Молекулярные механизмы возникновения мутаций Лекция 3 для

Молекулярные механизмы возникновения мутаций Лекция № 3 для студентов специальности «Микробиология» Лектор: Давыдова Ольга Константиновна, к. б. н. , доцент 1 2/6/2018

План лекции: • Краткая история изучения мутагенеза. Ранние взгляды на изменчивость бактерий. Метод реплик. • Модификационная и мутационная изменчивости микроорганизмов. Классификация мутаций. • Мутагенные агенты. Особенности действия физических, химических и биологических мутагенов. • Мутационный процесс и проблема генетической безопасности.

Ранние взгляды на изменчивость бактерий • • • Идея плеоморфизма (бактерии, встречающиеся в природе, представляют собой разные стадии жизненного цикла небольшого количества видов) сдерживала представление о том, что у микроорганизмов возможны скачкообразные изменения признаков – мутация. Термин введен Г. де Фризом, но на бактерии распространен М. Бейеринком. Бейеринк, Мартинус Виллем Мутации возникают не мгновенно. Вначале под воздействием мутагенов возникает предмутационное состояние клетки. Различные репарационные системы стремятся устранить это состояние, и тогда мутация не реализуется. Основу репарационных систем составляют различные ферменты, закодированные в генотипе клетки (организма). Таким образом, мутагенез находится под генетическим контролем клетки; это – не физикохимический, а биологический процесс.

Краткая история изучения мутагенеза • • С. И. Коржинский в 1899 г. разработал эволюционную теорию гетерогенезиса, основанную на представлениях о ведущей роли дискретных (прерывистых) изменений. Однако наиболее известной стала мутационная теория голландского ботаника Хьюго (Гуго) Де Фриза (1901 г. ): – Мутации возникают внезапно, без всяких переходов. – Мутантные формы вполне устойчивы. – Мутации характеризуются дискретностью (прерывистостью); это качественные изменения, которые не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг среднего типа (моды). – Мутации возникают в разных направлениях, они могут быть вредными и полезными. Хуго Де Фриз – Успех в выявлении мутаций зависит от числа проанализированных особей. – Одни и те же мутации могут возникать повторно. • Многочисленными исследованиями доказано, что мутации не носят адаптивный характер, они случайны, не направлены. Только в ходе эволюции, в ходе отбора оценивается «полезность» , «нейтральность» или «вредность» мутаций в определенных условиях.

Краткая история изучения мутагенеза • • Впервые индуцированные мутации были получены отечественными генетиками Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым в 1925 г. при облучении дрожжей излучением радия. В 1927 г. Г. Мёллер выявил мутагенное действие рентгеновских лучей на дрозофиле, а в 1928 г. Л. Стадлер описал мутагенное действие рентгена на ячмень. • В 1930 -ых гг. был открыт химический мутагенез. В 1932 г. В. В. Сахаров, а в 1934 г. М. Е. Лобашев и Ф. А. Смирнов показали, что некоторые химические вещества (йод, уксусная кислота, аммиак) способны индуцировать мутации у дрозофилы. • В 1939 г. С. М. Гершензон установил, что чистая ДНК является сильным мутагеном. В течение 1940 -ых гг. было доказано, что сильными мутагенами могут быть самые разнообразные вещества: этиленимин (И. А. Рапопорт, СССР), азотистый иприт (Ш. Ауэрбах и Дж. Робсон, Великобритания). • Надсон, Георгий Адамович Гершензон, Сергей Михайлович Мёллер, Герман Джозеф Рапопорт, Иосиф Абрамович

Доказательство мутационной природы изменчивости Джошуа и Эстер Ледерберг, предложили использовать метод реплик для обнаружения фагоустойчивых бактерий, 1952 г. Согласно гипотезе адаптации считалось, что фаг «индуцирует» резистентность бактерий, метод реплик для выделения ауксотрофных мутантов подтверждает спонтанный характер мутаций

