Спонтанний мутагенез
Про існування спонтанних мутацій було відомо задовго до того, як було відкрито індукований мутагенез, проте природа індукованих мутацій відома набагато краще.
Перші спроби пояснити причини спонтанних мутацій ґрунтувалися на даних, отриманих під час аналізу радіаційного мутагенезу. Оскільки існують космічні промені і природне тло радіоактивності, а криві “доза-ефект” для іонізуючого випромінювання характеризуються відсутністю порога, то спонтанне мутування генів, по крайнього заходу, почасти, має бути з цим факторів.
Підраховано, що у дрозофіли природне радіаційне тло відповідальне лише за 0,1% спонтанних мутацій. Однак із збільшенням тривалості життя організму ефект природної радіації збільшується. Людина його частка у загальному обсязі спонтанних мутацій може досягати 25%. Значна частина мутацій у одноклітинних організмів і вірусів, що класифікуються як спонтанні, насправді викликана природним радіаційним та УФ-опроміненням.
Підсилює утворення спонтанних мутацій та підвищення температури навколишнього середовища. Кожні 10 С підвищення температури можуть збільшити частоту мутацій до п'яти разів.
В основному ж виникнення спонтанних мутацій пов'язане не із зовнішніми впливами на організм, а з випадковими ушкодженнями генів та хромосом у процесі нормального клітинного метаболізму. Фізіологічний стан клітин також суттєво впливає на спонтанний мутагенез. Підвищення частоти природних мутацій зі збільшенням віку клітин було відзначено ще 1933 р. М.С. Навашин на насінні рослин Crepis capillaris. До ендогенних факторів спонтанного мутагенезу належать: 1) помилки під час реплікації ДНК; 2) помилки репарації; 3) помилки рекомбінації ДНК; 4) дія генів мутаторів таантимутаторів; 6) дія інших факторів ендогенного походження.
Зв'язок спонтанного мутагенезу з реплікацією, репарацією та рекомбінацією днк
На можливий зв'язок виникнення спонтанних мутацій з процесами реплікації ДНК першими вказали Уотсон і Крик на основі уявлень про таутомерні перетворення всередині молекули ДНК. В результаті рідко виникаючих переміщень атомів водню з одних положень в пурині або піримідині в інші, більш стабільні, кетоформи тиміну і гуаніну та аміноформи аденіну і цитозину піддаються таутомеризації, перетворюючись на менш стабільні енольну та іміноформи відповідно. Наслідком таких переходів може бути утворення АЦ- та ГТ-пар, що веде до появи спонтанних транзицій та трансверсій. Встановлено, однак, що основний внесок реплікації ДНК у виникнення спонтанних мутацій пов'язаний із помилками у роботі ДНК-полімераз та хімічною модифікацією цитозину.
Підраховано, що помилки під час полімеризації ДНК виникають із частотою приблизно 10 -5 . Коректорна 3-5-екзонуклеазна активність ДНК-полімераз знижує цю частоту до 10 -10 у розрахунку на нуклеотид. Репаративні процеси ще зменшують можливість виникнення подібних помилок. Тим не менш, число їх все ж таки достатньо для виникнення генетично успадкованих змін в даному гені, що реєструються як спонтанні мутації. Зв'язок спонтанного мутагенезу з функціонуванням ДНК-полімераз підтверджується даними про мутаторну активність мутантівE.coliз дефектною ДНК-полімеразою III. "Помилка" ДНК-полімераза виявлена в клітинах людини, хворої на лейкемію. Поряд з цим є дані про виникнення спонтанних мутацій без синтезу ДНК. Так, спонтанна поява ауксотрофів спостерігали в спорах, що покоїлися, бацил і актиноміцетів,у висушених клітинахE.coli, у бактеріофагах, що позаклітинно зберігаються. Очевидно, у умовах можуть виникати ушкодження, пов'язані з процесами депуринізації, делеціями та інші хімічними і структурними змінами ДНК. Такі передмутаційні ушкодження можуть реалізовуватись у мутації при подальшому синтезі ДНК.
УE.coliвелика кількість спонтанних мутацій виникає шляхом хімічної модифікації однієї з чотирьох основ, присутніх у ДНК. Така модифікація відбувається in situ, тобто. на місці. Найчастіше зустрічається модифікована основа 5-метилцитозин (5-МЦ), що виявляється як у про-, так і у еукаріотів. Фермент метилазу додає групу СН3 до цитозину в певних сайтах ДНК, внаслідок чого невелика частина загальної кількості цитозинових основ виявляється модифікованою. Що стосується гена lacIE.coli, що кодує репресор лактозного оперону, показано, що "гарячі точки" спонтанного мутагензу відповідають сайтам, що містять 5-МЦ. У всіх випадках мутація є транзицією ГЦАТ. У мутантахE.coli, дефектних за метилазою (dam ), такі “гарячі точки” відсутні. Це пов'язано з тим, що 5-МЦ часто піддається дезамінуванню, причому при заміщенні NH2-групи на СО-групу 5-МЦ перетворюється на тімін. Подібна заміна у свою чергу веде до утворення помилкової пари ГТ, яка при подальшій реплікації перетворюється на мутантну пару АТ. У принципі кінцевому дезамінуванню може піддаватися не 5-МЦ, а сам цитозин. При цьому він переходить в урацил, але уE.coliє фермент урацил-ДНК-глікозилазу, що видаляє урацил із ДНК. Це призводить до утворення неспареного гуаніну, проти якого при подальшому репаративному синтезі включається цитозин. В такомуУ разі мутація не виникає. Оскільки дезамінування 5-МЦ призводить до появи в ДНК нормальної для неї основи - тиміну, репаративна система не розпізнає подібну заміну як пошкодження ДНК і виникає мутація.
Крім реплікації, виникнення спонтанних мутацій може бути пов'язане з репарацією ДНК. Найбільш повно така система простежена уE.coli. Мутації в гені uvrD (синонім uvrE), що бере участь у репарації одноланцюжкових розривів, викликаних УФ-опроміненням, у сотні разів підвищує частоту спонтанного транзицій АТГЦ. У мутантів polA, дефектних ДНК-полімеразі I, підвищена частота спонтанного утворення точкових мутацій і делецій. Ексцизійна та постреплікативна (рекомбінаційна) репарації не впливають на частоту спонтанних мутацій у бактерій, проте відомі випадки, коли чутливі до УФ-променів бактерії мають підвищену спонтанну мутабільність. Вимкнення темнової репарації знижує частоту спонтанних мутацій. Усі ці факти свідчать про вплив репаративних процесів виникнення спонтанних мутацій, проте механізми цього впливу не вивчені.
Третій процес, що веде до утворення спонтанних мутацій, – генетична рекомбінація. Дані з цього питання отримані головним чином на дріжджах. К. Магні та Р. фон Борстеллем, які виявили феномен “мейотичної рекомбінації”, що полягає в тому, що спонтанні мутації зі зсувом рамки набагато частіше відзначаються в мейозі, ніж у мітозі. Це дозволило зробити висновок, що причина мутації в мейозі - нерівний внутрішньогенний кросинговер, що призводить до вставок або випадання підстав. Прояв цього мейотичного ефекту специфічно щодо генів тРНК, мутації в яких призводять до виникнення суперсупресорів.
Зв'язок між спонтанним мутагенезом та рекомбінаціямипоказано і інших об'єктах. УE.coliотримані мутанти з підвищеною рекомбінаційною здатністю, у яких одночасно збільшена і спонтанна мутабільність. У самців дрозофіли виявлено мутанти, у яких частота рекомбінацій корелює з частотами зчеплених зі статтю аутосомних леталів.