Основи загальної біології

Тільки в деяких випадках мутації реалізуються відразу ж після впливу фізичного або хімічного мутагену. Частина ушкоджень усувається в результаті репаративних процесів. При безпомилковій репарації знову відновлюється нормальний вихідний стан, тоді як помилка при репарації може, наприклад, привести до заміни основи. Можна припустити наступні шляхи виникнення генних мутацій:

а) одна основа перетворюється в іншу (заміна основ);

б) ДНК змінюється так, що починається процес її репарації, при якому включається «не та» основа;

в) невідповідний нуклеотид включається в результаті помилки реплікації.

Мутації виникають із частотою 1051010 (на один ген). З такою же частотою деякі з мутантів можуть знову перетворюватися в дикий тип. Або нова зміна усувається в результаті справжньої зворотної мутації, або ознака дикого типу відновлюється внаслідок другої, так називаної супрессорної, мутації.

Виникнення мутацій при реплікації залежить від частоти помилок при включенні комплементарних нуклеотидов ДНКполімеразою. Такі мутації зустрічаються дуже рідко.

В інтактних клітинах існують різні «ремонтні» системи, що усувають ушкодження, викликані опроміненням або хімічними мутагенами. У репаративних процесах розрізняють фотореактивацію, ексцизійну репарацію й постреплікативну репарацію.

Найкраще вивчена репарація ушкоджень, викликаних ультрафіолетовими променями (репарація інших ушкоджень частково відбувається аналогічним чином). При опроміненні ультрафіолетом між сусідніми піримідиновими основами одного ланцюга виникають димери, частіш усього димер ТТ, тобто замість водневих зв'язків між Т та А двох нуклеотидних ланцюгів утворюються зв'язки ТТ усередині одного ланцюга (рис. 10.4). Фотореактивація відбувається у разі впливу видимого світла. При цьому репаративний фермент розділяє димер на мономери й знову відновлює водневі зв'язки ТА між комплементарними ланцюгами.

Ексцизійна й постреплікативна репарація не залежить від світла, і тому її називають також темновою репарацією.

При ексцизійній репарації (лат. excisio – вирізання; рис. 10.4) вирізується ушкоджена ділянка ДНК. Спочатку едонуклеаза розрізає один ланцюг. Наступний фермент – екзонуклеаза – видаляє змінену частину, а ДНКполімераза знову синтезує в напрямку 5'3' відсутню ділянку, комплементарний до антипаралельного ланцюга ДНК. І, нарешті, вільні кінці старої частини ланцюга з'єднуються з кінцями знову синтезованої ділянки за допомогою лігази. Фотореактивація та описана тут ексцизійна репарація коротких ділянок ДНК протікають без помилок і, отже, не ведуть до мутацій.

Якщо димери не будуть усунуті, то відповідні основи не зможуть виконувати роль матриці, і в цих місцях у знову синтезованому ланцюзі ДНК виявляться пропуски. Шляхом рекомбінації між двома подвійними ланцюгами ДНК – продуктами реплікації – можливе утворення одного нормального подвійного ланцюга (постреплікативна репарація). Коли після реплікації в результаті такої рекомбінації виходить нова інтактна подвійна спіраль ДНК, процес репарації теж не веде до появи помилок. Якщо ушкодження лежать так тісно одне біля одного, що пропуски перекриваються, тоді для заповнення пропусків використовується інша «ремонтна» система (SOSрепарація), здатна синтезувати новий ланцюг ДНК і на дефектній матриці. При цьому нові основи включаються таким чином, що можуть виникнути мутації (рис. 10.4).

 

 

 

Рис 10.4. Репаративні процеси

А. Ексцизійна репарація (на прикладі Escherichia coli).

 Б. Постреплікативна репарація. У наданому прикладі розрив в одній молекулі ДНК закривається шляхом SOSрепарації, причому виникає мутація (М). У другій молекулі ДНК розрив може бути теж заповнений шляхом SOSрепарації або закритий шляхом рекомбінації з наступним репаративним синтезом, при якому матрицею служить інтактний ланцюг ДНК. (За Bohme, Adler, зі змінами)

 

 

Більшість мутантів поступаються дикому типу в пристосованості, менш життєздатні й тому відсіваються в процесі добору. Для селекції й еволюції велике значення мають порівняно рідкі мутанти зі сприятливими або нейтральними змінами. Щоб мати достатнє число мутантів, можна за допомогою мутагенів підвищувати частоту мутацій до 102.

Людина, навпроти, повинна оберігати себе від несприятливих змін, до яких можуть приводити мутації. Кожна мутація, що зачіпає тканину, з якої утворюються статеві клітини, буде передаватися наступним поколінням.

 

10.2 Рекомбінації

Під рекомбінацією розуміють обмін алелями, перерозподіл структур, що несуть генетичну інформацію, з'єднання їх у нові сполучення. Передумовою для здійснення рекомбінацій є об'єднання різного генетичного матеріалу. Розрізняють два основних типи такого об'єднання:

1) статевий процес, при якому відбувається злиття генеративних клітин й їхніх ядер;

2) парасексуальний процес, коли відбувається злиття вегетативних клітин, рекомбінація у вегетативних клітинах або перенос частини геному.

Перенос частини геному відбувається у разі:

а) кон'югації у бактерій – контакті між клітинами, при якому відбувається передача плазмід або частин геному, активованих плазмідами;

б) трансдукції – переносі генетичного матеріалу клітини вірусами;

в) трансформації – передачі ДНК через позаклітинне середовище;

г) рекомбінації між вірусними геномами.

Об'єднання різного генетичного матеріалу в основному можливо лише в межах одного виду або близько родинних видів. Наявність бар'єрів для схрещування обумовлює збереження видів.

В еукаріот після об'єднання різного генетичного матеріалу в одному ядрі утворюються гетерозиготні клітини, щонайменше із двома геномами, що розрізняються за алелями одного або декількох генів. Такі організми називають помісями або