Мутация (лат. mutatio — өзгеріс) — организмнің белгілері мен қасиеттерінің өзгерісінің фенотиптік жағынан көрінуіне әкелетін хромосомалар мен гендердің өзгерісі. Алғаш рет бұл құбылысты 1901 жылы голландиялық ғалым Г. Де. Фриз (1848-1935) сипаттаған. Және де мутациялық теорияның негізін қалаған. Уақытқа және кеңістікке байланысты мутация процесінің түзілуін мутагенез деп атайды. Мутация процесі барлық тірі организмдерге (адамға да) тән. Мутация және мутагенез терминдеріне анықтама бергенде организмнің жабайы типі немесе гені жэне мутантты организм (мутант) ұғымдарына да түсінік берген дұрыс. Жабайы тип дегенді табиғатта болатын қасиеттермен сипатталатын организмдерді айтады. Сондай-ақ организм үшін табиғи сипатқа ие генді немесе гендер жиынтығын жабайы типке жатқызады. Сонымен жабайы тип дегеніміз — ол мутантты организмдерді және мутантты гендерді салыстыратын «анықтама» типі.
Мутантты организмдер (мутанттар) — өздерінің геномында бір немесе бірнеше мутация болатын организмдерді айтады. Мутантты организмдер қалыпты организмдерден (жабайы организдер) айтарлықтай айырмашылықтары, яғни морфологиялық, физиологиялық, биохимиялық және басқа да айырмашылықтары болуы мүмкін. Мысалы, микроорганизмдерде мутация олардың колониясының пішінінің өзгерісімен, тамақтану қажеттілігімен, дәрілік заттарға реакциясымен және т.б., ал жоғары сатыдағы өсімдіктерде сандық және сапалық белгілердің өзгерісімен сипатталады. Насекомдарда мутанттар қалыпты насекомдардан денесінің, қанатының, аяқтарының, көзінің пішіні және түсі бойынша, жарыққа реакциясы және т.б. қасиеттерімен ажыратылады. Сүтқоректілерде де мутация көптеген сандық және сапалық белгілердің өзгерісіне әкеледі. Адамда мутация қалыптан тыс әртүрлі ауытқуларға әкеледі және тұқым қуалайтын патологияға соқтырады. Жалпылама түрде, мутация организм үшін қатерлі, пайдалы және нетральды болуы мүмкін. Табиғатта кездесетін мутанттар сол түрге жататын организмдер сияқты сол түрдің өкілі ретінде қалатынын естен шығармау керек.
Мутацияны сыртқы ортаның факторларының әсерінен туындайтын фенокопиядан ажырата білу керек. Гендердің әсері сияқты көрінгенмен олар тұқым қуаламайды. Мысалы, жүкті тышқандарды атмосфералық қысымы төмен жерге апарса, онда олардың ұрпақтарында жыныс-несеп жүйесінде ауытқулар болады, бірақ ол ауытқулар тұқым қуаламайды. Адамда фенокопия мысалы ретінде уытты және басқа да зиянды факторлардан туындайтын қаңқаның бұзылысын және көздің көрмеуін айтуға болады.
Мутация организмнің жеке дамуының барлық кезеңдерінде пайда болады және ұрықтануға дейін және кейін де жыныс клеткаларындағы гендер мен хромосомаларға зақым келтіреді. Сондай-ақ соматикалық клеткаларға да, яғни клеткалық циклдің кез келген фазасында әсер ете алады. Сондықтан клетка типіне байланысты көрінетін мутацияларды генеративті және соматикалық деп бөліп қарайды.
Генеративті мутациялар гентиальды және жыныс клеткаларында пайда болады. Егер де мутация гентиальды клеткада жүретін болса, онда мутантты ген бірден бірнеше гаметаларға таралады, яғни мутацияға ұшыраған ұрпақтардың пайда болау жиілігі өседі. Егер де мутация гаметада болатын болса, онда ұрпағында тек бір ғана дара мутацияға ұшырайды. Жыныс клеткаларындағы мутация жиілігіне организмнің жасы негізгі әсерін тигізеді.
