете плохо), и у особей мух, развивавшихся из этих личинок, частота мутаций оказалась повышенной в несколько раз. Через некоторое время еще в нескольких лабораториях в ССС (С. М. Гершензон, М. В. Лобашов, И. А. Рапопорт) и в ряде других стран (в Англии — Ш. Ауэрбах, в Америке — М. Beстергаард и другие) было доказано мутагенное действие ряда химических веществ. Уже после окончания второй миров войны исследования по изучению химического мутаген стали проводиться исключительно широко.
Многие годы генетики считали, что химический мутаген был открыт в середине 30-х годов. Но это оказалось неправильным. Еще в 1928 г. в той же лаборатории Г. А. Надсона где было впервые установлено мутагенное действие излучения, был открыт и химический мутагенез. Другой ученик Г. А. Надсона Максим Николаевич Мейсель, ныне член-корреспондент Академии наук СССР, доказал, что пары хлороформа вызывают мутации у дрожжей. Эту работу он продолжал в течение почти десяти лет. Он изучил сотни поколений измененных особей и показал, что, изменения стойко передаются потомкам, кроме того, он изучил несколько химических веществ, изменяющих наследственность. Эти опыты не были своевременно признаны, потому что многие ученые в то время не верили в существование у микробов таких же наследственных молекул, какие имеются и у высших организмов Поэтому опытам на микроорганизмах не очень-то доверяли.
Но все-таки наиболее планомерные и результативные исследования начались после того, как была установлена структура вещества наследственности — дезоксирибонуклеиновой кислоты. Как только выяснили, какие химические вещества слагают хромосомы, стало возможным планировать так эксперименты, чтобы целенаправленно искать все новые и новые вещества, изменяющие наследственность. Теперь известно, что многие вещества, способные реагировать с радикалами в ДНК: (отрывать от них отдельные атомы или группы их или, напротив, передавать им свои части), могут изменять генетический код. Сегодня открыто так много различного рода химических и радиационных мутагенов, что даже перечислить их довольно трудно. Гидроксиламин, гидразины, азотистая кислота, различного рода акридиновые красители, аналоги азотистых оснований, уретаны, изменения в кислотности среды, повышение температуры, практически все виды лучистой энергии, многие ядовитые и отравляющие вещества (азотистый и серный имприт другие алкилирующие вещества) вызывают мутации.
Мутации можно вызвать в клетках покоящихся и в клетках делящихся. Есть мутагены, которые проявляют свою активность вне зависимости от того, делится клетка или нет (например, многие алкилирующие агенты, т. е. вещества, передающие алкильный радикал СН>3>, С>2>Н>5> и др. атомам в ДНК, гидроксиламин и др.), но есть и такие, которые могут изменять наследственную запись только в момент деления клеток, когда происходит удвоение молекул ДНК (например, аналоги азотистых оснований).
Изучение химии взаимодействия мутагенов с ДНК выявило еще одно важное правило. Оказалось, что большинство мутагенов взаимодействует со строго определенными составными частями в ДНК. Вспомним, что ДНК составлена из двух сахаро-фосфатных цепей, к которым присоединены по их длине четыре типа азотистых оснований — аденин, тимин, гуанин и цитозин. Оказалось, что некоторые мутагены взаимодействуют только с цитозином, а другие только с аденином. Это позволяет использовать в некоторых случаях вполне определенные вещества, чтобы изменять вполне определенные части в ДНК.
За последние несколько лет стала вырисовываться еще одна важная закономерность. Bo время жизни клеток ее генетическая информация постоянно участвует в управлении синтезами внутри клеток, ведь именно в ДНК записана программа для синтеза белков в клетках. Когда эта наследственная программа переписывается особыми ферментами с молекул ДНК на другие молекулы, может также происходить индукция ошибок в ДНК. Мутации появляются и в момент размножения, молекул или во время обмена генетической информацией между хромосомами. Постепенно все яснее и яснее становится общее правило, что не только за счет искусственных и часто необычных воздействий на организм (ядами или излучением) происходят изменения в наследственности живых организмов на земле. И в обычных условиях, за счет нормально протекающих в организмах ферментативных процессов происходит накопление ошибок в ДНК, хотя, конечно, частота этого процесса много меньше, чем при воздействии сильно повреждающими агентами.
Изучение мутационного процесса стало важной отраслью современной генетики. С помощью мутагенов ученые получают нужные им организмы, которые затем используются в селекционной работе. Практически все микробы—продуценту антибиотиков, витаминов, других биологических активных веществ — получены с помощью мутагенной обработки. Мутанты все чаще используют в селекции растений. Так открытие Коржинского и де Фриза было поставлено на службу человека.
