Какие мутации называют спонтанными? Если перевести термин на доступный язык, то это естественные ошибки, возникающие в процессе взаимодействия генетического материала с внутренней и/или внешней средой. Такие мутации, как правило, случайны. Они наблюдаются и в половых, и в других клетках тела.

Экзогенные причины мутаций

Спонтанная мутация может возникнуть под воздействием химических веществ, радиации, под действием высоких или низких температур, разреженного воздуха или высокого давления. Ежегодно человек в среднем поглощает около одной десятой рада ионизирующего излучения, что составляет естественный радиационный фон. В это число входит гамма-излучения ядра Земли, солнечный ветер, радиоактивность элементов, залегающих в толще земной коры и растворенных в атмосфере. Полученная доза зависит также от того, где именно находится человек. Четверть всех спонтанных мутаций случается именно по вине этого фактора.
Ультрафиолетовое излучение, вопреки расхожему мнению, играет незначительную роль в возникновении поломок ДНК, так как не может проникнуть глубоко внутрь тела человека. Но кожа часто страдает от избыточной инсоляции (меланома и другие виды рака). Однако одноклеточные организмы и вирусы мутируют под воздействием солнечного света. Слишком высокие или низкие температуры тоже способны вызывать изменения в генетическом материале.

Эндогенные причины мутаций

Основными причинами, при которых может возникнуть спонтанная мутация, остаются эндогенные факторы. К ним относятся побочные продукты метаболизма, ошибки в процессе репликации, репарации или рекомбинации и другие.

Это основные факторы, вызывающие спонтанные мутации. Причины сбоев могут заключаться в активации генов-мутаторов, а также преобразования безопасных химических соединений в более активные метаболиты, которые влияют на ядро клетки. Кроме того, существуют структурные факторы. К ним относятся повторы последовательности нуклеотидов вблизи от места перестройки цепи, наличие дополнительных участков ДНК, схожих по структуре с геном, а также подвижные элементы генома.

Патогенез мутации

Спонтанная мутация возникает в результате влияния всех перечисленных выше факторов, влияющих вместе или раздельно в определенный период жизни клетки. Существует такой феномен, как скользящее нарушение спаривания дочерней и материнской нитей ДНК. В результате этого часто образуются петли из пептидов, которые не смогли адекватно встроиться в последовательность. После удаления лишних участков ДНК с дочерней цепи петли могут как резецироваться (делеции), так и встраиваться (дупликации, инсерции). Появились изменения закрепляются в последующих циклах деления клетки.
Скорость и количество возникающих мутаций зависят от первичной структуры ДНК. Некоторые ученые считают, что абсолютно все последовательности ДНК обладают мутагенностью, если они образуют изгибы.

Наиболее распространены спонтанные мутации

Почему же чаще всего проявляются в генетическом материале спонтанные мутации? Примеры подобных состояний – это потеря азотистых оснований и удаления аминокислот. Особенно чувствительными к ним считаются цитозиновые остатки. Доказано, что на сегодняшний день более чем у половины позвоночных животных является мутация цитозиновых остатков. После дезаминирования метилцитозин меняется на тимин. Дальнейшее копирование этого участка повторяет ошибку или удаляет ее или удваивает и мутирует в новый фрагмент. Еще одной причиной частых спонтанных мутаций, считают большое количество псевдогенов. Из-за этого в процессе мейоза могут образовываться неровные гомологичные рекомбинации. Следствием этого являются перестройки в генах, повороты и удвоение отдельных нуклеотидных последовательностей.

Полимеразная модель мутагенеза

Согласно этой модели, спонтанные мутации возникают в результате случайных ошибок молекул, синтезируют ДНК. В первый раз подобная модель была представлена Бреслером. Он высказал предположение, что мутации появляются в результате того, что полимеразы в некоторых случаях встраивают в последовательность некомплиментарные нуклеотиды. Спустя годы, после длительных проверок и экспериментов, эта точка зрения была одобрена и принята в научном мире. Были даже выведены определенные закономерности, которые позволяют ученым контролировать и направлять мутации, подвергая воздействию ультрафиолета определенные участки ДНК. Так, например, выяснили, что напротив поврежденного триплета чаще всего встраивается аденин.

Таутомерная модель мутагенеза

Еще одна теория, которая объясняет спонтанные и искусственные мутации, была предложена Уотсоном и Криком (первооткрывателя структуры ДНК). Они предположили, что в основе мутагенеза лежит способность некоторых оснований ДНК превращаться в таутомерные формы, которые изменяют способ соединения оснований.
После опубликования гипотеза активно разрабатывалась. Были обнаружены новые формы нуклеотидов после облучения ультрафиолетом. Это дало ученым новые возможности для исследований. Современная наука до сих пор дискутирует о роли таутомерных форм в спонтанный мутагенез и его влияние на количество выявленных мутаций.

