Наследственность человека и мутагены внешней среды Мутагенез

Наследственность человека и мутагены внешней среды Мутагенез

Мута ция (лат. mutatio — изменение) — стойкое (то есть такое, которое может быть унаследовано потомками данной клетки или организма) изменение генотипа, происходящее под влиянием внешней или внутренней среды Термин предложен Гуго де Фризом Процесс возникновения мутаций получил название мутагенеза. Мутациия– это качественное изменение генетического материала, приводящее к изменению тех или иных признаков организма

Мутационная теория Де Фриза (1901) Мутации возникают внезапно, без всяких переходов. Мутантные формы вполне устойчивы. Мутации характеризуются дискретностью (прерывистостью); это качественные изменения, которые не образуют непрерывных рядов, не группируются вокруг среднего типа (моды). Мутации возникают в разных направлениях, они могут быть вредными и полезными. Успех в выявлении мутаций зависит от числа проанализированных особей. Одни и те же мутации могут возникать повторно.

Многочисленными исследованиями доказано, что мутации не носят адаптивный характер, они случайны, не направлены Только в ходе эволюции, в ходе отбора оценивается «полезность» , «нейтральность» или «вредность» мутаций в определенных условиях

В классификации, основанной на размерах сегментов генома, подвергающихся преобразованиям, мутации разделяют на геномные, хромосомные и генные. Генные В результате генных Геномные мутаций происходят Хромосомные замены, делеции и вставки у организма-мутанта происходят крупные одного или нескольких происходит внезапное перестройки структуры нуклеотидов, изменение числа отдельных хромосом, кратное целому (хромосомная абберация). транслокации, дупликации и инверсии небольших геному (полиплоидия, участков ДНК (например, анеуплоидия, мутация гетероплоидия). 1 нуклеотида – точечная мутация).

Хромосомные мутации потеря (делеция) или удвоение части (дупликация) генетического материала одной или нескольких хромосом, изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах (инверсия), а также перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую (транслокация) (крайний случай — объединение целых хромосом,

Генные мутации

В зависимости от факторов, вызывающих мутации, последние принято разделять на спонтанные и индуцированные Спонтанные Индуцированные Возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды. Возникают в результате тех или иных мутагенных воздействий в экспериментальных условиях или при неблагоприятных воздействиях окружающей среды. Спонтанные мутации в эукариотических клетках возникают с частотой 10 -9– 10 -12 на нуклеотид за клеточную генерацию. Среди важнейших мутагенных факторов, прежде всего, необходимо отметить химические мутагены – органические и неорганические вещества, вызывающие мутации, а также ионизирующее излучение. 9

Мутационное давление среды

Средняя частота спонтанного возникновения мутаций в структурных локусах человека колеблется в пределах от 10 -5 до 10 - 6 на одну гамету за каждое поколение. Эта величина значительно варьирует для разных генов, меняясь в пределах от 10 -4 для высокомутабильных локусов до 10 -11 в наиболее устойчивых частях генома.

С процессами спонтанного мутагенеза связаны проявления наследственной изменчивости у разных систематических групп организмов. Изучая эту проблему, на примере вариации форм культурных растений и их диких сородичей со всех континентов земного шара, Николай Иванович Вавилов сформулировал закон гомологических рядов наследственной изменчивости. В основе закона лежит представление об однотипном изменении генов у генетически родственных форм, в результате чего появляются сходные мутации.

Мутагены – это разнообразные факторы, которые повышают частоту мутаций. Впервые индуцированные мутации были получены отечественными генетиками Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым в 1925 г. при облучении дрожжей излучением радия

Физические мутагены ионизирующее излучение (альфа–, бета–, гамма–, нейтронное и рентгеновское излучение) коротковолновое ультрафиолетовое излучение СВЧ–излучение действие экстремальных температур. 14

Г. Дж. Меллер, ученик и сотрудник Т. Моргана, получил Нобелевскую премию за открытие мутагенного действия рентгеновых лучей (1927 год).

Непосредственное воздействие частиц с высокой энергией на ДНК, которое приводит к ее разрывам: одиночным (под воздействием гаммаквантов, рентгеновских лучей) или множественных (под воздействием альфа-частиц, нейтронного излучения). Это универсальный механизм возникновения хромосомных перестроек на всех стадиях клеточного цикла, но он действует очень грубо – обычно клетки теряют способность к нормальному делению и погибают. К разрывам ДНК приводит и ультрафиолетовое облучение.

