§ 40. Мутационная изменчивость. Генные мутации

Определения и обозначения

Мутационная изменчивость — способность организмов приобретать устойчивые наследственные изменения генетического материала. Она создаёт новые варианты признаков и служит материалом для естественного отбора. Поэтому мутационная изменчивость важна для наследования и эволюции.

Мутация — случайное или вызванное мутагеном изменение генетического материала, сохраняющееся при размножении клетки или организма. Изменение может произойти в ДНК, а затем передаться дочерним клеткам. Термин помогает отличать устойчивое изменение от временного повреждения.

Генная мутация — изменение последовательности нуклеотидов одного гена. Она может затронуть один нуклеотид или несколько участков внутри гена. От характера изменения зависит, сохранится ли нормальный белок и признак организма.

Мутагены — факторы внешней или внутренней среды, повышающие частоту возникновения мутаций. К ним относят некоторые виды излучения, химические вещества и биологические факторы. Знание мутагенов нужно, чтобы объяснять рост частоты мутаций и оценивать их влияние.

Как это устроено

Мутации возникают, когда нарушается копирование ДНК, исправление повреждений или обмен участками генетического материала. При репликации в новую цепь может попасть неправильный нуклеотид, а система репарации — восстановления ДНК — не всегда исправляет ошибку. Во время рекомбинации также возможны неточные соединения участков ДНК. Если причина не связана с действием внешнего фактора, мутацию называют спонтанной, а возникшую под влиянием мутагена — индуцированной.

Замена нуклеотида изменяет одну позицию в последовательности гена, а вставка и выпадение добавляют или удаляют нуклеотиды. Последовательность гена определяет последовательность иРНК, а затем аминокислот в белке, поэтому любое изменение может повлиять на его строение. Однако результат зависит от места мутации: участок может не кодировать важную часть белка или изменение может попасть в несущественную позицию кодона.

Одна замена нуклеотида иногда не меняет белок, потому что несколько кодонов могут кодировать одну аминокислоту. Если кодон начинает обозначать другую аминокислоту, возникает миссенс-мутация, и свойства белка могут измениться. Если вместо аминокислоты появляется сигнал окончания трансляции, возникает нонсенс-мутация, и белок обычно получается укороченным.

Генетическая информация считывается тройками нуклеотидов — кодонами. Поэтому вставка или выпадение трёх нуклеотидов может добавить или удалить одну аминокислоту, сохранив дальнейшую группировку кодонов. Если же число добавленных или удалённых нуклеотидов не кратно трём, рамка считывания сдвигается, и все последующие кодоны обычно становятся другими.

По происхождению мутации делят на спонтанные и индуцированные, по типу клеток — на соматические и генеративные, а по последствиям — на нейтральные, вредные и полезные. Соматическая мутация возникает в клетке тела и передаётся её потомкам внутри организма, но обычно не попадает в половые клетки. Генеративная мутация появляется в половой клетке или её предшественнике, поэтому может перейти к потомству.

Виды генных мутаций и их возможные последствия

В таблице сначала определяется, что произошло с ДНК, затем оценивается изменение белка и возможный результат. Одна и та же замена может иметь разные последствия в зависимости от кодона. При вставке или выпадении особенно важно проверить, кратно ли число нуклеотидов трём.

Разбор задач

Задача 1

Условие: в кодоне ДНК произошло изменение Г на А. Определите тип мутации и возможное последствие для белка. Сам факт замены не позволяет сразу назвать точный эффект, потому что неизвестно, какой именно кодон был до изменения.

1. Сравниваем исходный и изменённый варианты: один нуклеотид заменён другим.
2. Определяем тип изменения: это генная мутация типа «замена нуклеотида», или точечная замена.
3. Сопоставляем новый кодон с генетическим кодом. Он может кодировать ту же аминокислоту, другую аминокислоту или стоп-сигнал.

Ответ: произошла замена нуклеотида Г на А. Последствие может быть молчащим, миссенс- или нонсенс-эффектом; точный вариант устанавливают по полному кодону.

Задача 2

Условие: из последовательности гена выпал один нуклеотид. Определите, как изменится считывание генетической информации. Один нуклеотид не образует целого кодона, поэтому границы троек после места выпадения перестраиваются.

1. Фиксируем тип изменения: это делеция, то есть выпадение нуклеотида, а не замена.
2. Проверяем число удалённых нуклеотидов: оно равно одному и не кратно трём.
3. Делаем вывод о сдвиге рамки считывания: после места делеции все последующие кодоны изменятся, пока не встретится стоп-кодон.

Ответ: возникнет сдвиг рамки считывания. Последовательность аминокислот после места выпадения обычно будет полностью изменена, поэтому белок часто потеряет функцию.

Задача 3

Условие: нормальный фрагмент кодирующей цепи ДНК имеет вид 5′-ГГТ-ААА-ТЦГ-3′, а мутантный — 5′-ГГТ-АГА-ТЦГ-3′. Установите тип мутации, изменение белка и вероятный фенотип.

1. Сравниваем фрагменты: во втором кодоне ААА один нуклеотид заменён на АГА, длина фрагмента не изменилась.
2. Для иРНК заменяем Т на У: нормальная последовательность будет ГГУ-ААА-УЦГ, мутантная — ГГУ-АГА-УЦГ.
3. По генетическому коду определяем белки: ГГУ-ААА-УЦГ кодирует глицин—лизин—серин, а ГГУ-АГА-УЦГ — глицин—аргинин—серин.
4. Связываем результат с признаком: замена лизина на аргинин может изменить форму или активность белка, если этот участок важен для его работы.

Ответ: это замена нуклеотида и миссенс-мутация. В белке лизин заменён аргинином; вероятный фенотип — изменение признака, связанного с функцией этого белка, хотя иногда такая замена почти не проявляется.

Типичные ошибки

Считать любую мутацию наследуемой. Ошибка возникает из-за смешения понятий «передача дочерним клеткам» и «передача потомству». Проверяйте, затронута ли половая клетка или её предшественник: соматическое изменение обычно потомству не передаётся.

Утверждать, что каждая замена изменяет белок. Ученики забывают о вырожденности генетического кода, при которой разные кодоны обозначают одну аминокислоту. Сверяйте изменённый кодон с таблицей генетического кода и не делайте вывод только по факту замены.

Путать вставку или выпадение с заменой. При замене длина последовательности сохраняется, а при инсерции или делеции она изменяется. Чтобы проверить себя, сравните число нуклеотидов до и после мутации.

Считать мутации только вредными. Такой вывод не учитывает влияние среды и значение изменённого гена. Оценивайте последствие конкретно: мутация может быть нейтральной, вредной или полезной.

Связь с другими темами

Для изучения мутаций нужны знания о строении ДНК и гена, репликации, транскрипции, трансляции и свойствах генетического кода. Тема объясняет появление наследственных заболеваний и последствия действия мутагенов. Она также связана с естественным отбором и эволюцией, поскольку мутации создают новые варианты признаков. При решении задач нужно уметь сопоставлять последовательности ДНК, иРНК и аминокислот.

Что запомнить

• Мутация — устойчивое изменение генетического материала.
• Генная мутация изменяет последовательность нуклеотидов одного гена.
• Основные типы генных мутаций — замены, вставки и выпадения нуклеотидов.
• Замена может быть молчащей, миссенс- или нонсенс-мутацией.
• Вставка или выпадение нуклеотидов, не кратное трём, вызывает сдвиг рамки считывания.
• Мутации бывают спонтанными и индуцированными.
• Генные мутации служат источником наследственной изменчивости.