АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыМатериалы БРЭСпецпроектыСтать автором
Настроить видСменить языкИнформация
О РУВИКИ
Ответ на вопрос

Мутация

Pause

Перейти к материалам ОГЭ/ЕГЭ

Ege oge.png

РУВИКИ для ОГЭ/ЕГЭ

Читайте краткую версию статьи для подготовки к ОГЭ и ЕГЭ 

    
Перейти
Oge-ege.svg

Перейти к материалам ОГЭ/ЕГЭ

Arrow-Right.png
Ege oge.png

РУВИКИ для ОГЭ/ЕГЭ

        Читайте краткую версию статьи для подготовки к ОГЭ и ЕГЭ

Перейти

Мута́ция (лат. mutatio — «изменение») — стойкое изменение генома, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма. Термин введён нидерландским ботаником Хуго де Фризом в 1901 году. Мутации лежат в основе мутационной изменчивости — одной из форм наследственной изменчивости, которая, в отличие от комбинативной, возникающей при мейозе и оплодотворении, создаёт принципиально новые варианты генов[1][2]. Процесс возникновения мутаций называют мутагенезом, а факторы, которые его вызывают, — мутагенами[3].

Общие сведения
Что важно знать
мутация
Область использования генетика, молекулярная биология, эволюционная биология, медицина
Дата появления 1901
Место появления Нидерланды
Автор понятия Хуго де Фриз
Ключевые слова мутагенез, мутаген, геномные мутации, хромосомные мутации, генные мутации, соматические мутации, генеративные мутации
Базовые понятия геном, ген, ДНК, наследственность, изменчивость

История изучения

Термин «мутация» ввёл нидерландский ботаник Хуго де Фриз. Изучая энотеру Ламарка, он обнаружил, что среди потомков внезапно появляются растения с новыми признаками, которые затем устойчиво передаются следующим поколениям. Свои наблюдения он изложил в двухтомном труде «Мутационная теория», первый том которого вышел в 1901 году[4]. Годом ранее де Фриз вместе с К. Корренсом и Э. Чермаком независимо друг от друга переоткрыл законы Менделя[5].

В 1927 году американский генетик Г. Дж. Мёллер показал, что облучение рентгеновскими лучами многократно повышает частоту мутаций у дрозофилы. Так было доказано, что мутации можно вызывать искусственно[6].

Причины мутаций

По происхождению мутации делят на спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутации возникают самопроизвольно, в обычных для организма условиях, в основном из-за ошибок репликации и естественных химических повреждений ДНК. Индуцированные мутации вызваны действием мутагенов. Мутагены бывают физическими (ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение), химическими и биологическими[7]. К химическим мутагенам относится, например, колхицин, нарушающий расхождение хромосом; его используют для получения полиплоидных растений[3].

Частота мутаций

ДНК копируется с высокой точностью благодаря работе систем репликации и репарации. Частоту мутаций необходимо указывать для определённого организма, типа клеток и класса изменений, с обозначением единицы учёта — например, на нуклеотид за деление клетки или за поколение. Частоту ошибок копирования до их исправления не следует смешивать с частотой закрепившихся мутаций[8]. Низкая частота мутаций необходима организму: в половых клетках она сохраняет наследственную информацию вида, а в соматических клетках снижает риск злокачественных опухолей[8].

Повреждения ДНК и ошибки репликации

В каждой клетке ежедневно возникает множество повреждений ДНК. Их вызывают свободные радикалы, продукты обмена веществ, ультрафиолетовое и ионизирующее излучение[7]. Одно из частых спонтанных изменений — дезаминирование цитозина, при котором он превращается в урацил. Если такое повреждение не исправлено до репликации, напротив урацила встраивается аденин. После следующей репликации исходная пара Г—Ц оказывается заменена парой А—Т. Такая замена называется транзицией[7].

