В начале XX века один из основателей современной генетики — Фриз — выдвинул четкую теорию наследования изменений генов. Основные ее положения подтверждены на многих примерах и, безусловно, верны.
Считается, что качественно новые наследственные признаки возникают внезапно. Эти изменения в генетическом наборе имеют, следовательно, случайный характер. В силу своей случайности и разнонаправленности они могут быть полезными, безразличными или вредными для организма в данных условиях среды. В отличие от признаков, приобретенных под влиянием жизненных условий, эти генетические изменения могут наследоваться. Они являются предметом естественного отбора среди особей того же вида. Фриз предложил для таких случайных изменений генотипа термин «мутации».
Мутации встречаются среди всех живых организмов. Они могут проявляться и в уменьшении глаз у мушки дрозофилы, и в возникновении на кукурузном поле растения с повышенной урожайностью, и в новом, особо заразном, виде гриппозного вируса, и в тяжелом заболевании у ребенка с лишней хромосомой.
Скачкообразный характер мутаций подтверждал то, что за понятием «ген» стоит нечто материальное, способное наследоваться в поколениях и резко влиять на свойства живого организма. Практически все характерные внешние и биохимические свойства в мире живого были когда-то результатом благоприятных мутаций, закрепленных естественным отбором. Неблагоприятные для выживания мутации «отметались» в процессе эволюции.
По мере улучшения наших знаний о химии биологических процессов становится ясно, что многие, если не все, генные мутации выражаются в нарушениях определенных звеньев обмена веществ, т. е. на внутриклеточном уровне.
В живой клетке генная мутация проявляется прежде всего как изменение последовательности аминокислот в белке. В результате мутации белок теряет или, наоборот, увеличивает свою биологическую активность. Наиболее ярко это видно на примере гемоглобина человека. Исследования 50-х годов выявили множество вариантов этого белка, переносящего кислород в организме. Изменчивость белка — это выпадение, добавление или замена какой-либо аминокислоты по сравнению с нормой. В некоторых случаях мутация ведет к полной потере способности гемоглобина связывать кислород, в результате чего возникает тяжелое заболевание. В других случаях это свойство гемоглобина изменяется не резко, и носитель такой мутации здоров.
Нарушения последовательности аминокислот в белковых молекулах есть следствие генных мутаций. Это было доказано в исследованиях на бактериях с биохимическими дефектами. Ф. Крик, отстаивавший информационную роль ДНК, предположил, что генетическая основа мутации есть замена, выпадение или вставка в молекуле
ДНК одного основания вместо другого. Ясно, что при выпадении или вставке одного основания считывание и-РНК будет идти со сдвигом на одну «букву», что приведет к синтезу аномального белка. В том случае, если в тройке нуклеотидов одно основание заменено на другое, то результат может быть различным. Если новая тройка кодирует ту же аминокислоту, то ясно, что будет образовываться нормальная аминокислотная последовательность. Если мутантный триплет означает другую аминокислоту, то результатом будет замена в кодируемом белке одной аминокислоты. Наконец, если в ходе мутации возникает «бессмысленный» триплет (например, УАА или УАГ), то в процессе белкового синтеза образуются «недоделанные» и скорее всего малоактивные белковые молекулы.
Законы реализации генной активности одинаковы в нормальных и мутантных клетках. Однако мутация искажает качество генетического сообщения, что ведет к отклонению от нормального фенотипа.
Таковы, по современным понятиям, молекулярные основы «точковых», генных, мутаций. Однако мутация может заключаться в приобретении или утере значительного участка генома. Такие мутации именуются хромосомными. Так, в клетках иногда наблюдается появление лишних хромосом или их фрагментов, нехватка отдельных хромосом и их участков. К геномным мутациям относится также гиперплоидность. Это значит, что вместо обычного диплоидного набора (у человека 46 хромосом) клетки обладают триплоидным (69) или тетраплоидным хромосомным набором (92). Такой человеческий организм мало или совсем нежизнеспособен. Однако этот признак у сельскохозяйственных растений генетики часто подвергают селекции ввиду высоких качеств гиперплоидных сортов. Может быть и гипоплоидная мутация.
Мутации в каждом отдельном гене возникают со сравнительно малой частотой. Так, американский генетик С. Оно считает, что частота возникновения мутаций составляет за время жизни одного поколения 1 : 10 000— 1 : 1 ООО ООО в одном гене средней величины. Ясно, что чем сложнее геном, тем выше вероятность мутации в каком-либо из его участков.
Однако и в одном геноме есть участки, которые мутируют чаще, чем соседние.