Модификационная и мутационная изменчивости микроорганизмов • Все наблюдаемые изменения можно разделить на два типа: – проявляются у подавляющего большинства особей в популяции при изменении внешних условий и наблюдаются до тех пор, пока действует фактор, вызвавший эти изменения. Такой тип изменчивости получил название не наследственного, или модификационного, а само явление названо модификацией. Модификация есть результат пластичности клеточного метаболизма, приводящего к фенотипическому проявлению "молчащих" генов в конкретных условиях (например, синтез БТШ). • лежат в основе процессов реализации генетической информации: транскрипция, трансляция. – признаки, которые первоначально возникают как редкие события в популяции особей (с частотой 1 на 104— 1011 клеток). Если измененные особи имеют некоторое преимущество перед неизмененными, выражающееся в повышенной скорости роста или жизнеспособности, они постепенно накапливаются в популяции и вытесняют исходные особи. Такой тип изменчивости был назван наследственным. • лежат в основе наследственной передачи генетического материала: репликация, репарация, рекомбинация.

Классификация мутаций

Хромосомные мутации делеция дупликация инверсия транслокация

Генные мутации • • • Значимость нуклеотидных мутаций внутри кодона неравнозначна: замена первого и второго нуклеотида всегда приводит к изменению аминокислоты, третий же обычно не приводит к замене белка. К примеру, "Молчащая мутация"- изменение нуклеотидной последовательности, которая приводит к образованию схожего кодона, в результате аминокислотная последовательность белка не меняется. Замена нуклеотида в кодоне может привести к изменению смысла кодона — миссенс мутации, и появлению в белке новой аминокислоты. Если в результате замены нуклеотида кодон превращается в терминирующий — нонсенс мутации, то синтезируется незавершенный белок, так как его синтез прерывается на этом кодоне. Транзиция - состоит в замене одного пурина другим пурином или одного пиримидина другим пиримидином. Если пурин будет замещен пиримидином, или наоборот, такие замены называют трансверсиями.

Спонтанные мутации Тимин в оксо-форме Тимин в енольной форме Мутации регулярно возникающие в популяции бактерий без всякого вмешательства называют спонтанными мутациями, а клетки, в которых они возникли, - спонтанными мутантами. Мутагенное действие возникает при случайных ошибках при включении нуклеотидов во время репликации ДНК ошибках, вызванных таутомерным перемещением электронов в основании. Тимин обычно находится в оксо-форме, в которой он образует водородные связи с аденином. Но если тимин во время спаривания оснований при репликации ДНК переходит в енольную форму, то он спаривается с гуанином. В результате в новой молекуле ДНК на том месте, где раньше находилась пара А—Т, появляется пара G—С.

Мутагенные агенты

Физические мутагены • К физическим мутагенам относятся: ионизирующее излучение (альфа–, бета–, гамма–, нейтронное и рентгеновское излучение), коротковолновое ультрафиолетовое излучение, СВЧ–излучение, действие экстремальных температур. • Одним из наиболее важных физических мутагенов является ионизирующая радиация. Она приводит к образованию в клетке свободных радикалов (молекул с неспаренными электронами), которые исключительно реакционноспособны и могут повредить ДНК. • Коротковолновый ультрафиолетовый свет (УФ) приводит к химическим изменениям - образованию тиминовых димеров, когда два соседних тиминовых оснований ковалентно связываются друг с другом. Это приводит к ошибкам при считывании ДНК во время репликации и транскрипции.

Ультрафиолетовые лучи и ионизирующее излучение Наиболее эффективны лучи ближней УФ-области с длиной волны около 260 нм. Поражаются главным образом пиримидиновые основания. Два соседних тиминовых основания в ДНК могут оказаться ковалентно связанными. Наличие таких димеров тимина служит затем источником ошибок при репликации