Репарация ДНК

Большинство повреждений и ошибок исправляют системы репарации ДНК. Например, система репарации неспаренных оснований распознаёт неправильные пары нуклеотидов, возникшие при репликации, и удаляет ошибочный участок новой цепи. Мутации в генах белков этой системы резко повышают частоту всех остальных мутаций в клетке (мутаторный эффект)[9].

Наследственные дефекты систем репарации приводят к нестабильности генома и предрасполагают к развитию злокачественных опухолей[10]. Пример такого заболевания — пигментная ксеродерма, которая наследуется по аутосомно-рецессивному типу. У больных нарушена эксцизионная репарация: клетки не удаляют повреждения ДНК, возникающие под действием ультрафиолета, поэтому кожа становится крайне чувствительной к солнечному свету[11].

Модели мутагенеза

Существует несколько моделей, объясняющих, как повреждение ДНК превращается в мутацию. Согласно полимеразной модели, мутации возникают из-за ошибок ДНК-полимераз, которые иногда встраивают некомплементарный нуклеотид напротив повреждённого участка. Такую модель для ультрафиолетового мутагенеза предложил С. Е. Бреслер[12]. Позднее было установлено так называемое А-правило: напротив повреждений, которые нельзя «прочитать», ДНК-полимераза чаще всего встраивает аденин[13].

Таутомерную модель предложили Дж. Уотсон и Ф. Крик в 1953 году. Азотистые основания ДНК могут изредка переходить в редкие таутомерные формы, которые образуют неправильные пары. Например, тимин в редкой форме спаривается не с аденином, а с гуанином[14].

Классификации мутаций

Классификация Мёллера

Г. Дж. Мёллер предложил делить мутации по тому, как они изменяют работу гена. Выделяют пять типов[15]:

  • аморфные — полная потеря функции гена;
  • гипоморфные — частичная потеря функции, например из-за снижения количества или активности белка;
  • гиперморфные — усиление нормальной функции гена;
  • антиморфные — изменённый белок мешает работе нормального белка (доминантно-негативный эффект);
  • неоморфные — ген приобретает новую функцию.

Доминантными чаще оказываются антиморфные и неоморфные мутации, а также мутации в генах, для нормальной работы которых нужны обе копии[15].

Классификация по уровню изменения наследственного материала

В школьной и вузовской литературе мутации обычно делят по масштабу изменений на геномные, хромосомные и генные[16].

Геномные мутации изменяют число хромосом. При полиплоидии число хромосом увеличивается кратно гаплоидному набору (3n, 4n, 6n и т. д.). У автополиплоидов умножен собственный набор хромосом вида, у аллополиплоидов объединены наборы хромосом разных видов, полученные при гибридизации. Полиплоиды часто отличаются крупными размерами и высокой продуктивностью, поэтому полиплоидию широко применяют в селекции растений[17]. У человека триплоидия обычно приводит к потере беременности; редкие случаи живорождения сопровождаются тяжёлыми нарушениями развития. Поэтому неверно утверждать, что любой триплоидный зародыш обязательно погибает в первые дни[18].

При анеуплоидии число хромосом изменяется на одну или несколько, то есть не кратно гаплоидному набору. Пример анеуплоидии у человека — синдром Дауна. В большинстве случаев он вызван трисомией по 21-й хромосоме (кариотип 47,XX,+21 или 47,XY,+21). Чаще всего причина — нерасхождение хромосом при образовании яйцеклетки[19].

Хромосомные мутации (хромосомные перестройки, или аберрации) изменяют строение хромосом. Различают потерю участка хромосомы (делеция), его удвоение (дупликация), поворот участка на 180° (инверсия) и перенос участка на другую хромосому (транслокация). Особый случай транслокации — робертсоновская транслокация, при которой две хромосомы сливаются в одну. Такие перестройки, в частности робертсоновская транслокация 1/29 у крупного рогатого скота, снижают плодовитость животных[16].