Другие модели

Спонтанная мутация возможна при нарушении узнавания ДНК-полимеразами нуклеиновых кислот. Полтаевым и соавторами был выяснен механизм, который обеспечивает соблюдение принципа комплементарности при синтезе дочерних молекул ДНК. Эта модель позволила изучить закономерности появления спонтанного мутагенеза. Ученые объяснили свое открытие тем, что главной причиной изменения структуры ДНК является синтез неканонических пар нуклеотидов. Они предположили, что замета оснований происходит через дезаминирование участков ДНК. Это приводит к изменению цитозина на тимин или урацил. Из-за таких мутаций образуются пары несовместимых нуклеотидов. Поэтому при следующей репликации происходит транзиция (точечная замена нуклеотидных оснований).

Классификация мутаций: спонтанные

Есть различные классификации мутаций в зависимости от того, какой именно критерий лежит в их основе. Существует деление по характеру изменения функции гена: - гипоморфные (мутированные аллели синтезируют меньше белков, но они похожи на оригинальные);
- аморфные (ген полностью утратил свои функции);
- антиморфные (мутированный ген полностью меняет тот признак, который представляет);
- неоморфные (появляются новые признаки). Но более распространена классификация, которая делит все мутации пропорционально переменной структурой. Выделяют: 1. Геномные мутации. К ним относятся полиплоидия, то есть образование генома с тройным и более набором хромосом и анеуплоидия – число хромосом в геноме не кратное гаплоидному.
2. Хромосомные мутации. Наблюдаются значительные перестройки отдельных участков хромосом. Различают потерю информации (делецию), удвоение (дупликацию), изменение направленности нуклеотидных последовательностей (инверсию), а также опрокидывания участков хромосом на другое место (транслокацию).
3. Генная мутация. Наиболее часто встречается мутация. В цепи ДНК происходит замена нескольких случайных азотистых оснований.

Последствия мутаций

Спонтанные мутации - причины возникновения опухолей, болезней накопления, дисфункций органов и тканей человека и животных. Если мутировавшая клетка располагается в большом многоклеточном организме, то с большой долей вероятности она будет уничтожена путем запуска апоптоза (запрограммированная смерть клетки). Тело контролирует процесс сохранения генетического материала и с помощью иммунной системы, избавляется от всех возможных поврежденных клеток. В одном случае из сотен тысяч Т-лимфоциты не успевают распознать пораженную структуру, и она дает клон клеток, которые также содержат мутированный ген. Конгломерат клеток имеет уже другие функции, вырабатывает токсичные вещества и негативно влияет на общее состояние организма. Если мутация произошла не в соматической, а в половой клетке, то изменения будут наблюдаться у потомков. Они оказываются врожденными патологиями органов, уродствами, нарушениями обмена и болезнями накопления.

Спонтанные мутации:

В некоторых случаях, которые раньше казались бесполезными мутации могут быть полезные для приспособления к новым условиям жизни. Это представляет мутацию как мерило естественного отбора. Животные, птицы и насекомые имеют камуфляжную окраску, соответствующую местности проживания, чтобы защитить себя от хищников. Но если меняется их ареал обитания, то с помощью мутаций природа пытается защитить вид от вымирания. В новых условиях выживают наиболее приспособленные и передают эту способность другим. Мутация может происходить в неактивных участках генома, и тогда видимых изменений фенотипа не наблюдается. Выявить «поломку» можно только с помощью специфических исследований. Это необходимо для изучения происхождения и родственных видов животных и их составление генетических карт.

Проблема спонтанности мутаций

В сороковые годы прошлого века существовала теория, что мутации вызываются исключительно влиянием внешних факторов и помогают к ним приспособиться. Для того чтобы проверить эту теорию, был разработан специальный тест и метод повторений. Процедура заключалась в том, что небольшое количество бактерий одного вида высевали в пробирки и после нескольких прививаний добавляли к ним антибиотики. Часть микроорганизмов выживала, и их переносили на новую среду. Сравнение бактерий из разных пробирок показало, что устойчивость возникала спонтанно, как до контакта с антибиотиком, так и после него. Метод повторений заключался в том, что на ворсистую ткань переносились микроорганизмы, а затем переносились на несколько чистых сред. Новые колонии культивировали и обрабатывали антибиотиком. В результате в разных пробирках выживали бактерии, расположенные на одинаковых участках среды.