Стала выясняться и молекулярная основа мутаций.
Природа молекулярных изменений генов во время мутагенеза оставалась туманной до появления гипотезы Уотсона и Крика относительно структуры ДНК. Уже в этой гипотезе содержалось зерно будущих представлений о том, что обусловливает возникновение мутаций. По мысли авторов замена одного из нуклеотидов в паре аденин — тимин или гуанин—цитозин на не комплементарного партнера должна была привести к изменению генетической записи. Однако конкретная модель мутагенных изменений была предложена в 1959 г. Эрнстом Фризом и развита им в последующие 3—4 года.
Фриз предположил, что все случаи точечных мутаций с точки зрения их молекулярной природы можно разделить на два основных типа: простые и сложные замены. При простых заменах происходит замена пуринового основания пуриновым (например, место гуанина занимал аденин), а пиримидинового — пиримидиновым (замена тимина цитозином и наоборот). При сложной замене пуриновое основание заменяется пиримидиновым и наоборот. В настоящее время более распространенными являются термины транзиция (для простых замен) и трансверсия (для сложных замен).
Переход к генетическим исследованиям микроорганизмов совершившийся сразу после второй мировой войны, дал возможность колоссально увеличить разрешающую способность генетических методов. Это удобство работы с микробами, когда в руках исследователя в одном опыте может оказаться до миллиарда легко учитываемых особей, сказалось прежде всего в исследовании молекулярных механизмов мутагенеза Э. Фриз и его коллеги сумели быстро доказать, что подавляющее большинство мутаций является точечными. Этим на молекулярном уровне было подтверждено правило, впервые высказанное еще в 1926 г. русским генетиком С. С. Четвериковым. Наряду с этим в классификации Э. Фриза сохранились такие типы мутаций, которые были ранее описаны в классической генетике как делеция (утеря части гена), дупликация (удвоения частей генов или даже целых генов), инверсия (переворот на 180° участков генов), транслокация (перемещение генов). Развитие работ по генетике бактериофагов позволило доказать наличие ряда таких мутаций и прежде всего делеций.
Однако в своей трактовке молекулярной природы точечных мутаций Фриз не учел того, что наряду с транзициями и трансверсиями могут быть мутации, изменяющие количество оснований в гене. Этот промах был исправлен Кембриджской школой молекулярных генетиков, которые в 1961 г. сначала предсказали (Бреннер, Барнет, Крик и Оргель), а затем экспериментально доказали, что наряду с заменами существуют такие точечные мутации, когда один или несколько нуклеотидов внедряются или, наоборот, выпадают из структуры ДНК. Такие мутации изменяют чтение всего последующего участка гена от точки изменения, и они получили название «мутации сдвига чтения».
Исключительно важными для молекулярной теории мутагенеза оказались работы по изучению аминокислотных замен в мутантных белках, выполненные на моделях бактериальных и растительных вирусов и белков кишечной палочки.
Наконец, в последнее время появилась надежда с молекулярных позиций объяснить загадку возникновения полных и мозаичных мутаций. Долгое время генетики не могли представить убедительных объяснений, почему в некоторых случаях поврежденными оказываются сразу обе нити ДНК (полная мутация), в то время как в других случаях изменению подвергается только одна из нитей (мозаичная мутация). Открытие ферментных систем, исправляющих повреждения ДНК, нанесенные физическими и химическими агентами, и выяснение молекулярного механизма их действия позволило обосновать тезис о том, что именно репарирующие системы переносят повреждение с одной нити ДНК на другую ее нить, вызывая появление полной мутации (Н. П. Дубинин и В. Н. Сойфер). Этот же принцип был использован для объяснения причин появления хромосомных, а не хроматидных мутаций стадии G>1>, когда ДНК хромосом остается не реплицирующейся при воздействии на клетки агентами, вызывающими репарируемые повреждения.
В первых же экспериментах по изучению действия радиации наследственные структуры — хромосомы было обнаружено, что хромосомы могут разрываться, образуя фрагменты. Впоследствии разрывы хромосом были описаны и в тех случаях, когда организмы или отдельные клетки обрабатывали химическими мутагенами. Но природа возникновения разрывов, оставалась непонятной до самого последнего времени.
