2.1. Мутагенез

Мутагенез - это внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (мутаций).

Внезапное возникновение наследственных изменений отмечалось многими учёными 18 и 19 вв., было хорошо известно Ч. Дарвину, но углублённое изучение М. началось лишь с зарождением на пороге 20 в. экспериментальной генетики.

Термин "М." ввёл в генетику в 1901 г. Де Фриз.

Различают естественный (спонтанный) и искусственный (индуцированный) мутагенез.

1 Естественный мутагенез

2 Искусственный мутагенез

2.1 Ненаправленный мутагенез

2.2 Направленный мутагенез

2.2.1 Мутагенез по Кункелю

2.2.2 Мутагенез с помощью ПЦР

Естественный мутагенез

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

Искусственный мутагенез

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 определенной 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 целям мутагенеза. Ненаправленный мутагенез более трудоемок и его проведение оправдано, если разработана эффективная система скрининга мутантов.

Направленный мутагенез

В направленном (сайт-специфическом) мутагенезе изменения в ДНК вносятся в заранее известный сайт. 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

ПЦР 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 ее специфичность.

2.2. Мутации

Мутации (от лат. mutatio - изменение, перемена), внезапно возникающие естественные или вызываемые искусственно (индуцированные) стойкие изменения наследственных структур живой материи, ответственных за хранение и передачу генетической информации. Способность давать мутации - мутировать - универсальное свойство всех форм жизни от вирусов и микроорганизмов до высших растений, животных и человека; оно лежит в основе наследственной изменчивости в живой природе. Мутации, возникающие в половых клетках или спорах (генеративные), передаются по наследству; мутации, возникающие в клетках, не участвующих в половом размножении (соматические мутации), приводят к генетическому мозаицизму: часть организма состоит из мутантных клеток, другая - из немутантных. В этих случаях мутации могут наследоваться только при вегетативном размножении с участием мутантных соматических частей организма (почек, черенков, клубней и т. п.).

Мутант – наследственно измененная в результате мутации форма организма. Мутанты могут возникать спонтанно, либо под действием мутагенов. Большинство мутантов отличаются от исходных организмов нарушением различных структур и функций и, как правило, имеют пониженную жизнеспособность. Гораздо реже возникают мутанты, обладающие преимуществами. Такие мутанты широко используют для выведения новых сортов растений и пород животных, а также для получения штаммов микроорганизмов - продуцентов аминокислот, витаминов, антибиотиков и других биологически активных веществ. В генетике мутанты используют для изучения закономерностей мутационного процесса – строения и функционирования генетического аппарата, путей биосинтеза и т.п. Мутанты играют очень важную роль в эволюции, т.к. представляют собой материал для естественного отбора.

Мутации называют прямыми, если их проявление приводит к отклонению признаков от дикого типа, и обратными (или реверсиями), если их проявление приводит к полному или частичному восстановлению дикого типа.

Мутации бывают генеративными (происходит в половых клетках и в этом случае передается последующим поколениям), соматическими (происходит в любых других соматических клетках организма и в этом случае наследуется только при вегетативном размножении), ядерными (затрагивают хромосомы ядра), цитоплазматическими (затрагивают генетический материал, заключенный в цитоплазматических органоидах клетки – митохондриях, пластидах и т.п.).

По характеру изменения генотипа различают:

Генные мутации представляют наследственные, микроскопически не выявляемые изменения в хромосомах. Генные мутации сопряжены либо с заменой пары азотистых оснований в полинуклеотидной цепи ДНК, либо с вставкой или выпадением нескольких отдельных нуклеотидов.

Хромосомные мутации (хромосомные абберации) разделяют на внутрихромосомные и межхромосомные. К внутрихромосомным мутациям относят делецию (утрата части хромосомы), дупликацию (удвоение части хромосомы) и инверсию (изменение последовательности расположения генов по длине хромосомы за счет перевертывания – инверсии участка хромосомы на 180 С). К межхромосомным мутациям относят транслокацию – обмен участками между двумя хромосомами.

Геномные мутации заключаются в изменении числа хромосом. Увеличение числа хромосом, кратное гаплоидному набору хромосом, называют полиплоидией. Отсутствие или избыточное количество отдельных хромосом объединяют понятием анеуплоидия, которую подразделяют на гиперплоидию (увеличение числа хромосом) и гипоплоидию (потерю отдельных хромосом хромосомного набора). Геномные мутации возникают за счет повреждений в процессе мейоза ведущих к нерасхождению хромосом или хроматид по дочерним клеткам.