МУТАЦИИ

МУТАЦИИ (от лат. mutatio-изменение, перемена), внезапно возникающие естественные (спонтанные) или вызываемые искусственно (индуцированные) стойкие изменения наследств, структур живой материи, ответственных за хранение и передачу генетич. информации. Способность давать M. - 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. M., возникающие в половых клетках или спорах (генеративные M.), передаются по наследству; M., возникающие в клетках, не участвующих в половом размножении (соматические мутации), приводят к генетич. мозаицизму: часть организма состоит из мутантных клеток, другая - из не-мутантных. В этих случаях M. могут наследоваться только при вегетативном размножении с участием мутантных сома-тич. частей организма (почек, черенков, клубней и т. п.).

Внезапное возникновение наследств, изменений отмечалось MH. учёными 18 и 19 вв., было хорошо известно Ч. Дарвину, но углублённое изучение M. началось лишь с зарождением на пороге 20 в. экспериментальной генетики. Термин <М." ввёл в генетику в 1901 X. Де Фриз.

Типы мутаций. По характеру изменения генетич. аппарата M. делят на геномные, хромосомные и генные, или точковые. Геномные M. заключаются в изменении числа хромосом в клетках организма. К ним относятся: полиплоидия - увеличение числа наборов хромосом, когда вместо обычных для диплоидных организмов 2 наборов хромосом их может быть 3, 4 и т. д.; гаплоидия - вместо 2 наборов хромосом имеется лишь один; анеуплоидия - одна или неск. пар гомоло-гич. хромосом отсутствуют (нуллисомия) или представлены не парой, а лишь одной хромосомой (моносомия) либо, напротив, 3 или более гомологичными партнёрами (трисомия, тетрасомия и т. д.). К хр ом о с о м н ы м M., или хромосомным перестройкам, относятся: инверсии - участок хромосомы перевёрнут на 180°, так что содержащиеся в нём гены расположены в обратном порядке по сравнению с нормальным; транслокации - обмен участками двух или более негомологичных хромосом; делеции - выпадение значит, участка хромосомы; нехватки (малые делеции) - выпадение небольшого участка хромосомы; дупликации - удвоение участка хромосомы; фрагментации - разрыв хромосомы на 2 части или более. Генные M. представляют собой стойкие изменения химич. строения отд. генов и, как правило, не отражаются на наблюдаемой в микроскоп морфологии хромосом. Известны также M. генов, локализованных не только в хромосомах, но и в нек-рых самовоспроизводящихся органеллах цитоплазмы (напр., в митохондриях, пластидах; см. Наследственность цитоплазматическая).

Изменения признаков организма" вызываемые мутациями. В результате M. могут изменяться самые различные био-химич., физиологич. и морфологич. признаки организма. Изменения эти у организмов, претерпевших M.,- мутантов - могут быть резко выраженными или слабыми, представляющими лишь незначит. отклонения от среднего для данного вида значения признака (примеры некоторых M. см. на вклейке). Полиплоид-ные мутанты обычно характеризуются увеличением размеров клеток и всего организма. Если у полиплоида число наборов хромосом чётное (сбалансированные полиплоиды), то плодовитость обычно сохраняется или понижена не сильно; полиплоиды же, у к-рых число наборов хромосом нечётное (несбалансированные полиплоиды), бесплодны или обладают низкой плодовитостью (при созревании половых клеток хромосомы распределяются в них беспорядочно, что приводит к образованию анеуплоидных гамет, б. ч. неспособных к оплодотворению или дающих нежизнеспособные зиготы). Гаплоид-ные мутанты имеют мелкие клетки, размеры организма уменьшены по сравнению с диплоидной нормой, наблюдается полное или почти полное бесплодие, т. к. лишь немногие гаметы содержат полный набор хромосом. Анеуплоиды характеризуются весьма значит, изменениями различных признаков организма, нередко столь сильными, что вызывают его гибель или бесплодие. Обычно менее резкие изменения наблюдаются в случае делеции, нехваток и дупликации, причём степень изменения признаков в общем пропорциональна длине выпавшего или удвоенного участка хромосомы (крупные делеции могут вызывать гибель организма). Инверсии и транслокации сами по себе не вызывают изменений признаков организма (если не сопровождаются эффектом положения гена, т. е. изменением его фенотипич. проявления вследствие

I. Мутации окраски оперения у канареек: 2 - дикий тип - зелёная; мутантные формы: 1 - жёлтая, 3 - пятнистая.

II. Мутации окраски шерсти у домовой мыши: 1 - дикий тип - серая окраска; мутантные формы: 2 - белая, 3 - жёлтая, 4 - черная, S - коричневая, б - мелкокрапчатая. III. Мутации окраски и формы глаз у плодовой мушки - дрозофилы: 1 - дикий тип - тускло-красные глаза; мутантные формы: 2 - розовые глаза, 3 - белые, 4 - уменьшенные, "полосковидные". IV. Мутантные формы ячменя: поздняя полегающая (слева) и ранняя неполегающая (справа). V. Соматические мутации, вызванные у растений ионизирующей радиацией (рентгеновские или гамма-лучи): появление белой окраски в красных цветках табака (1) и двух сортов львиного зева (2 и 3); на рис. 3 слева - нормальный цветок, справа - мутировавший после облучения.

