Андрей Шляхов - Генетика на пальцах

Давайте рассмотрим действие колхицина, одного из самых известных химических мутагенов.

Колхицин представляет собой азотсодержащее органическое вещество природного происхождения, обладающее свойствами слабого основания.

Структурная формула колхицина

Мутагенное действие: колхицин способен связываться с белком тубулином, из которого состоят микротрубочки, участвующие в процессе деления клетки (давайте вспомним, что они растаскивают хромосомы к полюсам, обеспечивая честную дележку наследственного материала между дочерними клетками). В больших дозах колхицин полностью блокирует процесс клеточного деления, а в малых – нарушает процесс равномерного распределения хромосом между дочерними клетками, в результате чего образуются клетки с удвоенным количеством хромосом. Селекционеров, работающих с некоторыми видами растений (например, с орхидеями), интересует получение особей с увеличенным в несколько раз количеством хромосом, и они активно используют колхицин в работе.

Химические мутагены подразделяются на мутагены прямого действия, у которых достаточно сил (химики называют силу вещества «реакционной способностью») для повреждения молекул ДНК, РНК и белков, а также на мутагены непрямого действия, которые сами по себе мутагенного действия оказывать не способны, но превращаются в мутагены после поступления в организм.

Каким образом безвредные вещества превращаются в мутагены? Очень просто: вступают в химическую реакцию с каким-нибудь веществом, имеющимся в организме, и в результате образуется мутагенное вещество.

У подавляющего большинства мутагенных факторов мутагенность сочетается с канцерогенностью, способностью вызывать онкологические заболевания, ведь способность к неконтролируемому делению, которая лежит в основе всех онкологических процессов, нормальные соматические клетки приобретают в результате мутаций и, надо сказать, приобретают довольно-таки легко. Поэтому любой здравомыслящий человек, заботящийся о своем здоровье, должен беречься от мутагенов.

Как вы думаете, есть ли разница между мутациями, вызываемыми физическими факторами, и мутациями, вызываемыми химическими факторами?

Никакой разницы нет. Мутация есть мутация, вне зависимости от вызвавшего ее фактора.

К биологическим мутагенам относят некоторые белки и продукты окисления жиров, транспозоны – специфические элементы ДНК, способные к самовоспроизводству, и некоторые вирусы (например, вирусы кори и краснухи). Те ученые, которые считают вирусы неживыми структурами, относят их не к биологическим, а к химическим мутагенам.

Мы уже второй раз упомянули транспозоны. Надо бы познакомиться с ними поближе, чтобы понимать, о чем идет речь.

Транспозонами называются участки молекул ДНК, способные к передвижению и размножению в пределах генома [32]   Передвижение по-научному называется «транспозицией», отсюда и произошло название «транспозоны». . Транспозоны также известны под названием «прыгающие гены», потому что они словно бы перепрыгивают с одного места в молекуле ДНК на другое или с одной молекулы ДНК на другую. Обратите внимание на слова «в пределах генома». Транспозоны не могут отправляться в «свободное плавание» по цитоплазме. Они могут только лишь менять одно место в молекуле ДНК на другое, не более того. Большинство транспозонов относятся к некодирующей части генома (той самой, которую называют «мусорной ДНК»).

Транспозоны подразделяются на ДНК-транспозоны и ретротранспозоны. ДНК-транспозоны действуют по принципу «вырезать и вставить». С помощью фермента транспозазы ДНК-транспозоны вырезают себя из одного места и вставляют в другое. Ретротранспозоны не покидают своего места. У них другой принцип – «копировать и вставить». С помощью РНК-матрицы создается копия ретротранспозона, которая затем вставляется в другое место. Ретротранспозоны и их производные составляют как минимум 45 % генома человека! А вот ДНК-транспозоны у человека неактивны.

Когда-то транспозоны рассматривали как бесполезный генетический мусор, но со временем было установлено эволюционное значение транспозонов. Расшифровка генома человека показала, что многие гены представляют собой производные транспозонов. Также транспозоны могут влиять на находящиеся рядом гены, включая и выключая считывание информации с них, изменяя их структуру и т. п. Если предельно упростить, то можно сказать, что транспозоны делают генетический материал более разнообразным. Разумеется, транспозоны могут приносить как пользу, так и вред. Так, например, некоторые транспозоны подозреваются в способности вызывать болезни. Но в целом пользы от генетического разнообразия всегда бывает больше, чем вреда.

Кстати говоря, геномы вирусов транспозонов практически не имеют. Вирусы, как вы уже знаете, представляют собой наследственный материал, упакованный в защитную оболочку. Если вирусная ДНК чрезмерно разрастется, могут возникнуть трудности с ее транспортировкой и внедрением в клетку.

Клетки могут убирать ненужные транспозоны при помощи ДНК-сплайсинга. Мы уже ознакомились с альтернативным сплайсингом, очищающим от ненужного балласта РНК-матрицы, но точно так же можно вырезать участки и из молекул ДНК с последующим сшиванием концов.

Мутации происходят не только под действием мутагенных факторов, но и «сами по себе», без какого-либо действия извне. Разумеется, при действии мутагенов частота возникновения мутаций возрастает. Иначе говоря, мутагены значительно увеличивают количество мутаций, но нельзя говорить, что мутагены запускают процесс образования мутаций, поскольку он идет и без их участия.

Не так давно ученым удалось выяснить, что большинство мутагенов взаимодействует со строго определенными фрагментами молекулы ДНК. Более того, в ряде случаев удалось установить конкретное азотистое основание, на которое действует конкретный мутаген – аденин, тимин, гуанин или цитозин. Сегодня с уверенностью можно сказать, что недалек тот день, когда генетики смогут вызывать строго направленные, «прицельные» мутации, которые позволят вносить заранее спланированное изменение в конкретный фрагмент ДНК. Но пока еще до этого дело не дошло.

Важно понимать, что мутации представляют собой материал естественного отбора, но не способ приспособления к условиям окружающей среды.

Материал, но не способ приспособления!

Почему?

Потому что между мутациями и приспособлениями к условиям среды нет прямой и четкой связи. Часть признаков, полученных организмами в результате мутаций, может повышать их приспособительную способность, другая часть может эту способность понижать, а третья вообще никак не будет на нее влиять. К тому же мутации происходят спонтанно, хаотично и без какой-то конкретной цели. Ни у растительных, ни у животных организмов нет механизма, целенаправленно вызывающего полезные мутации. В процессе естественного отбора происходит отбраковка вредных признаков и закрепление полезных. Образно говоря, природа сдает карты не глядя, а в процессе естественного отбора из этих карт выбираются козыри.