Мутации.

Термин «мутация» предложил де Фриз в 1901 году как понятие «скачкообразного изменения наследственного признака» при изучении наследственности у растений. Позднее Бейеринк распространил это понятие и на бактерии. Мутация – изменение первичной структуры ДНК, проявляющееся наследственно закрепленной утратой или изменением какого-либо признака или группы признаков.

Мутации у бактерий обнаруживаются по изменению любого известного признака, например, способность синтезировать аминокислоту, чувствительность к антибиотикам и др. Существуют различные типы мутаций. По происхождению мутации могут быть спонтанными и индуцированными.

Мутации у микроорганизмов долгое время не признавались, все фенотипические изменения истолковывались как адаптации. Понадобились веские доказательства независимости мутаций от внешних факторов, то есть доказательства их спонтанного характера. Это было сделано рядом исследователей: С. Лурна и М. Дельбрюком (1943), Г. Ньюкомбом (1949) и другими учеными, использовавшими для выявления мутантов метод реплик, предложенный Е. и Дж. Ледербергами (1952). Для доказательства спонтанных мутаций у бактерий Ньюкомб использовал перераспределительный тест. Культура кишечной палочки, чувствительной в фагу, высевалась на дно чашки с питательным агаром и инкубировалась 6 часов до появления микроколоний. Затем на некоторых чашках производилось перераспределение колоний шпателем, остальные чашки оставались нетронутыми (контроль). После этого все чашки засевались фагом, повторно инкубировались и подсчитывалось число колоний, выросших из фагоустойчивых клеток. Оказалось, что на чашках, где было произведено перераспределение, оно было значительно большим, чем на контрольных. Если бы фагоустойчивые мутанты возникали только при контакте с фагом (прямая адаптация), то число колоний на опытах и контрольных чашках было бы примерно одинаковым. Если же они возникают спонтанно до контакта с фагом, то в зависимости от времени их образования может появиться колония мутантных клеток, при перераспределении которых каждая из них даст колонию фагоустойчивых клеток. Поэтому на чашках, где было произведено перераспределение, число таких колоний оказалось значительно большим. Результаты опытов Г.Ньюкомба, как и более ранних – С. Луриа и М. Дельбрюка, доказали спонтанность мутаций у микроорганизмов и несостоятельность гипотезы «прямой адаптации».

Спонтанные мутации в популяции бактерий возникают регулярно без всякого экспериментального вмешательства. К их появлению приводят ошибки репликации, неправильное формирование комплементарных пар оснований или структурные искажения ДНК под действием естественных мутагенов. Как возможную причину спонтанных мутаций у бактерий рассматривают случайные ошибки при включении нуклеотидов во время репликации ДНК. Например, тимин, который обычно находится в оксо-форме и образует водородные связи в аденином, может перейти в енольную форму, и тогда он связывается с гуанином. В результате в новой молекуле ДНК на том месте, где раньше находилась пара Т-А, появляется пара Г-Ц. Возникают спонтанные мутации довольно редко, в среднем их частота составляет 10^-4-10^-11, то есть измененной оказывается одна клетка на 10⁴-10¹¹ клеток. Появившиеся мутанты быстро образуют устойчивую популяцию. У мутанта может произойти обратная мутация, в результате которой восстанавливается исходный генотип, однако такие мутации возникают гораздо реже, чем прямые. Возврат к изначальному фенотипу может произойти в результате вторичной мутации, которая происходит в отдаленном от первой мутации участке ДНК. Такие мутации называют суперссорными.

Индуцированные мутации происходят с большей частотой. Они возникают в результате действия различных мутагенов: химических, физических или биологических. Возможность искусственного индуцирования мутаций впервые была показана Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым (1925). Они впервые обнаружили мутагенное действие рентгеновских лучей на дрожжи. В 1927 году Г. Меллер подтвердил возможность индуцированного мутагенеза на дрозофиле. Позже, в 1938 году, И. Раппопорт установил, что химические вещества также вызывают мутагенез.

В отношении генетической структуры различают три класса мутантов со следующими дефектами: 1) одна пара оснований заменена другой (транзиции и трансверсии); 2) в нуклеотидную последовательность включена дополнительная пара оснований или утрачена одна из существующих пар (мутации со сдвигом рамки); 3) группа оснований или генов может быть утрачена (делеция), перемещена в пределах хромосомы (транспозиция) или разорвана путем вставки посторонней ДНК (инсерция).

Одной из форм мутаций является диссоциация – возникновение в популяции микроорганизмов особей, отличающихся от исходных внешним видом и структурой колонии: S- и R-формы. S-формы колоний (англ. smooth - гладкий) – круглые, влажные, с блестящей гладкой поверхностью, ровными краями; R-формы (англ. rough - шероховатый) образуют колонии неправильной формы, непрозрачные, сухие с зазубренными краями и неровной шероховатой поверхностью. Различному внешнему виду колоний соответствует ряд свойств. Чаще S-формы более вирулентны, клетки имеют нормальную морфологию, биохимически более активны, обычно выделяются в остром периоде заболевания; у капсульных видов хорошо развиты капсулы, у подвижных видов имеются жгутики. Гладкие и шероховатые колонии являются крайними формами диссоциации, между которыми могут встречаться переходные формы. Считается, что в данном случае мутации затрагивают гены, которые контролируют синтез липополисахаридов клеточной стенки бактерий. Диссоциация обычно выявляется в стареющих культурах, причем как в искусственных, так и в природных условиях, например, у патогенных микроорганизмов. Большинство из них имеет полноценные свойства, находясь в S-форме, однако существуют исключения: для микобактерий туберкулеза, бацилл сибирской язвы и возбудителя чумы нормальной является R-форма.

Влияние мутаций на свойства фенотипа обычно проявляется через изменение структуры белка вследствие нарушения транскрипции или трансляции. Судьба мутантных организмов зависит от степени сохранения их жизнеспособности. Мутации, связанные с приобретением лекарственной устойчивости, дают микроорганизмам важные селективные преимущества в условиях повсеместного применения антибиотиков и других химиопрепаратов. На практике мутагенез используют для получения и усиления полезных признаков микроорганизмов. Например, после облучения продуцента пенициллина были получены штаммы, которые по своей активности в сотни раз превосходят исходные: при создании оптимальных условий роста биосинтез пенициллина повышался в 10 тысяч раз, рибофлавина – в 20 тысяч, цианокобаламина – в 50 тысяч раз. В настоящее время почти все антибиотики вырабатываются путем применения мутантных штаммов. Среди продуцентов аминокислот особое место занимает биохимический мутант продуцента лизина. Он синтезирует в 300-400 раз больше лизина, чем естественные штаммы. Применение мутантов в производстве аминокислот микробиологическим методом вытесняет промышленные методы химического синтеза аминокислот и выделения их из гидролизата белков.