Мутация

Мутации в биологии

Источник раздела: Большая российская энциклопедия

МУТА́ЦИИ (от лат. mutatio – перемена, изменение) – наследуемые изменения генетического материала – молекул ДНК или РНК (у РНК-содержащих вирусов). Процесс возникновения мутаций называется мутагенезом. Традиционно проявление мутаций рассматривали как внезапно возникающие и стабильно наследуемые изменения отдельных признаков на морфологическом, биохимическом, физиологическом уровнях. В современной генетике к мутациям относят также изменения в молекулах нуклеиновых кислот, не проявляющиеся фенотипически, например синонимические замены кодонов (см. Генетический код). Способность к мутациям – универсальное свойство всех форм жизни, лежит в основе наследственной (мутационной) изменчивости. Организмы, несущие мутации, называются мутантами. Термин «мутация» введён Х. Де Фризом в 1901 г.

Мутации могут быть спонтанными, возникающими самопроизвольно, и индуцированными, вызванными воздействием различных физических, химических и биологических факторов – мутагенов. Частота возникновения спонтанных мутаций в разных генах обычно варьирует от 1·10^–5 до 1·10^–7 на поколение и зависит от внешних условий, возраста организма, физиологического состояния клетки и организма, стадии клеточного цикла и др. Мутации, проявляющиеся у одноклеточных организмов и в половых клетках (генеративные мутации) многоклеточных организмов, передаются по наследству. Мутации, происходящие в соматических клетках (соматические мутации), приводят к генетическому мозаицизму и могут наследоваться только при вегетативном размножении с участием мутантных клеток. Первичную мутацию, проявление которой связано с уклонением признаков от так называемого дикого типа (нормы, наиболее распространённой в природе), принято называть прямой, а мутации, восстанавливающую нормальный фенотип, – реверсией. Последняя, как правило, происходит не за счёт точного восстановления исходной последовательности нуклеотидов, а вследствие мутации в другом месте того же гена или в другом гене (супрессорная мутация).

Согласно наиболее распространённой классификации мутаций, различают генные (точковые), хромосомные (хромосомные перестройки) и геномные мутации. Общепринятая классификация мутаций неоднозначна, так как причиной некоторых мутаций может являться не изменение структуры генетического материала, а другие процессы. Например, хромосомные мутации возникают путём рекомбинации, а геномные (анеуплоидия и полиплоидия) могут являться результатом нарушения работы веретена деления клетки. Появление полиплоидов возможно также в ходе гибридизации.

Генные мутации, на долю которых приходится основная часть всех мутаций, представляют собой изменения в нуклеотидных последовательностях отдельных генов; они могут быть доминантными, полудоминантными и рецессивными. В результате генных мутаций возникают различные варианты (аллели) гена, по-разному влияющие на контролируемые геном признаки. Как правило, генные мутации приводят к частичной или полной инактивации белков (особенно ферментов), контролируемых мутантными генами. Среди генных мутаций выделяют мутации типа сдвига рамки считывания и мутации типа замен оснований в ДНК. Первые обусловлены выпадением или вставкой пары нуклеотидов; сдвиг кодирующей рамки гена меняет смысл кодонов, следующих после вставки или выпадения. Кроме того, такой тип мутаций может приводить к возникновению так называемых бессмысленных кодонов (нонсенс-кодонов) – терминаторов трансляции, то есть к прерыванию синтеза полипептидной цепи. Мутации типа замен оснований делят на транзиции (замена одного пуринового или пиримидинового основания на другое, например аденина на гуанин или цитозина на тимин) и трансверсии (замена пуринового основания на пиримидиновое или наоборот). Мутации этого типа могут иметь различные последствия: сохранение смысла кодона из-за вырожденности генетического кода (синонимическая замена); изменение смысла кодона, приводящее к замене аминокислоты в полипептиде (миссенс-мутация), образованию бессмысленного кодона (нонсенс-мутация), к замене стоп-кодона на смысловой кодон.

Хромосомные мутации связаны с изменением структуры отдельных хромосом. К ним относятся потеря (делеция) или удвоение части хромосомы (дупликация), поворот участка хромосомы на 180° (инверсия), встраивание в хромосому какого-либо фрагмента ДНК (инсерция), разрыв хромосомы на две или более части (фрагментация), а также обмен частями между негомологичными хромосомами (транслокация).

Геномные мутации проявляются в изменении числа хромосом в клетках. К ним относятся: полиплоидия – кратное увеличение числа наборов хромосом от обычного диплоидного ([math]\displaystyle{ 2n }[/math]) до [math]\displaystyle{ 3n }[/math], [math]\displaystyle{ 4n }[/math], [math]\displaystyle{ 6n }[/math] и т. д.; гаплоидия ([math]\displaystyle{ 1n }[/math]), когда в ядре соматической клетки содержится одиночный набор хромосом (в данном случае её следует отличать от естественной гаплоидности, встречающейся на некоторых стадиях жизненных циклов организмов, см. Гаплоид); анеуплоидия – появление набора хромосом, некратного гаплоидному набору (числу) хромосом.

Большинство мутаций вредны для организмов. Они могут быть причиной наследств. заболеваний и врождённых уродств, снижения плодовитости, возникновения опухолей и даже гибели развивающегося организма (летальные мутации), могут влиять на чувствительность организмов к различным повреждающим агентам (см. Генетический груз). Поэтому важна защита человека и окружающей среды от мутагенов, способствующих мутациям. Очень редко возникают генные мутации, улучшающие те или иные свойства организмов, именно они дают исходный материал для естественного и искусственного отбора, являясь необходимым условием эволюции в природных популяциях и селекции полезных форм животных и растений.

Библиография статьи Большой российской энциклопедии

• Сингер М., Берг П. Гены и геномы. М., 1998. Т. 1–2.
• Гинтер Е. К. Медицинская генетика. М., 2003.
• Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика. 2-е изд. Новосиб., 2003.
• Генетика / Под ред. В. И. Иванова. М., 2006.
• Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. 2-е изд. СПб., 2010.