Опосредованное воздействие ионизирующих факторов связано с нарушением структуры ферментов, контролирующих репликацию, репарацию и рекомбинацию ДНК. При больших дозах клетки погибают. Поскольку раковые клетки делятся непрерывно, то облучение является универсальным средством подавления развития метастазов при онкологических заболеваниях – непрерывно делящиеся раковые клетки более уязвимы, чем медленно пролиферирующие или нормальные клетки. Опосредованное воздействие ионизирующих факторов индуцирует самые разнообразные генные и хромосомные мутации. При опосредованном действии ионизирующих факторов их мутагенный эффект может быть снижен с помощью специальных веществ – радиопротекторов. К радиопротекторам относятся различные антиоксиданты, взаимодействующие с продуктами ионизации. В то же время, мутагенный эффект может быть усилен, например, высокая температура повышает мутагенный эффект радиации.

мутагенное действие ультрафиолетовых лучей ДНК интенсивно поглощает жесткий ультрафиолет с длиной волны ≈ 254 нм. Основным продуктом является образование нуклеотидных димеров: два нуклеотида, расположенных рядом в одной цепи ДНК, «замыкаются» сами на себя, образуя пары «тимин–тимин» и «тимин–цитозин» . При репликации ДНК напротив такой пары в достраивающейся цепи могут стать два любых нуклеотида, т. е. принцип комплементарности не выполняется. Ультрафиолетовый свет – это сравнительно мягкий мутаген, поэтому его широко используют в селекции растений, облучая проростки.

Мутагенное действие экстремальных температур Собственный мутагенный эффект экстремальных температур не доказан. Однако очень низкие или очень высокие температуры нарушают деление клетки (возникают геномные мутации). Экстремальные температуры усиливают действие других мутагенов, поскольку снижают ферментативную активность репарационных систем. 19

Химические мутагены Химический мутагенез зародился в 1932 г. , когда В. В. Сахаров, М. Е. Лобашев впервые продемонстрировали способности химических веществ, таких как уксуснокислый свинец, йодистый калий и ряд других, вызывать мутации на классическом генетическом объекте дрозофиле. И хотя эффекты были невелики (превышающие спонтанный темп мутирования в 2 -3 раза), тем не менее у ионизирующей радиации появился соперник. В середине 40 -х годов И. А. Рапопорт и III. Ауэрбах, открыли сильные мутагены - формальдегид и азотистый иприт. Именно середина 40 -х годов считается периодом открытия химического мутагенеза и истинной датой его рождения.

Химические мутагены В повседневной жизни человек постоянно сталкивается с химическими мутагенами. Их источниками служат производственные вредности, сельскохозяйственные ядохимикаты, соединения бытовой химии, отдельные лекарства, но, прежде всего -продукты питания. Согласно опубликованному в 1990 г. заключению Международного агентства по исследованию канцерогенного риска при Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), пиша является источником сложной смеси мутагенов и канцерогенов различной природы. Это - нитрозосоединения, растительные алкалоиды, гетероциклические амины, флавоноиды, отдельные ароматические углеводороды и еще целый ряд химических соединений. Кроме того, пищевое сырье может быть загрязнено мутагенами при хранении (они могут образоваться из немугагенных предшественников).

Химические мутагены (экзогенные) Алкилирующие агенты. Вызывают алкилирование ДНК (например, метилирование, этилирование и т. д. ). В результате при репликации ДНК нарушается принцип комплементарности, и происходит замена нуклеотидных пар: ГЦ → АТ; ГЦ → ЦГ; ГЦ → ТА Некоторые из алкилирующих агентов в природе не встречаются, их не распознают ферменты защитных систем. Такие вещества называются супермутагенами (например, N-метил-Nнитрозомочевина). Супермутагены применяются в селекции растений для получения индуцированных мутаций; их используют также как стимуляторы роста (в сверхмалых концентрациях). 22

ИТРОЗОСОЕДИНЕНИЯ N-Нитрозамины Встречаются в копченых и консервированных пищевых продуктах, в табачном дыме, овощах. При технологической обработке продуктов питания могут выделяться в воздух. Легко образуются в воде при спуске загрязненных стоков.

Гидроксиламин (NH 2 OH, применяется для получения оксимов; при производстве капролактама (сырье для производства капрона); в Избирательно аминирует цитозин, что также нарушает принцип комплементарности при репликации ДНК. В результате происходит замена ГЦ → АТ. парфюмерной промышленности).