В жизненном цикле клетки можно отметить следующие основные этапы: в фазе G>1> клетка готовится к удвоению ее генетических структур. В этой фазе хромосомы большинства клеток содержат одну двунитевую молекулу ДНК. В фазе S происходит удвоение генетического материала — репликация молекул ДНК, и клетки вступают в фазу G>2>, когда их хромосомы содержат уже две копии — хроматиды, каждая из которых несет по одной двунитевой молекуле.
В результате многочисленных работ по изучению химии взаимодействия мутагенов с ДНК было установлено, что, как правило, повреждению подвергается только одна нить ДНК, а другая остается неповрежденной. Если это так, то ДНК, поврежденная в фазе G>1> или G>2>, могла бы нести только хроматидные мутации. После репликации повреждение одной нити ДНК передалось бы ее дочерней копии — хроматиде, а вторая хроматида, синтезированная на неповрежденной нити ДНК, оставалась бы нормальной. Однако в экспериментах было найдено, что нередко повреждение захватывает обе нити ДНК и обе хроматиды сразу. В этом и заключалась основная трудность в понимании природы мутагенеза. В 1968 г. Н. П. Дубининым и В. Н. Сойфером была предложена модель, объясняющая эту основную трудность и позволяющая понять молекулярный механизм этого явления.
За последние годы были открыты особые ферментные системы, следящие за сохранением целостности генетического материала клетки и названные репарирующими системам. Наибольший интерес представляют ферменты так называемой темновой репарации.
Если в ДНК возникает повреждение, которое может быть узнано репарирующими ферментами, то прежде всего происходит надрез ДНК вблизи места повреждения. Вслед за этим участок, заключающий в себе повреждение, вырезается из структуры ДНК, а образовавшаяся брешь расширяется подобно тому, как при операциях хирурги вычищают некоторый участок здоровой ткани вокруг удаленного повреждения. Два последующих этапа — застройка образованной бреши здоровым материалом и соединение застроенного участка со старой нитью ДНК. Такая репарация может происходить на любой стадии клетки и, что самое главное, — в отсутствие репликации ДНК.
В 1968 г. два американских исследователя Фрэд Рапп и Пауль Говард-Фландерс экспериментально показали, что при некоторых типах поражения ДНК (при соединении двух рядом расположенных в ДНК тиминовых остатков в так называемый димер тимина), против них при синтезе ДНК остается настроенная брешь, и эта брешь оказывается долго живучи Таким образом, система «повреждение — оппозитная брешь» может существовать в ДНК длительное время.
Это интересное наблюдение Раппа и Говарда-Фландерса было учтено при создании модели хромосомных перестроек и полных генных мутаций.
Начнем изложение модели с того момента, когда одна из нитей ДНК получила повреждение. Если это повреждение может быть узнано репарирующими ферментами, то могут быть принципиально две возможности — либо само повреждение будет вырезано и затем зарепарировано с восстановлением нормальной структуры, либо — фермент закономерно или по ошибке вырежет не сам поврежденный участок, а противоположный ему. Принципиальным отличием поражений, узнаваемых репарирующими ферментами, от тех, которые остаются не идентифицированными ими, является нарушение правильности спирали ДНК Уотсона—Крика. Подтверждение этого предположения было получено автором этой статьи в опытах с мутагеном — гидроксиламином. Этот агент действует на цитозиновые основания в ДНК, и мутагенное последствие обработки гидроксиламином заключается в переводе цитозина за счет дезаминирования (отрыва аминной группы) в урацил. Поскольку урацил спаривается не с гуанином, как это делал цитозин, а с аденином, то происходит замена пары гуанин—цитозин на пару аденин—тимин, иными словами, возникает точечная мутация. Переход цитозина в урацил может не сопровождаться нарушением конфигурации ДНК, и согласно нашему предположению повреждения от гидроксиламина не Должны узнаваться репарирующими ферментами. Это было зарегистрировано в опытах с бактериофагом лямбда. Фаги обрабатывались раствором гидроксиламина, и по степени инактивации фага судили о репарируемости генетических повреждений. Совпадение кривых выживаемости фага в нормальных бактериальных клетках и мутантных клетках свидетельствовало об отсутствии репарации.
