Мутации у бактерий. Мутагены.

Мутации – изменения, возникающие в генетическом аппарате бактерий и передающиеся по наследству. Мутации, возникающие в популяции бактерий без целенаправленного экспериментального вмешательства, называют спонтанными. Например, тимин, который обычно спаривается с аденином, может перейти в енольную форму и образовать водородные связи с гуанином. В результате во вновь синтезированной молекуле ДНК вместо пары Т–А появляется пара Г–Ц. Возникают такие мутации довольно редко. В среднем частота спонтанных мутаций составляет 10–4–10–10.

Индуцированные мутации возникают с помощью воздействия тех или иных факторов – мутагенных агентов. Мутагенные агенты характеризуются неспецифичностью действия.

Мутации, приводящие к утрате или изменению какой-то функции клетки, относятся к классу прямых, так как они вызывают появление у клеток другого фенотипа, который отличает их от бактерий дикого типа. Например, бактерии E. coli, способные в норме сбраживать лактозу (Lac+-фенотип), могут утрачивать данный признак, и поэтому мутация Lac+ Lac–, будет считаться прямой.

В результате обратной мутации у мутантного организма восстанавливается исходный (или дикий) фенотип. Обратные мутации бывают истинными (истинные реверсии) и вторичными. Об истинных обратных мутациях говорят, когда в результате второй мутации восстанавливается исходный генотип. Однако эффект первой мутации может быть компенсирован мутацией в другой части этого же или расположенного рядом гена - вторичными реверсиями. Иногда возникают также мутации в других участках генома, которые за счет различных механизмов обеспечивают обходные пути для снятия эффекта первой мутации. Их называют супрессорными мутациями. По фенотипическим проявлениям мутации подразделяют: 1) на морфологические, в результате которых изменяется ряд морфологических признаков; 2) биохимические, среди которых: • определяющие зависимость от дополнительных факторов роста, или ауксотрофные; • обеспечивающие устойчивость к ингибиторам, антибиотикам, бактериоцинам, ядам или бактериофагам; • связанные с чувствительностью к повышенной температуре (условно-летальные); • изменяющие способность использовать определенный субстрат или сбраживать какой-либо углевод; • нарушающие регуляцию или синтез ферментов катаболизма либо анаболизма;

• изменяющие вирулентность клеток, их антигенные свойства.

Точковые мутации – мутации, затрагивающие только одну пару оснований и приводящие к замене одной пары оснований на другую: • транзиции, в результате которых происходит замена пурина на

другой пурин или же пиримидина на другой пиримидин; • трансверсии, приводящие к замене пурина пиримидином, и наоборот.

Мутации, связанные с заменой оснований, часто оказываются миссенс-мутациями (мутациями с изменением смысла), в которых кодирующий триплет оснований после замены обеспечивает включение в белок уже другой аминокислоты. Значительная часть мутаций с заменой оснований представляет собой нонсенс-мутации (бессмысленные мутации), характеризующиеся тем, что кодирующий какую-либо аминокис- лоту триплет превращается в триплет, не кодирующий никакой аминокислоты.

Под влиянием некоторых мутагенов могут происходить вставки или выпадения оснований, а возникающие в результате этого мутации называются мутациями со сдвигом рамки считывания.

Мутации, затрагивающие вножество пар нуклеотидов, называют хромосомными. Дупликации – возникновение в данной нуклеотидной последовательности одного или, чаще, нескольких повторов. Делеции – утрата двух или нескольких пар оснований. Инверсии – изменение порядка нуклеотидов в ДНК на обратный по отношению к ориентации в штаммах дикого типа, возникающее обычно в результате рекомбинации с переворотом (flip-flop). Транслокации – перенос фрагмента ДНК в новое положение.

Азотистая кислота (HNO2) дезаминирует (отщепляет аминогруппу и замещает другой группой) аденин, гуанин или цитозин, что приводит к ошибкам при репликации ДНК. Происходит простая замена оснований, или транзиция.

Гидроксиламин (NH2OH) вступает в реакцию главным образом с ци-тозином и изменяет его так, что он при репликации ДНК предпочтитель-но спаривается с аденином вместо гуанина (транзиция).

Переход в другую таутомерную форму может привести к неправильному образованию пар во время репликации ДНК. Часто для выделения мутантов используют 5-бромурацил и 2-аминопурин.

5-Бромурацил представляет собой соединение, сходное по строению с тимином. Он может включаться вместо тимина в цепь ДНК как комплементарное аденину основание. При переходе в енольную форму 5-бромурацил (БУ*) ведет себя при репликации ДНК как цитозин и спаривается с гуанином.

После третьего цикла репликации вместо пары А–Т в молекуле ДНК обнаруживается пара Г–Ц.

Алкилирующие агенты –этилэтансульфонат, сернистый иприт и другие принадлежат к наиболее эффективным мутагенам. Они модифицируют (алкилируют) в области репликативной вилки преимущественно пуриновые основания, в первую очередь гуанин, вызывая его спаривание с ти-

мином вместо цитозина. Молекулы акридиновых красителей внедряются между соседними азотистыми основаниями в цепи ДНК и увеличивают расстояние между ними. Такое пространственное изменение при репликации ДНК может вызывать ошибки двух типов – утрату нуклеотида или включение дополнительной пары нуклеотидов. УФ-лучи действуют на тиминовые основания, следствием чего является образование димеров тимина в ДНК. Такие димеры служат источником возникновения ошибок при репликации ДНК. УФ-лучи вызывают мутации типа транзиций, трансверсий или делеций.

Как мутагенные факторы биологической природы рассматривают перемещающиеся (мобильные, мигрирующие) генетические элементы бактерий - простые вставочные последовательности (IS-элементы), транспозоны (Tn-элементы) и фаги-транспозоны (Mu, Д3112).