енные события. Эти термины используют как синонимы, но существует по крайней мере три различных смысла, которые могут вкладываться в эти слова:

1. Мутации представляют собой редкие случайные события, прежде всего в том смысле, что они являются редкими исключениями в нормальном регулярном процессе репликации ДНК, при котором обычно происходит точное копирование наследственной информации, закодированной в последовательности нуклеотидов.

2. Мутации-это редкие, случайные события также и потому, что невозможно узнать, возникнет ли мутация в данном гене в конкретной клетке или в конкретном поколении. Мы не можем предсказать в отношении определенного генного локуса, в каком из организмов возникнет новая мутация, а в каком-нет; мы не можем также предсказать, какой из генов подвергнется мутации в данном организме. Однако это не означает, что в мутационном процессе не существует никаких закономерностей. Закономерности характерны для тех стохастических процессов, которым можно приписать определенные вероятности. Существует определенная вероятность (хотя мы можем ее и не знать) того, что данный ген мутирует в некий определенный другой (см. табл. 20.2), и существует также определен

ная вероятность того, что в популяции определенного размера возникнет новая мутация.

Из этого не следует, однако, что возникновение любой мутации одинаково вероятно. Например, различны вероятности возникновения транзиции и трансверсий, а вероятность замен оснований отлична от вероятностей мутации со сдвигом рамки.

3. Мутации-это редкие, случайные и ненаправленные события и еще в одном смысле, очень важном для эволюции. Они не обязательно адаптивны, т.е. не обязательно увеличивают приспособленность организма к условиям его обитания.

У человека известны мутации около 2,5 тыс. генных локу-сов. Большая часть этих мутаций приводит к различным нарушениям нормального развития от едва заметных до летальных. Мутантные гены могут быть летальными или вызывать стерильность, могут также понижать жизнеспособность. Такие мутации хорошо известны у многих организмов. Например, в природных популяциях дрозофилы около 20% или даже более всех хромосом несут по крайней мере по одной мутации, летальной в гомозиготном состоянии. Летальные и другие мутации могут проявляться на разных стадиях развития, начиная с раннего эмбриогенеза и далее на протяжении всей жизни особи. Они могут затрагивать различные ткани, системы органов, особенности поведения или метаболические процессы.

Таким образом, даже беглый перечень особенностей большинства мутаций, наблюдаемых у человека, и у других хорошо известных видов, таких, как дрозофила, обнаруживает их неадаптивный характер. Мутации возникают не для того, чтобы обеспечить лучшую приспособленность организмов к условиям их обитания. Этот факт, уже давно очевидный генетикам, изучающим высшие организмы, не признавался бактериологами до конца 40-х годов. Большинство ученых, изучавших мутации бактерий, считали, что мутации происходят в бактериальных популяциях в ответ на возникновение новых селективных условий. Например, когда в чашку Петри со средой, содержащей пенициллин, высевают чувствительные к пенициллину бактерии, на поверхности агара появляется несколько устойчивых к этому антибиотику колоний, причем их устойчивость наследуется. Данный факт объясняли тем, что устойчивость к пенициллину индуцируется самим пенициллином. Методология, применявшаяся бактериологами, когда они использовали селективные среды для выделения мутантных штаммов, не позволяла ответить на вопрос, отбираются ли при этом мутанты, уже ранее существовавшие в популяции, или само их возникновение индуцируется фактором отбора. Мало того, некоторые микробиологи вообще подвергали сомнению факт существования генов в бактериях! По их мнению, отбираемые колонии могут состоять из бактерий, приобретших новое физиологическое состояние, позволяющее им приспособиться к жизни в новых условиях. Фактически такие взгляды тормозили признание идеи о том, что ДНК представляет собой наследственное вещество, хотя на это однозначно указывала трансформирующая активность ДНК, выделенной из пневмококка (см. гл. 4).

Спонтанная природа мутаций и неадаптивность были признаны все

ми благодаря работе Луриа и Дельбрюка, изучивших возникновение у Е. coli мутаций устойчивости к фагу Т1. В их эксперименте, получившем название флуктуационного теста, сравнивалось число Т1 ^мутантов, возникающих в «маленьких» культурах Т18-клеток, с числом мутантов в «большой» культуре (табл. 20.3). Эта работа опубликованная в 1943 г., ознаменовала рождение бактериальной генетики. Суть опыта заключалась в следующем. В 20 маленьких пробирок («маленькие» культуры) вносили по 0,2 мл суспензии бактериальных клеток Tls и инкубировали на качалке до тех пор, пока титр суспензии не достигал 109 клеток в 1 мл. Одновременно в большой пробирке («большая» культура) суспензию тех же клеток выращивали примерно до той же плотности. Затем содержимое каждой маленькой пробирки высевали на чашку, зараженную фагом Т1, и подсчитывали число Т1к-колоний. Бактериальную суспензию из большой пробирки рассевали (по 0,2 мл) на чашки с фагом Т1 и затем подсчитывали число Т1к-колоний (табл. 20.3). При такой постановке опыта в обоих вариантах на каждую чашку попадало по 2 • 108 клеток (0,2 мл • 109 клеток/мл), так что число фагоустойчивых колоний, образовавшихся на каждой чашке, зависело лишь от того, взяты ли эти клетки из маленьких пробирок или из большой. При посеве 11 из 20 культур из маленьких пробирок Т1к-колоний не обнаружено, а в тех 9 культурах, где колонии возникли, число их сильно варьировало: от одной до 107. Напротив, все пробы, взятые из большой культуры, дали примерно по одинаковому числу фагоустой-чивых колоний (в среднем 16,7).