Антоцеротовые мхи: 1 - Anthoceros punctatus; печёночные м х и: 2 - Riccia glauca, 3 - Riccia fluitans, 4 - Conocephalum conicum, 5 - Marchantia polymorpha, 6 - Riccardia pinguis, 7 - Plagiocnila asplenioides; л и стостебельные мхи: 8 - Sphagnum palustre, 9 - Sphagnum magellanicum, 10 - Sphagnum recurvum, 11 - Sphagnum fuxum, 12 - Polytrichum commune, 13-Dicranum scoparium, 14-Funaria hygrometrica, 15 - Splachnum rubrum, 16 - Fontinalis antipyretica. 17 - Ptilium crista-castrensis, 18 - Rhytidiadelphus triquetrus, 19 - Bryum marratii.

K cm. Mxu.

соседства с иными, чем прежде, генами), но приводят к существенным генетич. последствиям, т. к. у гетерозигот по инверсиям затруднён обмен участками между нормальной и несущей инверсию хромосомой (см. Кроссинговер), а гетерози-готы по транслокациям дают частично анеуплоидные, часто нежизнеспособные, половые клетки. Это же происходит в случае фрагментации в результате утери фрагмента хромосомы, оставшегося без центромеры.

Генные M., составляющие осн. долю всех M., вызывают чрезвычайно разнообразные изменения признаков организма, причём изменение одного гена обычно приводит к изменению неск. признаков (см. Плейотропия). Генные M. могут быть доминантными, полудоминантными и рецессивными (см. Доминантностъ, Рецессивность). В результате M. ген может переходить в разные состояния (множественные аллели одного и того же гена), по-разному влияющие на контролируемые данным геном признаки организма. Мутантные гены могут отличаться от соответствующих нормальных тем, что специфический для данного гена продукт (чаще всего фермент) не образуется вовсе; образуется в меньшем или превышающем норму количестве; образуется продукт, инактивирующий или тормозящий продукт немутантного гена; вместо нормального образуется иной, не взаимодействующий с ним продукт, отсутствующий у немутантных особей. Претерпевший M. ген обычно столь же стабилен, как немутантный, из к-рого он произошёл; вследствие новой M. он может вернуться к исходному состоянию (обратные M.). Генные M., как правило, вредны для организма, они нарушают жизненные процессы, протекающие в организме, снижают его жизнеспособность и плодовитость; нередко мутантный ген обусловливает гибель развивающегося организма (летальные M.). Реже возникают генные M., сравнительно мало влияющие на жизнеспособность и плодовитость организма, ещё реже - улучшающие те или иные его свойства. Эта последняя категория генных M., несмотря на свою относит, редкость, имеет огромное значение, т. к. даёт осн. материал как для естественного отбора, так и для искусственного отбора, являясь необходимым условием эволюции и селекции.

Причины мутаций и их искусственное вызывание. Полиплоидия чаще возникает, когда хромосомы в начале клеточного деления - митоза - разделились, но деления клетки почему-либо не произошло. Искусственно полиплоидию удаётся вызвать, воздействуя на вступившую в митоз клетку веществами, нарушающими ци-тотомию. Реже полиплоидия бывает следствием слияния 2 соматич. клеток или участия в оплодотворении яйцеклетки 2 спермиев. Гаплоидия - б. ч. следствие развития зародыша без оплодотворения (см. Партеногенез). Искусственно её вызывают, опыляя растения убитой пыльцой или пыльцой др. вида (отдалённого). Осн. причина анеуплоидии - случайное нерасхождение пары гомологичных хромосом при мейозе, в результате чего обе хромосомы этой пары попадают в одну половую клетку или в неё не попадает ни одна из них. Реже возникают анеуплоиды из немногих оказавшихся жизнеспособными половых клеток, образуемых несбалансированными полиплоидами.