Генные мутации изменяют последовательность нуклеотидов в пределах одного гена. Это замены, выпадения (делеции) и вставки (инсерции) одного или нескольких нуклеотидов. Мутации, затрагивающие один нуклеотид, называют точечными. Генные мутации встречаются значительно чаще хромосомных. Например, подавляющее большинство мутаций в гене FBN1, вызывающих синдром Марфана, — это точковые замены или небольшие делеции и вставки[20].

Генные мутации

Замены нуклеотидов делят на два класса. При транзиции один пурин заменяется другим пурином (А ↔ Г) или один пиримидин — другим пиримидином (Ц ↔ Т). При трансверсии пурин заменяется пиримидином или наоборот. Типичный пример транзиции — замена пары Г—Ц на А—Т после дезаминирования цитозина[7].

По последствиям для белка точковые замены бывают трёх основных видов:

  • синонимичные («молчащие») замены изменяют кодон, но из-за вырожденности генетического кода не меняют аминокислоту[8];
  • миссенс-мутации приводят к замене одной аминокислоты в белке на другую;
  • нонсенс-мутации превращают смысловой кодон в стоп-кодон, из-за чего синтез белка обрывается преждевременно[20].

Вставки и выпадения нуклеотидов в кодирующей последовательности, число которых не кратно трём, обычно вызывают сдвиг рамки считывания. Это изменяет последующие кодоны и нередко приводит к преждевременному завершению синтеза и нарушению функции белка[21].

Соматические и генеративные мутации

При половом размножении мутация в половой клетке может передаться потомку, если эта клетка участвует в оплодотворении. Соматические мутации наследуются дочерними клетками соответствующей клеточной линии; у человека они обычно не передаются детям[22]. Накопление соматических мутаций — главная причина развития опухолей[8].

Последствия мутаций

Мутации, нарушающие работу клетки, часто приводят к её гибели, в том числе путём апоптоза. Если мутантная клетка выживает и делится, изменённый ген передаётся всем её потомкам[10]. Большинство мутаций, изменяющих строение белка, вредны. Например, по оценкам, около шести из семи случайных замен аминокислот вредны для белка цитохрома c, а в гистоне H4 вредны практически все такие замены. Вредные мутации могут снижать выживаемость или репродуктивный успех, но их наличие не означает обязательной гибели организма[8].

Многие мутации нейтральны: например, синонимичные замены или изменения в участках ДНК, не несущих важной информации[8]. Не все синонимичные замены нейтральны: даже без изменения аминокислотной последовательности они могут влиять на экспрессию гена[23]. Изредка мутация оказывается полезной и повышает приспособленность организма к условиям среды. Такие мутации поддерживаются отбором и становятся материалом для эволюции[24].

Роль мутаций в эволюции

Мутации — первичный источник наследственной изменчивости и материал для естественного отбора. Мутация, вредная в одних условиях, может оказаться полезной при их изменении[1].

undefined

Классический пример — индустриальный меланизм берёзовой пяденицы в Великобритании. Во время промышленной революции кора деревьев потемнела от копоти, и тёмные (меланистические) бабочки стали менее заметны для птиц, поэтому их доля в популяциях резко выросла. После сокращения загрязнения воздуха, начиная с 1970-х годов, светлая форма снова стала преобладать. Полевые эксперименты подтвердили, что главная причина этих изменений — избирательное поедание птицами более заметных бабочек[24].

Если сравнить последовательности одного и того же белка у разных видов, число различий в среднем растёт пропорционально времени, прошедшему с момента их расхождения от общего предка. Каждый белок изменяется со своей характерной скоростью: чем важнее точная последовательность белка, тем медленнее в нём закрепляются мутации. Эта закономерность лежит в основе метода «молекулярных часов», который используют для изучения филогении[8].

Мутации в митохондриальной ДНК, которая передаётся по материнской линии, и в Y-хромосоме, которая передаётся от отца к сыну, служат метками родственных линий. Изучение таких маркеров позволило сделать вывод о происхождении всего человечества от предковой африканской популяции и реконструировать пути расселения народов[25].

