Длительное время считали, что спонтанные мутации являются беспричинными, однако теперь по этому вопросу существуют другие представления, сводящиеся к тому, что спонтанные мутации не являются беспричинными, что они являются результатом естественных процессов, протекающих в клетках. Они возникают в условиях природного радиоактивного фона Земли в виде космического излучения, радиоактивных элементов на поверхности Земли, радионуклидов, инкорпорированных в клетки организмов, которые вызывают эти мутации или в результате ошибок репликации ДНК. Факторы естественного радиоактивного фона Земли вызывают изменения в последовательности оснований или повреждения оснований подобно тому, как это имеет место в случае индуцированных мутаций (см. ниже).
Ошибки репликации ДНК заключаются в том, что какой-либо нуклеотид ошибочно включается в ДНК при ее репликации и при наличии недостатка в «редактирующем» механизме, что исключает коррекцию ошибок. Ошибки в репликации ДНК, т. е. «неаккуратность» ДНК-полимеразы оказывают влияние на частоту спонтанных мутаций. Ошибки репликации ДНК могут быть также связаны с химической нестабильностью нуклеотидов, сопровождающейся изменением спаривающей способности азотистых оснований. Например, цитозин может быть дезаминирован в урацил, который затем распознается ДНК-полимеразой как тимин в течение репликации ДНК.
Определение частот спонтанных мутаций организмов разных видов проводят с помощью разных способов, один из которых связан с определением частоты таких мутаций на репликацию пары азотистых оснований в молекулах ДНК. Этот способ оказался предпочтительным в случае бактерий и других низших организмов.
Определенные к настоящему времени частоты мутаций на репликацию пары оснований и общие частоты генных мутаций у разных организмов показаны в табл. 13.
В случае человека частоты спонтанных мутаций определяют измерением прямых мутаций в пределах разных генов, которые очень чувствительны к мутациям независимо от того, являются ли условия для организмов ограничивающими или селективными.
Рассмотрим конкретный пример определения частоты спонтанных мутаций, например, среди родившихся за один год 242 257 детей 7 оказались больными ахондоплазией. Следовательно, 7 : 242 257´1 : 2 (два аллеля на зиготу) = 1,4´10-6. Таким образом частота ахондоплазии составляет 1,4 х 10-5. Одни гены вообще устойчивы к спонтанным мутациям, другие спонтанно мутируют чаще, третьи так часто, что их носители являются мозаиками мутантных (мутировавших) и немутантных (немутировавших) генов.
Средние частоты мутаций по многим генам у человека и домашних животных составляют примерно 1´10-9, что значительно выше частоты мутаций микроорганизмов. Больше того, между частотами спонтанных мутаций по разным генам человека или домашних млекопитающих существуют значительные различия, достигающие 100 раз, а то и более. Подлинные причины этих различий неизвестны, хотя для их объяснения и предложено несколько гипотез. Одна из них заключается в том, что наиболее чувствительны к мутациям гены больших размеров, поскольку в них содержится много азотистых оснований и существует большая вероятность мутации отдельных из них. По другой гипотезе наиболее чувствительными к мутациям являются гены, располагающиеся в районах хромосом, являющихся «горячими» точками.
Таблица 13
Частоты спонтанных мутации разных организмов
| Организм | Количество пар оснований на геном | Частота мутаций на репликацию пары оснований | Общая частота мутаций |
| Фаг Т4 | 1,8 х 106 | 1,7 х 10-3 | 3,0 х 10-3 |
| Е. coli | 4,5 х 10е | 2,0 х 10-10 | 0,9 х 10-3 |
| N. crassa | 4,5 х 107 | 0,7 х 10-11 | 2,9 х 10-4 |
| D. melanogaster | 2,0 х 108 | 7,0 х 10-10 | 0,8 х 10-3 |
Уже давно установлены гены, которые оказывают влияние на мутабельность других генов. Такие гены получили название мута-торных генов. Они содержатся в геноме организмов почти всех изученных генетически к настоящему времени видов.
Определение частот спонтанных мутаций позволяет определить вероятность мутаций в каждом новом поколении людей: 1´10-6 мутаций на ген х 5 х 10~4 генов (гаплоидный геном) = 5´10-2 мутаций на гамету (5 : 100 или 1 : 20). Далее, 1 : 20´2 гаметы на зиготу = 1 : 10 случаев, что каждая гамета несет новую мутацию. Возможно, что это очень высокая частота, но ее достоверность определяется тем, что большинство мутаций рецессивно и, следовательно, не экспрессируется у гетерозигот.
Частоту индуцированных мутаций определяют сравнением клеток или популяций организмов, обработанных и необработанных мутагеном. Если частота мутации в популяции повышается в результате обработки мутагеном в 100 раз, то считают, что лишь один мутант в популяции будет спонтанным, остальные будут индуцированными .