Причины хромосомных перестроек и наиболее важной категории M.- генных - долгое время оставались неизвестными. Это давало повод для ошибочных автогенетич. концепций (см. Автогенез), согласно к-рым спонтанные генные M. возникают в природе якобы без участия воздействий окружающей среды. Лишь после разработки методов количеств, учёта генных M. выяснилась возможность вызывать их различными физич. и химия, факторами - мутагенами. Первые данные о влиянии излучений радия на наследств, изменчивость у низших грибов были получены в СССР (Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов, 1925). Убедительные доказательства возможности искусственно вызывать M. были приведены в 1927 Г. Меллером, обнаружившим в опытах на дрозофиле сильное мута-генное действие рентгеновских лучей. В дальнейшем работами по генетическому действию излучений на различные организмы была установлена универсальная способность всех ионизирующих излучений вызывать не только генные M., но и хромосомные перестройки. Мутагенное действие нек-рых химич. веществ было впервые обнаружено в СССР M. H. Мей-селем (1928), В. В. Сахаровым (1933) и M. E. Лобашёвым (1934); первый сильный химич. мутаген (чужеродная ДНК) был открыт в 1939 С. M. Гершензоном с сотрудниками; в 1946 сильное мута-генное действие формалина и этилен-имина было установлено сов. генетиком И. А. Рапопортом, иприта - англ, генетиками Ш. Ауэрбах и Д. Робсоном. Позже были открыты сотни других химич. мутагенов. Сильные физич. и химич. мутагены увеличивают частоту возникновения генных M. и хромосомных перестроек во много десятков раз, а наиболее мощные химич. мутагены (т. н. супер-мутагены, многие из к-рых открыты и изучены сов. генетиком И. А. Рапопортом с сотрудниками) - даже в сотни раз по сравнению с частотой возникающих естественно спонтанных M. В опытах на культурах клеток и на лабораторных животных обнаружено мутагенное действие MH. вирусов. Мутагеном у вирусов, по-видимому, служит их нуклеиновая к-та. T. о., вирусы-не только возбудители MH. болезней животных и человека, растений и микроорганизмов, но и один из источников их наследств, изменчивости. Все мутагены вызывают генные M., прямо или косвенно изменяя молекулярную структуру нуклеиновых кислот, в к-рой закодирована генетич. информация.

Экспериментальные исследования спонтанных и индуцированных M. (наиболее изучены M. у кукурузы, дрозофилы, а также ряда микроорганизмов) вскрыли ряд важных особенностей мутирования генов. Частота возникновения спонтанных M. неодинакова для разных генов и различных организмов, составляя для отд. гена от 1 : 10⁵ до 1 : 10⁷ в поколение; немногие, т. н. мутабильные, гены характеризуются значительно более высокой частотой мутирования. Частота прямых и обратных M. одного и того же гена нередко различна. Мутагены повышают частоту M. примерно одинаково для всех генов, так что соотношение более часто и сравнительно редко мутирующих генов ("спектр" M.) остаётся приблизительно одинаковым как при спонтанном, так и при индуцированном мутац. процессе (в случае химич. мутагенов могут наблюдаться небольшие различия в спектрах вызываемых ими M.). Лишь у микроорганизмов нек-рые химич. мутагены сильнее повышают частоту мутирования определённых генов, чем остальных ("горячие точки" хромосом). Сходное явление обнаружено при мутагенном действии нуклеиновых K-T и вирусов на многоклеточные организмы. Соотношение общего числа генных M. и хромосомных перестроек различно при действии физич. и химич. мутагенов - для вторых характерна большая доля генных M., чем для первых; те или иные различия имеются и в действии разных химич. мутагенов.

Далеко не все изменения, вызываемые мутагенами в ДНК клетки, реализуются в M. Во MH. случаях повреждённый участок ДНК удаляется в процессе рекомбинации или "вырезается" имеющимися в клетке т. н. репарирующими ферментами, восстанавливающими структуру ДНК, и при дальнейшей репликации ДНК замещается соответствующим нормальным участком (см. Репарация). Частота любых M. зависит от MH. внешних и внутр. факторов - темп-ры, парциального давления кислорода, возраста организма, фазы развития и физиологич. состояния клетки и др. Большое значение имеют особенности генотипа: даже в пределах одного вида генетически разнящиеся линии могут обладать различной мута-бильностью. У ряда организмов описаны т. н. гены-мутаторы, резко повышающие частоту M. Благодаря зависимости мутабильности от генетич. факторов, её удаётся повышать или понижать искусств, отбором. Неодинаковая мута-бильность разных видов - следствие аналогичного действия естеств. отбора в ходе их эволюции.