Мутации лежат в основе генетического разнообразия популяций. В малых и изолированных популяциях дрейф генов может приводить к случайной утрате аллелей и уменьшению генетического разнообразия[26]. Это ограничивает приспособительные возможности популяции[27].

Проблема случайности мутаций

В 1940-е годы многие микробиологи считали, что устойчивость бактерий к бактериофагам и антибиотикам возникает как ответ на действие самого фактора. В 1943 году С. Лурия и М. Дельбрюк проверили эту гипотезу с помощью флуктуационного теста. Они выращивали много небольших параллельных культур бактерий, а затем добавляли к ним бактериофаг. Число устойчивых бактерий в разных культурах сильно различалось: в большинстве их было мало или не было совсем, а в некоторых — очень много. Такой разброс возможен, только если мутации возникали случайно ещё до контакта с бактериофагом, в разные моменты роста культуры[28].

В 1952 году Дж. Ледерберг и Э. Ледерберг разработали метод реплик. Колонии бактерий переносили с исходной чашки Петри на бархатную ткань, а с неё — на несколько новых чашек, сохраняя взаимное расположение колоний. Устойчивые к антибиотику колонии оказывались в одних и тех же местах на всех чашках. Значит, устойчивые мутанты присутствовали в исходной культуре ещё до действия антибиотика[29]. Оба опыта показали, что мутации возникают случайно и не направлены на приспособление к конкретному фактору. В этих опытах воздействие среды отбирало уже существовавшие устойчивые варианты; это не исключает влияния мутагенных факторов среды на частоту возникновения мутаций.

Вместе с тем организмы могут использовать мутагенез целенаправленно. В B-лимфоцитах при иммунном ответе происходит соматический гипермутагенез — многократное повышение частоты мутаций в генах вариабельных участков антител. Затем отбираются клетки, антитела которых связывают антиген наиболее прочно. Благодаря этому формируются высокоаффинные антитела и клетки иммунологической памяти[30].

⚠️ Подсказка для ЕГЭ/ОГЭ: Мутация

1. Ключевые понятия:

  • Мутация — стойкое изменение генома, наследуемое потомками клетки или организма.
  • Мутагенез — процесс возникновения мутаций.
  • Мутагены — факторы, вызывающие мутации (физические, химические, биологические).
  • Мутационная изменчивость — одна из форм наследственной изменчивости, создающая принципиально новые варианты генов.

2. Классификация мутаций по уровню изменений:

  • Геномные — изменение числа хромосом (полиплоидия, анеуплоидия).
  • Хромосомные — изменение строения хромосом (делеция, дупликация, инверсия, транслокация).
  • Генные — изменение последовательности нуклеотидов в пределах гена (замены, делеции, инсерции).

3. Виды точковых замен по последствиям:

  • Синонимичные — кодон изменяется, но аминокислота не меняется.
  • Миссенс — замена одной аминокислоты на другую.
  • Нонсенс — превращение смыслового кодона в стоп-кодон.

4. Ключевые эксперименты:

  • Флуктуационный тест Лурии и Дельбрюка (1943) — доказал случайную природу мутаций.
  • Метод реплик Ледербергов (1952) — подтвердил, что мутанты возникают до действия антибиотика.

5. Типичные ошибки:

  • Путают соматические и генеративные мутации.
  • Считают, что мутации всегда вредны (большинство нейтральны).
  • Забывают, что мутации случайны, а отбор — направлен.

6. Связь с темами: Наследственность, изменчивость, эволюция, естественный отбор.

7. Примеры:

  • Индустриальный меланизм берёзовой пяденицы — пример роли мутаций в эволюции.
  • Синдром Дауна — пример анеуплоидии (трисомия по 21-й хромосоме).
  • Пигментная ксеродерма — пример наследственного дефекта репарации ДНК.

