Изменчивость генетического материала, мутации

Изменчивость организмов является одним из главных факторов эволюции. Это — процесс, отражающий взаимосвязь организма с окружающей средой.

К наследственным относятся такие изменения организма, которые определяются генотипом и сохраняются в ряду поколений. Ненаследственная или модификационная изменчивость — это изменения признаков организма, которые не передаются следующему поколению.

Качественно новые наследственные признаки возникают внезапно, т. е. изменения в генах имеют случайный характер. В силу своей случайности они могут быть полезными, безразличными или вредными. Термин «мутация» впервые был предложен Г. Де Фризом в его классическом труде «Мутационная теория» (1901— 1903 гг.). Наследственная изменчивость как результат мутационного процесса является неотъемлемым свойством живых организмов. Практически все характерные внешние и биохимические свойства в мире живого являются результатом когда-либо возникших благоприятных мутаций, закрепленных естественным отбором.

Почти все генные мутации выражаются в нарушениях опреде« ленных звеньев обмена веществ и проявляются прежде всего в изменении последовательности аминокислот в белке. В результате мутации белок теряет или увеличивает свою биологическую активность. Ф. Крик, отстаивавший информационную роль ДНК, предположил, что генетической основой мутации является нарушение структуры молекулы ДНК, замена одного основания другим, выпадение какого-то основания или, напротив, вставка дополнительного. Устойчивость живых организмов к различным повреждающим воздействиям в значительной степени определяется их способностью к восстановлению поврежденных структур. В процессе эволюции возникли восстановительные системы, способные исправить повреждения в молекулах ДНК и РНК. Эти системы специфичны, изменяются в соответствии с различными видами повреждений и отличаются механизмами их устранения. Так, фотореактивация и эксцизия (вырезание повреждений из ДНК) протекают до вступления поврежденных клеток в фазу синтеза ДНК, а пострепликационная репарация (восстановление) начинается, когда клетка приступает к репликации (удвоению ДНК). В процессах репарации участвуют многие ферменты: рестриктазы, эндо- и экзонуклеазы, ДНК-полимеразы, лигазы и др. Законы реализации генной активности одинаковы в нормальных и мутантных клетках, но мутации искажают качество генетической информации, что в свою очередь ведет к отклонению от нормального фенотипа. Таковы молекулярные основы генных или «точковых» мутаций. Мутации в каждом отдельном гене возникают сравнительно редко. Амери­канский генетик С. Оно считает, что частота мутаций в одном гене средней величины за время жизни одного поколения составляет 1: 10 тыс. — 1:1 млн.

Кроме генных мутаций могут происходить и хромосомные мутации: 1) в клетке появляется лишняя хромосома или фрагмент ее, 2) отмечается нехватка отдельных хромосом или их сегментов. Хромосомные аномалии у человека всегда сопровождаются значительными нарушениями функций организма и часто приводят к спонтанным абортам.

Среди живых организмов отмечается определенный, так называемый фоновый уровень частоты мутаций. Это является постоянным фактором появления людей со «свежими», новыми мутациями.

Помимо естественного мутационного процесса повышение обычного уровня частоты мутаций вызывает множество внешних факторов — мутагенов. К их числу относятся: ионизирующие излучения, различные химические соединения (азотистый иприт, целый класс алкилирующих соединений). Большое значение для охраны здоровья человека имеет изучение действия веществ, способных встраиваться в молекулу ДНК или замещать какое-либо нуклеиновое основание. К ним относятся химические аналоги пуриновых и пиримидиновых оснований, различные красители. При считывании такой дефектной ДНК будут образовываться молекулы РНК с ненормальной последовательностью.

Мутации в зародышевых клетках часто приводят к спонтанным абортам, рождению детей с пороками развития и наследственными заболеваниями. Мутации, возникшие в любых клетках организма, кроме половых, считаются одной из возможных причин или одним из этапов развития злокачественных новообразований.