Соматикалық мутация организмдердің соматикалық клеткаларында кездеседі. Жануарларда және адамдарда мутациялық өзгерістер тек осы срсатикалық клеткаларда сақталады. Өсімдіктерде, вегетативті көбеюіне байланысты мутация соматикалық ұлпалардан тысқары да таралуы мүмкін. Мысалы, алманың әйгілі қыстық сорты «Делишес» соматикалық мутация нәтижесінде пайда болған, яғни бөліну кезінде мутантты типке тән бұтақтардан түзілген. Әрі қарай вегетативті жолмен осы сорттың қасиетіне тән өсімдік алынды.
Тұқым қуалау типіне байланысты мутацияларды доминантты, жартылай доминантты, кодоминантты және рецессивті деп бөледі. Доминантты мутациялар организмге тікелей әсер етуімен сипатталады, жартылай доминантты мутацияда гетерозиготалы организмде фенотипі бойынша АА және аа формаларында аралық белгі ретінде, ал кодоминантты мутацияда, яғни A1A1 гетерозиготалы организмде екі аллелдің де қасиеті көрінеді. Рецессивті мутацияда гетерозиготалы организмде белгі көрінбейді.
Егер де доминантты мутация гаметаларда кездесетін болса, оның әсері ұрпақтарында көрінеді. Адамда көптеген мутациялар доминантты сипатқа ие. Өсімдіктер мен жануарларда мутациялар жиі болады. Мысалы, генеративті доминантты мутация қысқа аяқты анкон қойына бастама берді. Жартылай доминантты мутацияға мысал ретінде Аа гетерозиготалы форманың пайда болуын, яғни АА және аа аллелді организмдердің аралық формасы, айтуға болады. Бұл биохимиялық белгілердің көрінуінде, яғни екі аллелдің бірдей көрінуіне байланысты болады.
Кодоминантты мутацияға мысал ретінде адамның қан тобындағы IV топты тудыратын ІА және Ів аллелдерін алуға болады. Рецессивті мутациялар генотипте аллелдер гетерозиготалы кезде (Аа) көрінбейді. Олар тек гомозиготалы (аа) жағдайда көрінеді. Мысал ретінде адам популяциясында кездесетін әртүрлі гендік ауруларды айтуға болады.
Сонымен организмде және популяцияда мутациялық аллелдің көрінуіне оның репродуктивтік циклі ғана емес, сонымен бірге мутантты аллелдің доминанттылығы да әсер етеді. Мутацияның клеткадағы локализациясына байланысты гендік (нүктелік) және хромосомалық мутация деп бөліп қарайды.
Гендік мутациялар жеке гендердегі өзгерістермен сипатталады. Осыған байланысты оны кейде нүктелік мутациялар деп те атайды жэне бірсайтты және көпсайтты деп жіктейді. Бірсайтты мутация ген локусының тек бір ғана сайтында, ал көпсайтты мутация бірнеше сайтта жүреді. Кейбір сайттар «белсенді нүктелер» болып табылады, яғни мұнда мутациялар белсенді түрде жүреді. ДНҚ тізбегінде аминсіздену жүреді, нәтижесінде негіздер тізбегінде өзгерістер туындады.
Гендік мутацияларды барлық систематикалық топтардағы организмдерде кездесетін тура және кері (реверсивті) мутация деп те бөледі. Тура мутациялар — жабайы типтердің активтілігі жоқ гендерінен туындаған мутациялар, яғни ДНҚ молекуласындағы кодталған ақпаратты тікелей өзгертуге негізделген және нәтижесінде жабайы типті организм мутантты типке айналады.
Кері мутациялар керісінше, мутантты типтерден жабайы типтерге өтуі. Бұл реверсиялар екі түрлі болады. Біріншісі қандай-да болмасын сайтта қайталанатын мутацияның қайта қалпына келуімен сипатталады, яғни жабайы типке тән қасиетке қайта келеді. Екіншісі басқа гендегі мутациямен сипатталады және ол алдыңғы мутантты геннің жағдайын жабайы типке қарай түзейді, яғни мұнда мутантты гендегі бұзылыс сақталады, сонда да болса, бірте-бірте геннің қызметі қалпына келеді, нәтижесінде фенотип те қалыпқа келеді. Мұндай қалыпқа келу (толық және жартылай) өзінің алғашқы генетикалық жағдайына келу құбылысы «супрессия», ал мұндай мутацияны супрессорлы деп атайды. Әдетте, супрессия тРНҚ жэне рибосомалардың синтезін кодтайтын гендердегі мутация нәтижесінде туындайды.
