Каминская Э.А. Общая генетика

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 121. Альбинизм и меланизм у обезьян.

ность лучей радия у дрожжей. Два года спустя Г. Меллер установил,

что рентгеновские лучи резко повышают частоту мутаций у дрозо-

филы. С именем Меллера связана и разработка специальных методов

учета индуцированных летальных мутаций у дрозофилы. Вслед за

этими открытиями началось интенсивное изучение мутагенной актив-

ности ионизирующих излучений. Влияние радиации на частоту хмута-

ций было выявлено на различных объектах, как на прокариотах,

так и на эукариотах.

В настоящее время энергия радиаций широко используется в

хозяйственных, промышленных, медицинских, научных и других це-

лях. В результате этого увеличилась вероятность контакта человека

с ионизирующими частицами, что вызвало необходимость глубокого

исследования их действия на живой организм. Как оказалось, ионизи-

рующее излучение вызывает изменения не только в соматических

клетках и тканях, приводящие к уродствам развития, лучевой болезни

и даже гибели организма (биологическое действие), но и в наследст-

'207

венных структурах половых клеток, что в значительной степени

увеличивает число мутаций и, таким образом, наследственный груз

человеческой популяции (генетическое действие). Свидетельством

тому являются трагические последствия атомных взрывов в Хиросиме

и Нагасаки. Есть опасения, что подобные последствия могут быть и

в результате аварии на Чернобыльской АЭС. Генетическую опас-

ность могут представлять даже незначительные дозы излучения. Не

вызывая существенного биологического нарушения, они могут стать

причиной рецессивных вредных мутаций, способных накапливаться в

поколениях.

В последнее время в генетике выделился самостоятельный раз-

дел — радиационная генетика,— изучающий механизмы генетиче.с

кого действия различных видов ионизирующих излучений, а также

разрабатывающий количественные методы учета рентгеновских му-

таций и способы защиты от биологического и генетического действия

радиации. К ионизирующим излучениям относятся излучения элект-

ронов (отрицательно заряженные частицы), позитронов и протонов

(положительно заряженные частицы), мезонов, нейтронов, а- и |3-

частиц, фотонов (световые кванты). Принцип воздействия их на би-

ологические структуры одинаков. Проходя через биологическую сис-

тему, они вызывают ее возбуждение и ионизацию. Заряженные час-

тицы способны вырывать электроны из оболочки атомов и молекул

и превращать их в положительно заряженные ионы (ионизация).

Последние действуют таким же образом, усиливая тем самым плот-

ность ионизации, т. е. увеличивают частоту пар ионов на единицу

объема. Различия в действии заряженных частиц заключаются в

разной плотности ионизации и неодинаковой степени ее распреде-

ления в толще облучаемого вещества. Плотность ионизации зависит

от скорости пробега заряженной частицы: при высокой скорости

она низкая; максимум ее наступает лишь в конце пробега, когда

скорость частицы значительно замедляется.

Механизм действия ионизирующих излучений можно объяснить с

позиций «теории мишени», сформулированной в 30-х годах Н. В.

Тимофеевым-Рессовским и М. Дельбрюком. Под мишенью понима-

ется «чувствительный» объем (ядро, хромосомы, гены, включая и не-

кий объем вокруг них), поражение которого приводит к определен-

ному изменению в клетке. В простейшем случае изменение проис-

ходит в результате одного попадания в одну мишень. Согласно

теории мишени, ионизирующее излучение действует непосредственно

на гены и хромосомы. Кроме такого прямого действия, возможно

и косвенное через короткоживущие свободные радикалы, образую-

щиеся при прохождении ионизирующих частиц сквозь биологический

субстрат. Эти радикалы могут вступать в реакцию с химическими

компонентами хромосом. Самыми чувствительными к действию ради-

ации оказываются молекулы ДНК. Биологически активными радика-

лами являются свободные радикалы водорода (Н) и гидроксила

(ОН), образующиеся в результате радиолиза воды. Доказательством

косвенного влияния радиации является усиление ее биологического

действия при облучении субстрата в водной среде.