Примечания

  1. ↑ 1 2 Пасечник В. В., Каменский А. А., Рубцов А. М., Швецов Г. Г., Абовян Л. А., Гапонюк З. Г. Биология. 10 класс. Углублённый уровень: учебник: в 2 ч. / Под ред. В. В. Пасечника. — М.: Просвещение, 2024. — Т. 2. — С. 148. — ISBN 978-5-09-115754-3.
  2. ↑ Пасечник В. В., Каменский А. А., Рубцов А. М., Швецов Г. Г., Абовян Л. А., Гапонюк З. Г. Биология. 10 класс. Углублённый уровень: учебник: в 2 ч. / Под ред. В. В. Пасечника. — М.: Просвещение, 2024. — Т. 2. — С. 108. — ISBN 978-5-09-115754-3.
  3. ↑ 1 2 Могилевская И. В., Мельник С. В. Искусственный мутагенез как инструмент для получения полиплоидных форм древесных растений // Научно-агрономический журнал. — 2022. — № 4 (119). — С. 108—114. — doi:10.34736/FNC.2022.119.4.016.108-114.
  4. ↑ Vries H. de. Die Mutationstheorie. Versuche und Beobachtungen über die Entstehung von Arten im Pflanzenreich (нем.). — Leipzig: Veit & Comp., 1901. — Bd. 1. — doi:10.5962/bhl.title.11336.
  5. ↑ Пасечник В. В., Каменский А. А., Рубцов А. М., Швецов Г. Г., Абовян Л. А., Гапонюк З. Г. Биология. 10 класс. Углублённый уровень: учебник: в 2 ч. / Под ред. В. В. Пасечника. — М.: Просвещение, 2024. — Т. 2. — С. 149. — ISBN 978-5-09-115754-3.
  6. ↑ Muller H. J. Artificial transmutation of the gene (англ.) // Science. — 1927. — Vol. 66, no. 1699. — P. 84—87. — doi:10.1126/science.66.1699.84.
  7. ↑ 1 2 3 4 Игнатов А. В., Бондаренко К. А., Макарова А. В. Необъемные повреждения ДНК у человека: пути образования, репарации и репликации // Acta Naturae. — 2017. — Т. 9, № 3. — С. 12—26. — doi:10.32607/20758251-2017-9-3-12-26.
  8. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Alberts B., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. Chapter 5. The Maintenance of DNA Sequences // Molecular Biology of the Cell (англ.). — 4th ed.. — New York: Garland Science, 2002. — ISBN 0-8153-3218-1.
  9. ↑ Гуцол Л. О., Егорова И. Э., Непомнящих С. Ф., Минакина Л. Н., Ясько М. В. Репарация неспаренных оснований и петель делеции/вставки ДНК у эукариот // Acta Biomedica Scientifica. — 2016. — Т. 1, № 3 (ч. 1). — С. 72—75. — doi:10.12737/21614.
  10. ↑ 1 2 Бойчук С. В., Рамазанов Б. Р. Нарушения системы репарации ДНК — роль в онкогенезе и терапии злокачественных новообразований // Казанский медицинский журнал. — 2014.
  11. ↑ Горланов И. А., Минеева О. К., Лаптиев С. А., Леина Л. М., Милявская И. Р., Федотова Е. П., Большакова Е. С. Пигментная ксеродерма: обзор литературы и клинический случай // Педиатр. — 2022. — Т. 13, № 5. — С. 129—139. — doi:10.17816/PED135129-139.
  12. ↑ Bresler S. E. Theory of misrepair mutagenesis (англ.) // Mutation Research. — 1975. — Vol. 29, no. 3. — P. 467—472. — doi:10.1016/0027-5107(75)90065-2.
  13. ↑ Taylor J.-S. New structural and mechanistic insight into the A-rule and the instructional and non-instructional behavior of DNA photoproducts and other lesions (англ.) // Mutation Research. — 2002. — Vol. 510, no. 1—2. — P. 55—70. — doi:10.1016/s0027-5107(02)00252-x.