Организмдегі көптеген гендер мутациялық өзгерістерге төзімді, тек кейбір гендер ғана жиі мутацияға ұшырап отырады. Әдетте организм мутантты генотипті аналықтан немесе аталықтан алғанына байланыссыз мутантты фенотип организмдерде бірдей көріністе болады. Сонда-да болса, адамда және тышқанда бірнеше гендер дифференциалды жағдайда экспрессияланады, яғни оның экспрессиясы мутантты геннің аналықтан немесе аталықтан берілетіне байланысты болады. Ата-анадан берілген аллелдердің бірі әруақытта активсіз, ал екіншісі активті жағдайда болады. Х-хромосоманың активсіздігіне байланысты бұл құбылыс генетикалық импринтинг деп аталды. Яғни генетикалық импринтинг активтілігі ата-анадан келетін гендерге байланысты аллелдердің эквивалентсіз жағдайы. Мысалы, адамда кездесетін Прадела-Вилли патологиялық синдромы тек аталық хромосомалық гомологта кездесетін мутацияға тәуелді, ал Ангельман синдромы аналық гомологты хромосомалар мутациясының нәтижесі.
Хромосомалық мутация организмдегі хромосомалардың санының және құрылымының өзгерісіне байланысты туындайтын өзгерістер. Хромосома санына байланысты өзгерістер кромосома жиынтығына қосымша хромосомалардың қосылуы немесе хромосоманың жетіспеуі нәтижесімен сипатталады. Әдетте, бұл құбылысты геномдық мутация деп атайды және ол полиплоидия және гаплоидияға әкеледі. Сондай-ақ хромосома жиынтығына бір немесе бірнеше хромосомалардың қосылуы немесе жоғалуы гетероплоидияға немесе анеуплоидияға әкеледі (моносомия, трисомия, полисомия және басқалары). Хромосома құрылымындағы өзгерістер нәтижесінде олардың құрылымы бұзылады да, әртүрлі аберрацияларға әкеледі.
Полиплоидия — бұл хромосомалардың гаплоидты санының өсуімен сипатталатын хромосомалық мутацияға жатады. Организмдерде триплоидия (Зп), тетраплоидия (4п), пентаплоидия (5п) және т.б. белгілі. Полиплоидия өсімдіктерде жиі кездеседі, өйткені оларға гермафродиттілік пен апомиксис тән. Табиғатта кездесетін гүлді өсімдіктердің үштен бір бөлігі полиплоидты болып табылады. Полиплоидты өсімдікке мысал ретінде бидайды алуға болады. Ондағы соматикалық клеткадағы хромосома саны 2п = 14, 28 жэне 42 тең, ал гаплоидты саны п = 7. Сондай-ақ полиплоидты өсімдіктерге картоп, темекі, ақ жоңышқа жэне басқа да өсімдіктер жатады.
Хромосомаларының саны тақ санға ие полиплоидты өсімдіктер сапалық белгілерінің деңгейінің жэне жеміс беру қасиетінің төмендігімен сипатталады. Керісінше, хромосомаларының саны жұп санға тең өсімдіктерде сапалық белгілер деңгейі жоғары болады. Бір түрге жататын диплоидты организмдерден шыққан өсімдіктер автополиплоидтар деп аталады. Автополиплоидтар мысалы ретінде жұмсақ бидай өсімдігін алуға болады, онда 2п=42 және ол гексаплоид болып табылады. Бір-бірінен алшақта тұрған түрлерге жататын диплоидты өсімдіктерден жасанды жолмен алынған полиплоидтар аллополиплоидтар деп аталады.