'208

Генетический эффект радиации заключается в том, что она может

нарушать аппарат деления клеток, вызывать слипание и инактивацию

хромосом, индуцировать их разрывы. При этом на фоне высокого

уровня мутаций наблюдается значительная частота множественных

поломок хромосом, так называемая фрагментация, сопровождаю-

щаяся образованием аберраций и нередко приводящая к летальному

эффекту. Наряду с этим экспериментально доказан факт индукции

излучением истинно генных мутаций: описан ряд изменений ДНК,

в том числе разрыв водородных связей двухцепочечной ДНК, ее

цепей, сшивание двух нитей и разных молекул ДНК друг с другом,

а также с белком.

Ультрафиолетовые лучи (УФ) в отличие от ионизирующих оказы-

вают более специфическое действие, так как способны поглощать

только молекулы, имеющие конъюгированные двойные связи, т. е. мо-

лекулы ДНК. В молекуле ДНК более чувствительны к ультрафиоле-

товому облучению пиримидины. При УФ-облучении два соседних

пиримидина (чаще тимины) соединяются друг с другом по углерод-

ным атомам, в результате чего образуется циклобутановое кольцо,

так называемый димер (в данном случае тиминовый) цикло-

бутанового типа:

Этот димер затрудняет репликацию и нередко вызывает гибель

клетки.

Иногда ультрафиолетовое излучение вызывает крупные хромо-

сомные поломки, но чаще — точковые мутации и небольшие де-

леции.

Чувствительность организмов к действию радиации различна.

Наряду с высокочувствительными существуют линии, где требуется

значительно более высокая доза для достижения сходного эффекта.

Уровень мутаций зависит также от вида и дозы излучения, что лежит

в основе следующих закономерностей радиационного мутагенеза.

1. Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) разных

видов излучений зависит от линейной потери энергии и плотности

ионизации. Размер радиационных повреждений возрастает с усиле-

нием последней, величина которой в свою очередь обратно пропор-

циональна скорости заряженных частиц. Поэтому излучения с высо-

кой энергией (скоростью частицы) обладают меньшей биологической

и генетической эффективностью, чем обычное рентгеновское излуче-

ние.

2. При анализе генетического действия радиации обращает на

себя внимание зависимость эффекта от дозы (доза-эффект). Соглас-

'209

но теории мишени, для одноударных мутаций (генные мутации,

дефишенси; мутация формируется в результате одного попадания в

одну мишень) наблюдается линейная, прямо пропорциональная зави-

симость: при возрастании дозы на один порядок в той же степени

возрастает и частота мутаций. Такая зависимость для двуударных

мутаций (хромосомные аберрации; для их образования требуется

не менее двух попаданий в мишень) принимает характер экспоненци-

альной кривой: частота мутаций увеличивается пропорционально

квадрату дозы.

3. Степень выраженности генетического эффекта существенно за-

висит от характера распределения дозы облучения во времени и ее

мощности (количество излучения в единицу времени). По В. Расселу

(1958), доза в 600 рентген при мощности 90 р/мин. вызывает у мышей

в 4 раза больше мутаций, чем при мощности 0,009 р/мин. Возможно,

при действии малых доз часть потенциальных мутационных повреж-

дений восстанавливается. Уровень мутаций зависит от того, дается ли

доза одномоментно или с интервалами — фракционированно. Уста-

новлено, что с изменением интервалов времени между облучениями

меняется частота хромосомных аберраций: как правило, при неболь-

ших интервалах число мутаций уменьшается, при увеличении же их

может наблюдаться либо усиление либо снижение генетического эф-

фекта.

4. Степень выраженности мутагенного действия излучения зави-

сит и от среды, в которой проводится облучение. В кислородной среде

частота мутаций увеличивается (кислородный эффект), в среде азо-

та или аргона — снижается. Возможно, в присутствии кислорода

образуются перекисные соединения, которые сами по себе облада-

ют мутагенной способностью.