  14. ↑ Watson J. D., Crick F. H. C. Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid (англ.) // Nature. — 1953. — Vol. 171, no. 4361. — P. 964—967. — doi:10.1038/171964b0.
  15. ↑ 1 2 Wilkie A. O. The molecular basis of genetic dominance (англ.) // Journal of Medical Genetics. — 1994. — Vol. 31, no. 2. — P. 89—98. — doi:10.1136/jmg.31.2.89. — PMID 8182727.
  16. ↑ 1 2 Саприкина Т. Ю., Криворучко А. Ю., Скокова А. В. Генетические аномалии крупного рогатого скота (обзор) // Сельскохозяйственный журнал. — 2022. — doi:10.25930/2687-1254/011.2.15.2022.
  17. ↑ Бородкина А. Г. Полиплоидия — эффективный метод селекции // Селекция и сорторазведение садовых культур. — 2021. — Т. 8, № 1—2.
  18. ↑ Triploidy in a Live-Born Extremely Low Birth Weight Twin: Clinical Aspects. Дата обращения: 30 сентября 2026.
  19. ↑ Кузьмичев Д. Е., Никулина Л. Р., Раннев А. Ю., Скребов Р. В., Вильцев И. М. Солнечные люди // Здравоохранение Югры: опыт и инновации. — 2016.
  20. ↑ 1 2 Рогожина Ю. А., Румянцева В. А., Букаева А. А., Заклязьминская Е. В. ДНК-диагностика и спектр мутаций в гене FBN1 при синдроме Марфана // Российский кардиологический журнал. — 2015. — № 10. — С. 61—64. — doi:10.15829/1560-4071-2015-10-61-64.
  21. ↑ MedlinePlus. Types of gene variants. Дата обращения: 30 сентября 2026.
  22. ↑ MedlinePlus. Gene variants and how they occur. Дата обращения: 30 сентября 2026.
  23. ↑ Zwart et al. Unraveling the causes of adaptive benefits of synonymous mutations. Дата обращения: 30 сентября 2026.
  24. ↑ 1 2 Cook L. M., Grant B. S., Saccheri I. J., Mallet J. Selective bird predation on the peppered moth: the last experiment of Michael Majerus (англ.) // Biology Letters. — 2012. — Vol. 8, no. 4. — P. 609—612. — doi:10.1098/rsbl.2011.1136.
  25. ↑ Давыденко О. Г., Кушнеревич Е. И. Гаплогруппы Y-хромосом и происхождение национального генофонда // Наука и инновации. — 2011. — № 9 (103). — С. 12—15.
  26. ↑ NHGRI. Genetic drift. Дата обращения: 30 сентября 2026.
  27. ↑ Осаковский В. Л. Генетический дрейф и его последствия // Наука и техника в Якутии. — 2009.
  28. ↑ Luria S. E., Delbrück M. Mutations of bacteria from virus sensitivity to virus resistance (англ.) // Genetics. — 1943. — Vol. 28, no. 6. — P. 491—511. — doi:10.1093/genetics/28.6.491.
  29. ↑ Lederberg J., Lederberg E. M. Replica plating and indirect selection of bacterial mutants (англ.) // Journal of Bacteriology. — 1952. — Vol. 63, no. 3. — P. 399—406. — doi:10.1128/jb.63.3.399-406.1952. — PMID 14927572.
  30. ↑ Лушова А. А., Жеремян Э. А., Астахова Е. А., Спиридонова А. Б., Бязрова М. Г., Филатов А. В. Субпопуляции В-лимфоцитов: функции и молекулярные маркеры // Иммунология. — 2019. — Т. 40, № 6. — С. 63—76. — doi:10.24411/0206-4952-2019-16009.

Литература

Дополнительно по теме

Категории

© Правообладателем данного материала является АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ».
Использование данного материала на других сайтах возможно только с согласия АНО «Интернет-энциклопедия «РУВИКИ».
Pause