Табиғатта автополиплоидтар да, аллополиплоидтар да кездеседі және олардың географиялық таралуы олардың диплоидты түрлерінен айырмашылығы болады. Мысалы, Шпицберген аралының флорасында диплоидты өсімдіктерге қарағанда, полиплоидты өсімдіктер көптеп кездеседі. Өсімдіктерде полиплоидия шаруашылық құнды қасиетке ие (жемістерінің көлемі үлкен, құрамында қанттың көп болуы, жақсы сақталуы және т.б.). Осыған байланысты полиплоидты өсімдіктерді ауыл шаруашылығында өсімдіктердің жаңа сорттарын алу мақсатында селекциялық жұмыстарда қолданады.
Жануарларда полиплоидия құбылысы өте сирек кездеседі. Ол партеногенетикалық жолмен көбейетін жер құрттарында (негізгі санға шаққандағы полиплоидты қатар 11,16, 17,18 және 19 хромосомалар), кейбір буынаяқтыларда, балықтарда жэне қос мекенділерде кездеседі. Соның ішінде ол теңіз креветкасы Anemia salivana сипатталған. Саламандрлардың ядросы бар үлкен эритроцитті түрлерінен 42 хромосомасы бар триплоидты личинкалар дамиды, ал ядросы кіші эритроцитті түрлерінен 28 хромосомасы бар диплоидты организмдер дамиды. Тынық мұхитында кездесетін барлық албырт балықтар полиплоидтар болып табылады.
Хромосомасының саны 2п = 44 болатын сириялық атжалман (Mesocricetius aurantus) аллополиплоид болып табылады. Ол еуропалық атжалман (Cricetus cricetus, 2n = 22) және азиялық түрге жататын атжалман (Cricetus griseus, 2n = 24) арасындағы табиғи гибридизациясының нәтижесі. Полиплоидия адамның пренатальды даму кезеңінде кездеседі. Сонымен қатар абортустар клеткаларынан триплоидтар мен тетраплоидтар табылғаны туралы мәліметтер белгілі. Осы нәтижелерге қарап триплоидтар абортустардың 20%, ал тетраплоидтар 6% кез-десетіні анықталды.
Жануарларда полиплоидияның сирек кездесетіні олардың зиготасындағы аутосомалық және жыныс хромосомаларының қалыпты қатынасының бұзылысынан деуге болады. Көпклеткалы организмдердің соматикалық клеткаларындағы автополиплоидтар мен аллополиплоидтардан басқа эндополиплоидия да кездеседі. Ол клетка ядросының тыныштық кезеңінде хромосома санының өсуімен сипатталады (митоз жоқ кезде). Онан басқа кейбір өсімдіктерде және насекомдарда геном компоненттерінің бірреттік немесе көпреттік бөлінуінің нэтижесінде туындайтын жалған полиплоидия (псевдо) да кездеседі.
Гаплоидия — хромосома жиынтығының кемуімен сипатталатын мутация. Бұл құбылыс та негізінен өсімдіктерде табылған. Гаплоидия 800-ден астам өсімдіктерде (бидай және жүгеріні есептегенде) белгілі. Жануарларда бұл құбылыс өте сирек кездеседі, ал адамдарда мүлде белгісіз.
Хромосоманың қалыпты санына бір немесе бірнеше хромосомалардың қосылуы немесе жоғалуы нәтижесінде туындатын мутациялар гетероплоидия немесе анеуплоидия деп аталады. Гетероплоидтар арасында қандай-да болмасын хромосома жұбы бір немесе бірнеше хромосомаға артық болса полисемия деп, ал қандай-да болмасын хромосома бір гомологын жоғалтса моносомия деп, ал егер хромосоманың екі жұбы да жоғалса, нуллисомия деп аталады. Бұл мутациялар жануарларда да, өсімдіктерде де кеңінен таралған. Трисомия және моносомия адамдарда, иттерде және басқа да жануарларда және де көптеген жемісті, дәнді және көкөністі өсімдіктерде табылған. Трисомияны және моносомияны адамның абортқа ұшыраған эмбриондарынан және ұрықтарынан жиі табылады. Гетероплоидия көптеген фенотиптік әсерлермен сипатталады, мысалы, адамда денсаулығының бұзылысы.