Если бы Т1к-колонии возникали в результате действия фага Т1 на чувствительные клетки (то есть каждая клетка обладала некоторой малой вероятностью превратиться под действием фага Т1 в Т1к-клетку), то все чашки должны были бы содержать одинаковое число Т1к-колоний. Оказалось, однако, что количество устойчивых колоний сильно зависит от объема, в котором культивировались клетки, а это свидетельствует о том, что клетки T1R возникли до посева на чашки и, следовательно, независимо от действия на них фага Т1.

Вывод, к которому пришли Луриа и Дельбрюк, состоял в том, что Т1к-клетки возникли спонтанно в отсутствие селективного фактора (фага Т1). Этот вывод основывался на статистических аргументах-большей изменчивости числа T1R колоний среди чашек, засеянных клетками из малых пробирок, по сравнению с теми, на которые высевали пробы большой пробирки. Прямое доказательство спонтанной природы Т1к-клеток были получены Джошуа Ледерберг и Эстер Ледерберг в 1952 г. (см. рис. 8.1). Около 107 клеток чувствительного к фагу Т1 штамма Е. coli высевали на чашку с питательной средой и культивировали в течение нескольких часов до появления бактериальных колоний. Эти колонии перепечатывали на бархат, а с него на 3 чашки, предварительно засеянные фагом Т1 (рис. 20.15). Тот факт, что Т1а-колонии появлялись на всех трех чашках в одних и тех же точках, указывал на то, что эти колонии происходят от конкретных колоний на исходной чашке и что фагоустойчивость возникла до контакта с этим фагом. Если бы появление Т1а-колоний было индуцировано фагом Т1, то такие колонии располагались бы на разных чашках в разных точках. Этот эксперимент окончательно убедил биологов в том, что бактерии содержат спонтанно мутирующие гены, подобно всем другим организмам.

Дополнение 20.2. Случайность мутаций

и число генов

Случайность возникновения спонтанных и индуцированных мутаций может дать способ оценки числа потенциально мутирующих единиц в геноме, т.е. числа генов. Число потенциально летальных групп комплементации (т.е. жизненно важных функций) в Х-хромосоме D. melanogaster-между 950 и 1000. Это число находится в замечательном соответствии с количеством полос, насчитываемом в политенной Х-хромосоме дрозофилы (1012). Однако, по-видимому, это всего лишь совпадение, поскольку взаимно однозначное соответствие между генами и полосами не доказано и, кроме того, в Х-хромосоме заведомо существуют гены, не кодирующие жизненно важные функции, мутации которых, следовательно, не детальны.

Можно также оценить число генов, связанных с определенной функцией. В таблице 20.4 представлено распределение сцепленных с полом мутаций женской стерильности, индуцируемых у ZX melanogaster этилметансульфонатом; число мутаций в каждом цистроне определялось комплементационным анализом. В таблицу включены мутации, обусловливающие появление яичек, из которых личинки не вылупляются. Следовательно, это мутации, летальность которых определяется скорее генотипом матери, а не генотипом зародыша.

Таблица 20.4. Частотное распределение мутаций женской стерильности в X-хромосоме Drosophila melanogaster

Число мутаций в цистроне Число цистронов Число мутаций

1 30 30

2 12 24

3 5 15

4 3 12

5 4 20

6 1 6

7 1 7

8 1 8

9 1 9

15 1 15

Итого 59 146

В табл. 20.4 включены 30 цистронов, для которых известно по одной мутации, 12 цистронов с двумя мутациями в каждом и т.д. В целом распределение числа мутаций, приходящихся на один цистрон, совпадает с пуассоновским распределением, если не считать того, что цистронов с большим числом мутаций оказывается больше, чем следовало бы ожидать. В частности, есть цистрон, для которого известно 15 мутаций. Такие горячие точки-редкие исключения. Одна из возможных причин их существования обсуждается в этой главе.

Если исключить из рассмотрения горячую точку с 15 мутациями, то табл. 20.4 содержит 131 мутацию женской стерильности. Среднее число мутаций на мутабильный цистрон, следовательно, составляет

где N- число цистронов в Х-хромосоме, содержащих мутации женской стерильности (материнского летального эффекта), т.е. число, которое мы хотим оценить.

Первый и второй члены пуассонов-ского распределения (см. приложение n.IV), т.е. число цистронов, в которых происходит только одна и только две мутации соответственно, зада