Нитриты. Осуществляют окислительное дезаминирование гуанина, аденина, цитозина. Также нарушается принцип комплементарности при репликации ДНК. В результате происходит замена АТ → ГЦ.

Пищевой нитрит натрия – добавка Е 250, которая используется в качестве фиксатора окраски и консерванта в изделиях из мяса и рыбы. Нитрит натрия связывает молекулы гемоглобина и обеспечивает колбасе и другим мясным изделиям приятный розовый цвет. Нитрит натрия – консервант, антибактериальный агент. Е 250 предотвращает рост возбудителей ботулизма. Использование нитрита натрия при производстве продуктов питания предотвращает одну из самых тяжелых пищевых интоксикаций. Е 250 способствует формированию специфического вкуса и аромата мясных и рыбных изделий. Нитрит натрия – необходимое вещество в организме человека, защищающее от бактериальных инфекций. Нитриты вырабатываются организмом человека самостоятельно, а также поступают с пищевыми продуктами. Нитрит натрия обладает сосудорасширяющими, бронхолитическими свойствами, снимает спазмы. Препараты нитрита натрия применяются при стенокардии, при спазмах сосудов головного мозга. Нитрит натрия используется в качестве антидота при отравлении цианидами.

Аналоги оснований. Это вещества, сходные с «обычными» азотистыми основаниями (2 аминопурин , тимина 5 -бромурацил, O 6 метилгуанин). Они способны образовывать комплементарные пары с разными «нормальными» основаниями. Например, при репликации ДНК напротив гуанина вместо цитозина достраивается 5 -бромурацил (аналог тимина). В дальнейшем напротив 5 -бромурацила достраивается аденин, а напротив аденина – обычный тимин. Этот же процесс может идти и в противоположную сторону. В результате происходят замены: ГЦ → АТ или АТ → ГЦ.

Промутагены и проканцерогены Рассмотренные выше химические соединения изначально обладают мутагенной активностью Однако есть соединения, сами не несущие мутагенную активность, но приобретающие ее после серии биохимических превращений внутри организма под действием его ферментных систем (главная причина геннотоксичности многих веществ окружающей среды). Ионы тяжелых металлов, не являясь собственно мутагенами, связываясь с ферментами репликации, репарации и рекомбинации, снижают их ферментативную активность и способствуют появлению мутаций. 28

Эндогенные мутагены Самопроизвольное дезаминирование цитозина с образованием урацила; Свободные радикалы кислорода (образуются в организме при нормальном метаболизме); Метаболиты нормальной микрофлоры человека. 29

К настоящему времени накоплены сведения о генотоксических эффектах (мутагенной и/или ДНК-повреждающей активности) ртути и свинца, а также марганца, меди, мышьяка, кадмия, кобальта, олова, никеля, хрома и цинка в концентрациях, превышающих их физиологическое количество в живых тканях. Эти неорганические соединения поступают в организм человека с растительной и животной пищей. Реальную мутагенную опасность для человека могут представлять остаточные количества препаратов, используемых для стимуляции роста и при лечении сельскохозяйственных животных и птицы.

Образование мутагенов (полициклических ароматических углеводородов, нитрозаминов, гетероциклических аминов) неизбежно происходит в результате кулинарной обработки говядины, свинины, рыбы и птицы при температуре, превышающей 150 °С. Результаты, свидетельствующие о таких последствиях термической обработки пищевого сырья, были получены не только в модельных экспериментах, но и при непосредственном тестировании готовых блюд. В частности, положительный результат теста на мутагенность (как на микробиологических объектах, так и у животных) был получен для разных образцов так называемой «быстрой» пищи, которую готовят обычно при температуре 230 °С.

Ряд исследователей считает преувеличенными существующие представления о потенциальной опасности пищевых мутагенов, прежде всего, гетероциклических ароматических аминов, потребление которых на 5 -6 порядков ниже доз, оказывающих повреждающее воздействие в экспериментальных тест-системах. Однако безоговорочно поддержать их здоровый скепсис мешают, в частности, корреляции, установленные между частотой употребления в пишу жареного мяса. уровнем гетероциклических ароматических аминов, выделяющихся с мочой, и вероятностью возникновения рака поджелудочной железы/ободочной кишки, а также другие, подобные указанным, факты.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ МУТАГЕНЕЗА вирусы оспы, кори, ветряной оспы, гриппа, гепатита Известно, что чужеродная ДНК обладает мутагенными свойствами, а вирусы, способность которых индуцировать мутации меняется под влиянием факторов окружающей среды (в том числе и мутагенных), создают поток ее в клетки растений, животных и человека. При этом мутагенная роль вирусов, а в ряде случаев канцерогенная, по существу, очевидна; они могут менять темп мутаций в клетках хозяина за счет поражения систем защиты ДНК от повреждений. Стрептолизин-О, токсин гемолитического стрептококка, повышает частоту мутаций в культуре эмбриональных фибробластов человека Мощным мутагеном биологического происхождения оказался афлатоксин - продукт жизнедеятельности плесневого гриба Aspergillus flavus