Хромосоманың құрылымын зақымдайтын мутациялар хромосомалық қайтақұрылулар немесе хромосомалық аберрациялар деп аталады. Бұл мутациялар хромосомаішілік және хромосомааралық қайтақұрылулар болып жіктеледі. Олар жануарларда да, өсімдіктерде де және адамда да кездеседі. Хромосомаішілік қайта құрылуларға делеция (жетіспеушілік, дефишенси), дупликация, инверсия, ал хромосома аралық қайта құрылуға транслокация жатады. Хромосомаішілік қайтақұрылулар хромосома иығының «сынуына» байланысты парацентрикалық («сынық» хромосоманың бір иығында болады) және перицентрикалық («сынық» хромосома центромерасының екі жағында болады) болып бөлінеді. Хромосома аралық қайтақұрылулар гомологты емес хромосомалар арасында болады. Өзгеру деңгейі эртүрлі келеді және тіркесу топтары өзгеріске ұшырайды.
Делеция — бір немесе бірнеше генді алып жүретін хромосома бөлігінің жоғалуы. Адам үшін олар қатерлі және жиі генетикалық ауруларға әкеледі. Үлкен көлемдегі жоғалулар бір немесе бірнеше геннің немесе бірнеше блок геннің жоғалуына алып келеді. Гаплоидты организмдерде үлкен делециялар сол организмді өлімге алып келеді. Ал диплоидты организмдерде делецияның күші делецияға ұшыраған гендерге тікелей байланысты болады. Гомозиготалы делециялар диплоидты клеткалар немесе организмдерді де өлімге ұшыратады.
Дупликация (қосылу) хромосоманың бір немесе бірнеше гендер орналасқан қандай да болмасын бөлігінің қосымша қосылуы (ұзаруы) нәтижесінде хромосоманың ұзарған бөлігі биосинтез процесінде бірнеше рет қайталануы мүмкін. Бұл қайталану бір ғана генге қатысты кіші болуы немесе бірнеше генге қатысты үлкен болуы мүмкін. Дупликацияны тасымалдаушы организмде оның ешқандай залалы жоқ. Олар организм геномында полигендердің түзілуін қамтамасыз етеді немесе жаңа гендердің енуіне мүмкіндік жасайды деп болжанады. Кейбір дупликациялар организмге залалын тигізеді және кейбіреулері өлімге ұшырауы мүмкін.
Инверсия — хромосома бөлігінің екі жағынан ажырауы нәтижесінде 180°-қа бұрылып қайта жалғануына негізделген. Егер де бұрылатын бөлік центромераға қатысы жоқ болып жүрсе, онда бұл мутацияны парацентрлі инверсия деп, ал егер бұрылатын бөлік центромераға қатысты жүретін болса, онда оны перицентрлік инверсия деп атайды. Инверсия мейоз процесіне әсер етеді, нәтижесінде гибридтердің ұрықтануы төмендейді. Осы мутация арқылы туындайтын тұқым қуалайтын аномалияалар белгілі.
Транслокация — бұл гомологты және гомологты емес хромосомалардың бөліктерінің алмасуы. Алмасатын бөліктердің мөлшері әртүрлі болуы мүмкін, кішкентайдан өте үлкенге дейін. Хромосомалық қайта құрылулар гетероплоидтылық сияқты әртүрлі фенотиптік нәтижелермен сипатталады. Адамда ол денсаулығының бұзылысына әкеледі. Өсімдіктерде өнімділіктің төмендеуіне әкеп соқтырады. Бірақ-та хромосомалық қайта құрылуларды кейбір өсімдіктерде зерттеу, олардың организм үшін ешқандай зияны жоқ екені табылған. Мысалы, таушымылдық, сасық меңдуана және басқа да өсімдіктер геномында транслокацияның болуы қалыпты құбылыс болып есептеледі. Организмдердің деңгейіне тәуелсіз гендік және хромосомалық мутациялардың шығу тегіне байланысты спонтанды (кездейсоқ) және индукцияланған деп екіге бөледі.