Значение мутаций для эволюции, селекции и медицины. Основы понимания роли M. в эволюции были заложены в 20-х гг. 20 в. работами сов. генетика С. С. Четверикова, англ, учёных Дж. Холдейна и P. Фишера и американского учёного С. Райта, положивших начало развитию эволюц. генетики. Было показано, что все наследств, изменения, служащие материалом для эволюции, обязаны M. (комбинативная изменчивость, возникающая путём образования новых сочетаний генов при скрещивании, в конечном счёте, тоже есть следствие M., обусловливающих генетич. различия скрещивающихся особей). В отличие от модификаций, M. не являются однозначной реакцией на вызывающее их воздействие; один и тот же мутагенный фактор приводит к возникновению разнообразных M., затрагивающих те или иные признаки организма и изменяющих их в разных направлениях. Поэтому сами по себе M. не имеют адаптивного характера. Однако постоянно возникающие у любого вида живых существ M., многие из к-рых к тому же длительно сохраняются в популяции в скрытом виде (рецессивныеМ.), служат резервом наследств, изменчивости, к-рый позволяет естественному отбору перестраивать наследств. признаки вида, приспосабливая его к меняющимся -условиям среды (изменению климата или биоценоза, переселению в новый ареал и т. п.). T. о., адаптивность эволюц. изменений - следствие сохранения естеств. отбором носителей тех M. и их сочетаний, к-рые оказываются полезными в данной обстановке. При этом M., бывшие в одних условиях вредными или нейтральными, могут оказаться полезными в изменившихся условиях. Наибольшее значение для эволюции имеют генные M. Несмотря на относит, редкость M. каждого гена, общая частота спонтанных генных M. весьма значительна, т. к. генотип многоклеточных организмов состоит из десятков тысяч генов. В результате ту или иную генную M. несёт большая доля образуемых организмом гамет или спор (у высших растений и животных эта доля достигает 5-30% ), что создаёт предпосылки для эффективного действия естеств. отбора. Хромосомные перестройки, затрудняющие рекомбинацию,- инверсии и транслокации - способствуют репродуктивной изоляции отд. групп организмов и их последующей дивергенции (см. Видообразование); дуплика-ции ведут к увеличению числа генов в генотипе и возрастанию их разнообразия вследствие происходящей затем дифференциации генов в дуплицированных участках хромосом. Полиплоидия играет большую роль в эволюции растений; при этом, помимо репродуктивной изоляции, она в ряде случаев восстанавливает плодовитость бесплодных межвидовых гибридов.

С разработкой способов искусств, му-тагенеза открылась возможность значит, ускорения селекции - селекционерам стал доступен гораздо больший исходный материал, чем при использовании редких спонтанных мутаций. В 1930 сов. учёные А. А. Сапегин и Л. H. Делоне впервые применили ионизирующую радиацию в селекции пшеницы. В дальнейшем методами радиационной селекции были выведены новые высокоурожайные сорта пшеницы, ячменя, риса, люпина и др. с.-х. растений, ценные штаммы микроорганизмов, используемых в промышленности. В селекции с хорошими результатами применяются и химические мута-гены.

Геномные M., хромосомные перестройки и генные M. - причина многих наследственных заболеваний и врождённых уродств у человека. Поэтому ограждение человека от действия мутагенов - важнейшая задача. Огромное значение в этом отношении имело осуществлённое по инициативе СССР запрещение испытаний ядерного оружия в атмосфере, загрязняющих окружающую среду радиоактивными веществами. Очень важно тщательное соблюдение мер защиты человека от радиации в атомной индустрии, при использовании радиоактивных изотопов, рентгеновских лучей и т. п. Необходимо изучение возможного мутагенного действия различных новых лекарственных средств, пестицидов, химич. препаратов, применяемых в пром-сти, и запрещение произ-ва тех из них, к-рые окажутся мутагенными. Профилактика вирусных инфекций имеет значение и для защиты потомства от мутагенного действия вирусов. См. также Генетика, Генетика микроорганизмов, Изменчивость, Молекулярная генетика, Радиобиология.

Лит.: Супермутагены. Сб. ст., M., 1966; Лобашев M. E., Генетика, 2 изд., JL, 1967, гл. 11, 14; Гершкович И., Генетика, пер. с англ., M., 1968, гл. 11 - 14, 30, 31; С о и ф е р В. H., Молекулярные механизмы мутагенеза, M., 1969; Дубинин H. П., Общая генетика, M., 1970, гл. 17, 20; Ратн‘ер В. А., Принципы организации и механизмы молекулярно-гене-тических процессов, Новосиб., ?972, гл. 3; S err a J. A., Modern genetics, v. 3. L.-N. Y., 1968, ch. 20-22; A u e r-bach C., Kilbey B. J., Mutation in Eukaryotes, "Annual Review of Genetics" 1971, v. S, p. 163; Banks G. R., Mutagenesis: a review of some molecular aspects, "Science Progress", 1971, v. 59, № 236.

C. M. Гершензон.