Метаболиты нормальной микрофлоры человека, обладающие мутагенной и канцерогенной активностями 34

Мутаторный фенотип Несмотря на обилие эндогенных и экзогенных мутагенов, лишь небольшая часть их взаимодействий с ДНК завершается образованием мутаций. Совокупность признаков организма, для которой характерна повышенная частота образования спонтанных мутаций, получила название мутаторного фенотипа. К образованию такого фенотипа приводят гены-мутаторы (системы репарации ДНК, кодирующие ферменты матричного синтеза нуклеиновых кислот). 35

Механизмы защиты генома от мутаций 1. избыточные последовательности нуклеотидов ДНК, экранируя кодирующие последовательности нуклеотидов в геноме эукариот, принимают удар большей части химических мутагенов на себя, не допуская их попадания в такие локусы (альтруистическое ДНК); 2. организации ДНК в конкретных участках генома; 3. многочисленные высоко- и низкомолекулярные ловушки мутагенов, важнейшими из которых являются: маннит, энкефалины, индолы, желчные кислоты и их производные, -токоферол, аскорбиновая кислота, тирозин, серотонин, а также ряд других соединений экзогенного и эндогенного происхождения; 4. система репарации. 36

Нарушение работы генов, продукция которых необходима на ранних стадиях эмбриогенеза, может приводить к гибели плода. Такие мутации трудны для диагностики, и в практической медицине мы чаще всего имеем дело только с теми мутациями, которые не проявляют летального эффекта на ранних стадиях эмбрионального развития. Однако не исключено, что ранние эмбриональные летали составляют немалый процент среди мутантных аллелей различных генов и вносят определенный вклад в снижение репродуктивной функции.

Мутации возникают не мгновенно. Вначале под воздействием мутагенов возникает предмутационное состояние клетки. Различные репарационные системы стремятся устранить это состояние, и тогда мутация не реализуется. Основу репарационных систем составляют различные ферменты, закодированные в генотипе клетки (организма). Мутагенез находится под генетическим контролем клетки; это – не физико-химический, а биологический процесс.

Например, ферментные системы репарации вырезают поврежденный участок ДНК, если повреждена только одна нить (эту операцию выполняют ферменты эндонуклеазы), затем вновь достраивается участок ДНК, комплементарный по отношению к сохранившейся нити (эту операцию выполняют ДНК-полимеразы), затем восстановленный участок сшивается с концами нити, оставшимися после вырезания поврежденного участка (эту операцию выполняют лигазы).

Существуют и более тонкие механизмы репарации. Например, при утрате азотистого основания в нуклеотиде происходит его прямое встраивание (это касается аденина и гуанина); метильная группа может просто отщепляться; однонитевые разрывы сшиваются. В некоторых случаях действуют более сложные, малоизученные системы репарации, например, при повреждении обеих нитей ДНК.

При большом числе повреждений ДНК они могут стать необратимыми. Это связано с тем, что: во-первых, репарационные системы могут просто не успевать исправлять повреждения, а во-вторых, могут повреждаться сами ферменты систем репарации, необратимые повреждения ДНК приводят к появлению мутаций – стойких изменений наследственной информации.

Мутация в соматической клетке сложного многоклеточного организма может привести к злокачественным или доброкачественным новообразованиям, мутация в половой клетке — к изменению свойств всего организмапотомка.

Тестирование на мутагенность (1973 г. Б, Бриджес) На первом этапе мутагенные свойства вещества изучали простыми и быстро выполнимыми методами (с использованием микроорганизмов и дрозофилы в качестве тест-объектов) для определения его способности индуцировать генные мутации. Выявление такой способности предполагает запрет на применение данного вещества. В случае особой медицинской или экономической значимости мутагена его тестировали на млекопитающих in vivo. Аналогичное исследование проводилось также для веществ, не продемонстрировавших мутагенных свойств в тестах первого этапа. Если исследуемый агент не проявлял мутагенных свойств, постулировалась безопасность применения его человеком. Вещества, проявившие мутагенность, либо запрещали для использования, либо, если они относились к категории особо значимых, или незаменимых, исследовали дополнительно. На заключительном этапе проводили тестирование для установления количественных закономерностей мутагенного действия таких специфических веществ и оценку риска применения их человеком.

