Изучение мутационного процесса

Изучение мутационного процесса стало важной отраслью современной генетики. С помощью мутагенов ученые получают нужные им организмы, которые затем используются в селекционной работе. Практически все микробы—продуценту антибиотиков, витаминов, других биологических активных веществ — получены с помощью мутагенной обработки. Мутанты все чаще используют в селекции растений. Так открытие Коржинского и де Фриза было поставлено на службу человека.

Стала выясняться и молекулярная основа мутаций.

Природа молекулярных изменений генов во время мутагенеза оставалась туманной до появления гипотезы Уотсона и Крика относительно структуры ДНК. Уже в этой гипотезе содержалось зерно будущих представлений о том, что обусловливает возникновение мутаций. По мысли авторов замена одного из нуклеотидов в паре аденин — тимин или гуанин—цитозин на не комплементарного партнера должна была привести к изменению генетической записи. Однако конкретная модель мутагенных изменений была предложена в 1959 г. Эрнстом Фризом и развита им в последующие 3—4 года.

Фриз предположил, что все случаи точечных мутаций с точки зрения их молекулярной природы можно разделить на два основных типа: простые и сложные замены. При простых заменах происходит замена пуринового основания пуриновым (например, место гуанина занимал аденин), а пиримидинового — пиримидиновым (замена тимина цитозином и наоборот). При сложной замене пуриновое основание заменяется пиримидиновым и наоборот. В настоящее время более распространенными являются термины транзиция (для простых замен) и трансверсия (для сложных замен).

Переход к генетическим исследованиям микроорганизмов совершившийся сразу после второй мировой войны, дал возможность колоссально увеличить разрешающую способность генетических методов. Это удобство работы с микробами, когда в руках исследователя в одном опыте может оказаться до миллиарда легко учитываемых особей, сказалось прежде всего в исследовании молекулярных механизмов мутагенеза Э. Фриз и его коллеги сумели быстро доказать, что подавляющее большинство мутаций является точечными. Этим на молекулярном уровне было подтверждено правило, впервые высказанное еще в 1926 г. русским генетиком С. С. Четвериковым. Наряду с этим в классификации Э. Фриза сохранились такие типы мутаций, которые были ранее описаны в классической генетике как делеция (утеря части гена), дупликация (удвоения частей генов или даже целых генов), инверсия (переворот на 180° участков генов), транслокация (перемещение генов). Развитие работ по генетике бактериофагов позволило доказать наличие ряда таких мутаций и прежде всего делеций.

Однако в своей трактовке молекулярной природы точечных мутаций Фриз не учел того, что наряду с транзициями и трансверсиями могут быть мутации, изменяющие количество оснований в гене. Этот промах был исправлен Кембриджской школой молекулярных генетиков, которые в 1961 г. сначала предсказали (Бреннер, Барнет, Крик и Оргель), а затем экспериментально доказали, что наряду с заменами существуют такие точечные мутации, когда один или несколько нуклеотидов внедряются или, наоборот, выпадают из структуры ДНК. Такие мутации изменяют чтение всего последующего участка гена от точки изменения, и они получили название «мутации сдвига чтения».

Исключительно важными для молекулярной теории мутагенеза оказались работы по изучению аминокислотных замен в мутантных белках, выполненные на моделях бактериальных и растительных вирусов и белков кишечной палочки.

Наконец, в последнее время появилась надежда с молекулярных позиций объяснить загадку возникновения полных и мозаичных мутаций. Долгое время генетики не могли представить убедительных объяснений, почему в некоторых случаях поврежденными оказываются сразу обе нити ДНК (полная мутация), в то время как в других случаях изменению подвергается только одна из нитей (мозаичная мутация). Открытие ферментных систем, исправляющих повреждения ДНК, нанесенные физическими и химическими агентами, и выяснение молекулярного механизма их действия позволило обосновать тезис о том, что именно репарирующие системы переносят повреждение с одной нити ДНК на другую ее нить, вызывая появление полной мутации (Н. П. Дубинин и В. Н. Сойфер). Этот же принцип был использован для объяснения причин появления хромосомных, а не хроматидных мутаций стадии G1, когда ДНК хромосом остается не реплицирующейся при воздействии на клетки агентами, вызывающими репарируемые повреждения.