Спонтанды деп организмдерде қалыпты (табиғи) жағдайда пайда болатын және көзге көрінбейтін мутацияларды, ал индукцияланған деп клетканы немесе организмді мутагенді факторлармен өңдеу арқылы туындайтын мутацияларды айтады. Спонтанды мутациялардың индукцияланған мутациялардан негізгі айырмашылығы спонтанды мутация жеке дамудың кез келген кезеңінде туындауы мүмкін. Мутацияның кеңістіктегі кездейсоқ сипатына келсек, онда спонтанды мутация кез келген генді немесе хромосоманы зақымдауы мүмкін.
Ұзақ уақыт бойы спонтанды мутацияны себепсіз пайда болады деп есептеді, бірақ-та қазір басқаша түсінік қалыптасқан, яғни спонтанды мутациялар себепсіз пайда болмайды, олар клеткадағы өтетін табиғи процестің нәтижесі деп қарайды. Олар Жердегі табиғи радиоактивті жағдайға байланысты ғарыштық сәулелер, Жер бетіндегі радиоактивті элементтер, радионуклидтер және ДНҚ молекуласының репликациясының бұзылысы нәтижесінде мутацияға байланысты. Жердің табиғи радиоактивті жағдайы ДНҚ молекуласында негіздер тізбегінің өзгерісіне экеледі немесе индукцияланған мутацияны шақырады.
ДНҚ молекуласыдағы репликация процесінің қатесі сол процесс кезінде қажетті нуклеотидтің орнына басқа нуклеотид жалғанады да, келесі реттегі «түзету» процесінде де ол анықталмай өтіп кетеді. Нәтижесінде, яғни ДНҚ-полимераза ферментінің әсерінен спонтанды мутацияның туындау жиілігі артады. ДНҚ молекуласы репликациясындағы қателіктер азоттық негіздердің дұрыс емес жалғануымен сипатталатын нуклеотидтердің химиялық тұрақсыздығынан да туындауы мүмкін. Мысалы, цитозин нуклеотиді аминсізденіп урацилге айналады, әрі қарай ол бүкіл репликация бойына ДНҚ-полимераза ферменті арқылы тимин ретінде танылады.
Бір гендердің екінші гендерге мутантты әсерінің болатыны ертеден белгілі болған. Мұндай гендер мутаторлы гендер деп аталады. Олар қазіргі кездегі белгілі генетикалық сипатталған организмдердің барлығының геномында кездеседі. Спонтанды мутацияның жиілігін анықтау адамдарда әр жаңа ұрпақта мутация жиілігін анықтауға мүмкіндік береді: бір генге шаққанда 1х10-6 мутациялар, ол бір генге шаққанда 1х10″6 5 х 10″4 геніне (гаплоидты геном), ал гаметаға шаққанда 5 х 102 (5 : 100*немесе 1 : 20) мутацияға тең болады. Әрі қарай, бір зиготаға 1 : 20×2 гаметалар = 1:10 жағдай, яғни әр гамета жаңа мутацияны алып жүреді. Мүмкін бұл өте үлкен жиілік, бірақ-та көптеген мутациялар рецессивті, яғни гетерозиготалы жағдайда олардың активтіліктері көрінбейді.
Индукцияланған мутация жиілігін клеткаларды немесе мутагендермен өңделген және өңделмеген организм популяцияларын салыстыру арқылы анықтайды. Егер де популяциядағы мутация жиілігі оны мутагендермен 100 еселеп өңдегенде өсетін болса, онда популяцияда бір мутант спонтанды болады, ал қалғандары индукцияланған болады. Индукцияланған мутация дегеніміз клеткаларды немесе организмді мутагенді факторлармен өңдегеннен кейін пайда болатын мутацияларды айтады. Мутагенді факторларды физикалық, химиялық және биологиялық деп бөледі. Бұл факторлардың көпшілігі ДНҚ молекуласында азоттық негіздермен тікелей әрекеттесе алады немесе нуклеотидтік тізбекке әсер етеді.
Физикалық мутагендердің ішінде толқын ұзындықтары қысқа және көрінетін сәулеге қарағанда энергиясы көп иондаушы радиацияны және ультракүлгін сәулесін (УК) бөліп қарайды. УК-сәулесі күн сәулесі спектрінің көп бөлігін құрайды. Иондаушы сэуле және УК-сәулесі ДНҚ молекуласындағы индукцияланған мутациялардың шамамен, 10%-ын құрайды.