1996 г. Дж. Эшби с соавторами направленность не только на оценку мутагенности тестируемого вещества, но и на прогноз канцерогенности данного химического соединения и возможного механизма канцерогенеза. постулируется, что вещество не является канцерогеном, если оно не проявляет мутагенного и генотоксического действия in vivo. Те же вещества, которым названные эффекты свойственны, являются потенциальными генотоксическими канцерогенами. Известно более 100 различных методов оценки генотоксичности

В рамках курируемой ВОЗ Международной программы по химической безопасности (International Programme on Chemical Safety, IPCS) были разработаны методические рекомендации для мониторинга генотоксических влияний на организм человека мутагенов и канцерогенов. В последней версии рекомендаций от 2000 г. предлагается следующий набор тестов: 1) цитогенетические методы — классический анализ хромосомных аберраций в лимфоцитах периферической крови, флуоресцентная гибридизация in situ (FISH), определение микроядер (МЯ) влимфоцитах и эпителиальных клетках; 2) анализ повреждений ДНК - определение аддуктов, одно- и двухцепочечных разрывов, перекрестных сшивок, шелочелабильных сайтов с помощью биохимических и электрофоретических (кометный тест) методик, определение сестринских хроматидных обменов (СХО); 3) учет образования аддуктов мутагена с белками и мутаций в локусе гипоксантин-гуанин-фосфорибозилтрансферазы (ГГФРТ).

АНТИМУТАГЕНЫ внеклеточные ингибиторы поглощения мутагенов и их предшественников (препятствуют проникновению в организм или ускоряют выведение из организма мутагенов), например, жирные кислоты, ароматические аминокислоты и др. ингибиторы эндогенного формирования мутагенов (предотвращают/тормозят реакции нитрозирования или изменяют внутрикишечную флору), например, токоферолы, фенолы, аскорбиновая кислота, ферментированные молочные продукты дезактиваторы мутагенов (в результате физических и/или химических реакций), например, вещества, поддерживающие определенный уровень р. Н в жидкостях тела, а также тиолы, антиоксиданты. внутриклеточные модуляторы метаболизма (ускоряют переход мутагенов в клетки, не являющиеся мишенями, индуцируют механизмы детоксикации) инактиваторы реакционноспособных молекул (взаимодействуют с электрофилами, улавливают кислородные радикалы, защищают нуклеофильные участки ДНК) модуляторы репликации и репарации ДНК (увеличивают точность репликации, повышают эффективность репарации, ингибируют ошибки репарации), например, хлорид кобальта, арсенит натрия, кумарин, ванилин, тиолы, ингибиторы протеаз.

Следует отметить специфичность действия антимутагенов, проявляющуюся, прежде всего, в высокой избирательности, что особенно характерно для пищевых антимутагенов вообще и витаминов, в частности. Антимутагены ингибируют эффекты одних мутагенов, а в отношении других их действие может быть прямо противоположным (так называемое комутагенное действие) или отсутствовать вовсе. Достоверно установлено, что бесспорный компонент полноценного питания - витамин С — проявляет и антимутагенные, и комутагенные свойства.

Комутагенное действие (усиление повреждающего влияния генотоксических соединений) способны оказывать in vitro и другие витамины, в том числе В 2 и Е. Результат зависит от дозы антимутагена, применяемой тест-системы и метода учета наблюдаемого эффекта. И, наконец, вследствие высоко специфичного действия антимутагенов по отношению к органаммишеням, не исключена возможность защиты генетических структур в клетках одних тканей с одновременным потенцированием мутагенного эффекта в других, чему есть косвенные подтверждения.

Расчеты показывают (Н. Дубинин, 1958), что удвоение частоты мутаций настолько увеличивает объем генетического груза, что это может стать опасным для существования популяций.

Роль мутаций в эволюции При существенном изменении условий существования те мутации, которые раньше были вредными, могут оказаться полезными. Таким образом, мутации являются материалом для естественного отбора.

Эволюция идет часто путем дупликации, перемещения и перетасовки экзонов, а не путем накопления точечных мутаций