Химические мутагены • • • К химическим мутагенам относятся самые разнообразные вещества нарушающие структуру и воспроизведение молекул ДНК Алкилирующие агенты. Вызывают алкилирование ДНК (например, метилирование, этилирование и т. д. ). В результате при репликации ДНК нарушается принцип комплементарности, и происходит замена нуклеотидных пар: ГЦ → АТ; ГЦ → ЦГ; ГЦ → ТА Некоторые из алкилирующих агентов в природе не встречаются, их не распознают ферменты защитных систем. Такие вещества называются супермутагенами (например, N-метил-Nнитрозомочевина). Этилметансульфонат этилирует преимущественно атом N-гуанина. Образовавшийся 7 алкилгуанин отщепляется от цепи, в результате чего в ней образуется «пропуск» . При очередной репликации на этом месте часто оказывается «ошибочное» основание. Нитриты. Осуществляют окислительное дезаминирование гуанина, аденина, цитозина. Также нарушается принцип комплементарности при репликации ДНК. В результате происходит замена АТ → ГЦ. Дезаминирование цитозина

Химическое изменение оснований Азотистая кислота дезаминирует аденин, гуанин или цитозин без разрыва или какихлибо других изменений полинуклеотидной цепи. В результате замещения аминогруппы гидроксильной группой аденин превращается в гипоксантин и спаривается с цитозином вместо тимина, что приводит к мутации AT----GC. Если цитозин дезаминируется в урацил, то он спаривается с аденином вместо гуанина, и это ведет к мутации GC----AT. Если превращен в ксантин, гуанин по-прежнему спаривается с цитозином, т. е. дезаминирование G не вызывает мутации. Гидроксиламин вступает в реакцию главным образом с цитозином и изменяет его так, что тот спаривается с аденином; значит, он тоже вызывает мутации CG----TA.

Включение аналогов оснований Для вызывания мутаций часто используются бромурацил и 2 -аминопурин. Бромурацил представляет собой соединение, аналогичное по структуре тимину, которое включается вместо него в цепь ДНК как партнер аденина. Бромурацил таутомеризуется в енольную форму чаще, чем тимин. При репликации цепи, содержащей бромурацил, он в енольной форме спаривается как цитозин, т. е. вызывает включение гуанина вместо аденина. Таким образом, в некоторых случаях пара оснований AT заменяется на CG. 2 -Аминопурин включается в ДНК вместо аденина и действует подобным же образом. Этот вид изменений - замену одного пурина другим пурином (A---G) или одного примидина другим пиримидином (С----Т) - называют транзицией

Включение или утрата отдельных пар оснований - Акридин - 9 -аминоакридин - Профлафин - Акридиновый оранжевый Молекула акридина внедряется между соседними основаниями цепи ДНК и увеличивает расстояние между ними (интеркаляция). Такое пространственное изменение при репликации ДНК может вызывать ошибки двух типов - утрату нуклеотида или включение дополнительной пары нуклеотидов.

Биологические мутагены • ДНК, • Вирусы, • Продукты жизнедеятельности микроорганизмов (стрептолизин, афлатоксин), • Транспозоны способны «перепрыгивать» из одного участка генома в другой. В случае внедрения транспозона в какой-либо структурный ген хромосомы нуклеотидная последовательность этого гена будет нарушена и генетическая информация не сможет транслироваться в функционально полноценный полипептид. Возникнет инсерционный мутант.

Генетическая безопасность • • • С 1979 г. в нашей стране все новые химические соединения (а всего их в обиходе более 4, 5 млн) проходят проверку на генетическую активность с использованием различных тест-систем для выявления генетической активности. Тест-система получившая широкое распространение была разработанная в 60 -е годы XX века американским исследователем Б. Эймсом, который длительное время изучал мутации в генах, контролирующих биосинтез гистидина у Salmonella typhimurium. Эймс предложил изучать реверсии гистидиновых мутантов, то есть восстановление у них способности синтезировать гистидин, и, следовательно расти на среде без гистидина в результате воздействия различных мутагенов. Тест очень прост: достаточно засеять среду без гистидина мутантом сальмонеллы, нуждающимся в гистидине (который естественно не растет на такой среде), и нанести в центр используемой для этого чашки Петри испытуемое химическое соединение. Через 2 -3 -е суток можно видеть появление колоний мутантов (в данном случае ревертантов) вокруг пятна нанесенного вещества, если оно обладает генетической активностью.