Высокой мутагенной активностью обладают не только ионизиру-

ющие излучения, но и химические вещества, так называемые хими-

ческие мутагены. Впервые, еще в 1932 г., В. В. Сахаров в опыте на

дрозофиле продемонстрировал мутагенное действие йода. В 1934 г.

М. Е. Лобашев и Ф. А. Смирнов установили, что некоторые

химические соединения (йод, уксусная кислота, аммиак) способны

индуцировать у дрозофилы рецессивные мутации. На основании

полученных результатов они предложили ряд критериев обнаруже-

ния химических мутагенов. Позднее, в 1939 г., И. А. Рапопорт обнару-

жил высокую мутационную активность этиленимина. Через шесть лет

Ш. Ауэрбах и И. Робсон установили генетическую активность иприта

и уретана. Иприт по эффективности превосходит генетическое дейст-

вие рентгеновских лучей и, обладая способностью (как и ионизирую-

щие излучения) воздействовать на мишень, индуцирует (в отличие от

рентгеновских лучей) сравнительно мало крупных хромосомных пере-

строек, но обусловливает довольно высокую частоту мелких делеций.

Генетической а^ивности химических соединений в настоящее

время придается серьезное значение. Бурный прогресс науки и техни-

ки порождает огромное количество химических соединений, прямо

или косвенно воздействующих на живой организм. Многие из них

оказывают мутагенное влияние. Это пестициды (ДДТ, гексахлорбен-

'210

зол и др.); нитраты, источником которых служат минеральные

удобрения; нитриты; алкилирующие соединения, широко использую-

щиеся в качестве промежуточных продуктов в различных техно-

логических процессах химического синтеза. Японский ученый Я. Тад-

жима в 1978 г. установил, что в некоторых пищевых продук-

тах (овощи, пряности, табак, различные напитки, корочка жареной

рыбы и мяса) содержатся мутагенные азотсодержащие соединения,

а другие (рис, соя, мука, фасоль, капуста, картофельное пюре,

баклажаны, сахар, свинина, курятина, яйца) становятся мутагенны-

ми после 10-минутной температурной обработки при 250 °С. Однако

при температуре ниже 200 °С или выше 300 °С их мутагенная актив-

ность снижается.

Мутагенное действие оказывают и определенные лекарственные

препараты, в связи с чем сегодня остро стоит вопрос о необходимости

создания специальной службы по их генетическому контролю.

Генетическая активность химических соединений заслуживает

особого внимания и с точки зрения селекционных исследований.

Индуцированные мутации являются одним из основных исходных

материалов при выведении новых сортов растений и пород животных.

Химические вещества оказывают более «мягкое» мутагенное дей-

ствие — индуцируют преимущественно генные мутации и, в противо-

положность ионизирующим излучениям, реже вызывают крупные

хромосомные поломки, приводящие к летальному эффекту.

Мутационный эффект дают те химические вещества, которые

обладают определенной проникающей способностью и могут взаимо-

действовать с ДНК- Чтобы достичь мо'лекулы ДНК, мутаген должен

пройти через цитоплазматическую и ядерную мембраны. Проника-

ющая способность мутагена зависит от степени его растворимости

в воде, от уровня гидратации клеток, от рН среды, от формы

(ионная или неизмененная) препарата. Эффективность действия хи-

мического мутагена определяется также физиологическими и биохи-

мическими свойствами организма.

Мутационный эффект наступает преимущественно в результате

взаимодействия мутагена с ДНК в период репликации, когда ее моле-

кула находится в однонитчатом состоянии. Считается, что двунитча-

тая ДНК практически инертна и только очень немногие ее участки мо-

гут вступать в реакцию с мутагеном. Тем не менее обнаружены

химические вещества, влияющие и на покоящиеся ДНК и РНК.