Таким образом, репарация тех повреждений, которые нарушают вторичную структуру ДНК, должна сопровождаться вырезанием или самого поврежденного участка или противоположного ему. Однако последствия этих двух актов будут совершенно различными. Участок ДНК, в котором повреждение, вырезано, будет быстро зарепарирован. Но как было показано американскими биохимиками Раппом и Говард-Фландерсом в 1968 г., молекула ДНК, несущая брешь против и поврежденного участка, будет долгое время оставаться незалеченной из-за того, что повреждение будет мешать репарирующим ферментам заделывать брешь в молекуле. В таком случае любое повторное «прохождение» блока репарирующих ферментов, следящих за «правильностью» молекул ДНК, приведет к вырезанию оставшегося не вылеченным поврежденного участка. Но в силу того, что первое вырезание оставалось незалеченным, второе вырезание закончится распадом молекулы ДНК на фрагменты. Распад молекулы ДНК повлечет за собой развал и самой хромосомы. Следствием всего процесса будет возникновение хромосомной перестройки в молекуле, первично поврежденной только в одной нити.
Изложенная идея позволяет понять многие экспериментальные факты, касающиеся возникновения хромосомных и хроматидных разрывов. Наибольшая частота хромосомных разрывов наблюдается как раз с теми мутагенами, которые вызывают нарушение вторичной структуры ДНК, а наибольшая частота хроматидных разрывов — с теми мутагенами, которые не нарушают спирали Уотсона—Крика
Какова же судьба оторвавшегося фрагмента ДНК? Во-первых, он может быть утерян, и это приведет к гибели клетки, например, за счет нарушения деления клеток. Во-вторых он может перейти в другую хромосому, образовав транслокацию. Этот способ генетического обмена осуществляется счет процесса кроссинговера, или рекомбинации, как его принято сейчас называть. Процесс перехода оторванного куска хромосомы к новой хромосоме можно представить следующим образом. Если в оторвавшемся фрагменте имеется последовательность оснований, комплементарная к последовательности оснований в другой хромосоме, то фрагмент сможет соединиться с этой хромосомой и затем образовать транслокацию.'
Принципиально тот же механизм может быть предложен для случаев полных генных мутаций. Хотя, как показали Рапп и Говард-Фландерс, скорость застройки брешей в поврежденной молекуле ДНК низка, но все же застройка имеет место.
При такой застройке, несомненно, синтезируемый участок будет отличаться от исходной структуры. Это произойдет потому, что матрицей для репаративного синтеза будет служить поврежденный участок оппозитной нити, что и закончится вставкой неверных оснований. Само явление вставки неверных оснований сразу после облучения ультрафиолетом наблюдалось в ряде экспериментов. Американские генетики Сетлоу, Каррир и Боллум в экспериментах с ДНК, облученной ультрафиолетовым светом, обнаружили, что в синтезируемых на такой ДНК молекулах информационных РНК имеется гораздо меньше АА-последовательностей (т. е. расположенных рядом двух адениловых остатков), чем в и-РНК, построенных на необлученных матрицах. Американский биохимик Яновский и сотрудники также отметили, что после повреждения цитозиновых нуклеотидов, расположенных рядом в гене щелочной фосфатазы кишечной палочки, происходит синтез измененной и-РНК, что заканчивается подстановкой в белок неверной аминокислоты.
Таким образом, основным условием появления полной мутации должна быть репарабельность первичного поражения. Нерепарируемые повреждения должны приводить к мозаицизму, а большая часть репарируемых повреждений заканчиваться полными мутациями.
Можно думать, что среди репарабельных поражений существуют два класса. Первый состоит из тех поражений, которые изменяют вторичную конфигурацию ДНК и в момент репаративного синтеза спариваются с комплементарным партнером, новым для данного сайта. Основным для появления полной мутации в этом случае является то, что образовавшаяся пара не будет далее изменять конфигурацию ДНК- Тем самым для появления полной мутации достаточно единственного акта вырезания с последующим репаративным синтезом.
Второй класс должны составлять такие поражения ДНК, которые изменяют вторичную конфигурацию ДНК и, следовательно, репарируются с неверным для этого участка партнером. Однако, даже спарившись, поврежденное основание будет по-прежнему нарушать нормальную структуру, и узнаваться ферментом — репарирующей эндонуклеазой. Поэтому стабилизация мутации наступит только после вторичного вырезания теперь уже самого поврежденного основания. Примерами изменений такого рода могут быть алкилированные основания, димеризованные тимины и т. д.
Мы можем назвать первый тип поражений ДНК мутационным, поскольку при таком поражении сразу формируется стабильное измененное основание. Второй тип в таком случай может быть назван мутагенным, так как он создает предпосылки для неверного спаривания, но сам должен быть устранен, и на его место должен встать нуклеотид, комплементарный основанию в репарированном участке.
Список литературы
Азимов А. Краткая история биологии. М.,1997.
Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М.,2000.
Либберт Э. Общая биология. М.,1978 Льоцци М. История физики. М.,2001.
Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.
Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М.,1993.