Индуцированными являются те мутации, которые возникают после обработки клеток (организмов) мутагенными факторами. Различают физические, химические и биологические мутагенные факторы. Большинство этих факторов либо прямо реагирует с азотистыми основаниями в молекулах ДНК, либо включается в нук-леотидные последовательности.
Среди физических мутагенов различают ионизирующую радиацию и ультрафиолетовое излучение (УФ), входящие в ту часть электромагнитного спектра, который содержит волны более короткие и с большей энергией, чем видимый свет (ниже 0,1 нм). УФ-излучение составляет значительную часть солнечного спектра. Ионизирующие излучения и УФ-излучения ответственны примерно за 10% всех встречающихся в ДНК индуцированных повреждений.
Ионизирующие излучения — это рентгеновское излучение (Х-лучи), протоны и нейтроны космических лучей, а также a-, b- и g-лучи, освобождаемые радиоактивными элементами изотопов (плутония, 23Р, 14С, 3H, кобальта-90 и др.). Источником ионизирующего излучения также являются радиоактивные отходы ядерных реакторов.
Ионизирующие излучения обладают высокой энергией и могут проникать в ткани, в которых сталкиваются с атомами и вызывают освобождение электронов, оставляя позитивно заряженные свободные радикалы или ионы. В свою очередь эти ионы сталкиваются с другими молекулами, вызывая дальнейшее освобождение электронов. Поэтому вдоль трека каждого высокоэнергетического луча формируется стержень ионов, проходящий в живые ткани. По этой причине рентгеновское и другие виды излучений называют ионизирующим излучением.
Мутагенный эффект ионизирующей радиации впервые был показан в нашей стране на микроорганизмах Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым в 1925 г. Позднее он был показан в США на дрозофиле Г. Д. Мёллером (1890-1967), а затем и на многих других организмах. Этот эффект вызывается повышенной реактивностью атомов, присутствующих в ДНК. Ионизирующие излучения индуцируют генные мутации (транзиции, трансверсии, делеции, включения), а также хромосомные разрывы, сопровождающиеся транслокациями и другими аберрациями. В случае острого облучения погибает большинство сперматогоний, но сперматоциты выживают, в результате чего в первые 6 недель после облучения происходит снижение фертильности, за которым следует бесплодие (2—3 месяца). Должна быть обеспечена защита в течение нескольких недель до и после зачатия.
Большую опасность представляет рентгенодиагностика и рентгенотерапия брюшной полости и области таза. Поэтому зачатие в течение нескольких недель до и после облучения должно быть исключено.
Для человека удваивающая доза ионизирующего излучения по генным мутациям составляют 1 грей, по хромосомным аберрациям (транслокациям) — 0,15 грея. Характерной особенностью ионизирующего излучения является также то, что для него отсутствует пороговость в дозе, а так же то, что она обладает коммулятивным эффектом.
УФ-излучение характеризуется меньшей энергией, проникает только через поверхностные слои клеток животных и растений и не вызывает ионизации тканей. Обычно различают три вида УФ-излу-чения, а именно:
а) УФ-излучение с длиной волны 180-290 нм. Это излучение не найдено в солнечном свете, т. к. адсорбируется озоновым слоем. Оно продуцируется искусственно бактерицидными лампами, используемыми для стерилизации.
б) УФ-излучение с длиной волны 290-320 нм. Это основная фракция солнечного света. Она мутагенна.
в) УФ-излучение с длиной волны 320 нм. Оно также обладает повреждающим эффектом.
Мутагенные эффекты УФ-излучения связаны с повышенной реактивностью атомов, присутствующих в молекулах ДНК. Оно не опасно для половых клеток человека, поскольку поглощается кожей, но опасно для последней, т. к. вызывает образование в клетках кожи тиминовых димеров, мутагенный эффект которых заключается в том, что они вызывают мутации не прямо, а нарушением точности репликации.
Химическими мутагенами являются органические и неорганические кислоты, щелочи, перекиси, соли металлов, этиленамины, формальдегид, фонолы, акридиновые красители, алкилирующие соединения, аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований и др. Считают, что для действия химических мутагенов присуща пороговость. Одни химические мутагены действуют как на реплициру-ющуюся, так и покоящуюся ДНК, тогда как другие только на реп-лицирующуюся ДНК. Примером мутагенов, вызывающих изменения и в реплицирующейся, и в покоящейся ДНК, являются алкилирующие соединения (метилметансульфонат, этилметансуль-фонат и нитрозогуанидин) и азотистая кислота. К мутагенам, действующим на реплицирующуюся ДНК, относят аналоги азотистых оснований и акридиновые красители.