Все химические мутагены по строению и механизму взаимодей-

ствия с наследственными структурами подразделяются на группы.

Рассмотрим соединения, механизмы генетического действия которых

наиболее изучены.

Азотистая кислота — один из сильнейших мутагенов. Она дейст-

вует на покоящиеся ДНК и РНК вне периода их функциональ-

ной активности. В основе механизма ее действия лежит дезаминиро-

вание, в результате которого группа — С — NH2 превращается в

С = О. Дезаминированию подвергаются только три нуклеотида —

аденин, гуанин и цитозин, содержащие группу NH2 и превращающи-

еся при этом соответственно в гипоксантин, ксантин и урацил. Деза-

'211

минирование аденина и цитозина вызывает транзиции, так как гипо-

ксантин спаривается не с тимином, а с цитозином, урацил — не с гуа-

нином, а с аденином:

Данный процесс приводит к замене пар азотистых оснований

(А — Т на Г—Ц; Г — Ц на Т — А). При этом дезаминирова-

ние гуанина не дает мутационного эффекта, так как ксантин сохра-

няет способность спариваться с цитозином. После каждых четырех

актов дезаминирования происходит одна сшивка противоположных

нитей ДНК за счет образующихся промежуточных продуктов взаимо-

действия азотистой кислоты и оснований. При этом утрачивается

функциональная способность данного участка ДНК в результате то-

го, что прочные связи между противоположными нитями препятству-

ют процессу расхождения цепей (по типу поломки застежки «мол-

ния») .

Алкилирующие соединения (формальдегид, фенолы, этиленимин,

иприт, диалкилсульфаты, эпоксиды, диазосоединения и др.) взаимо-

действуют с ДНК путем либо замещения в ней водородных атомов,

либо алкилирования — присоединения к ней алкильных групп (СНз,

С2Н5 и др.) и ряда металлов. Алкильные группы могут присоеди-

няться как к фосфатным группам, так и к пуриновым и пиримидино-

вым основаниям. Наиболее реакционноспособны фосфаты, атомы

азота пуринов и цитозина и аминогруппы пуринов. Алкилирование

азотистых оснований способствует их ионизации, и они ошибочно

могут спариваться с другими основаниями, приводя, таким обра-

зом, к транзициям. Например, ионизированный гуанин, чаще других

оснований подвергающийся воздействию алкилирующих препаратов,

соединяется не с цитозином, а с тимином, поэтому пара ГЦ заме-

щается на AT. Нередко наблюдается эффект депуринизации, т. е. вы-

падения пурина из алкилированной цепи ДНК. Это может вызвать

ее разрыв и формирование хромосомной мутации. Некоторые алкили-

рующие соединения (иприт) способствуют образованию поперечных

сшивок между соседними гуанинами. Биологическим последствием

всех реакций алкилирования является инактивация молекулы ДНК.

Но алкилирование разных участков приводит к различному эффекту:

разрыв сахарофосфатной нити дает преимущественно летальный эф-

фект, а алкилирование оснований и ^епуринизация — и летальный

и мутагенный.

К соединениям, проявляющим мутагенную активность при воздей-

ствии на ДНК в период ее репликации, относятся аналоги азотистых

оснований (5-бром-, 5-фтор-, 5-хлор-, 5-йодурацил — аналоги пири-

'212

мидина и 2-аминопурин—аналог пурина). Они по кольцевой

структуре сходны с нормальными азотистыми основаниями, но по

химическим свойствам отличаются от них, поскольку способны

существовать в двух таутомерных формах — в кетоформе и в эноль-

ной форме (пиримидины), а также в амино- и иминоформе (пурины),

что сказывается на их реакционной способности. Так, 5-бромурацил

(5-БУ) в кетоформе спаривается не с тимином, а с аденином, в эноль-

ной форме — с гуанином, а не с цитозином. При ошибочном спарива-

нии азотистых оснований с 5-БУ возникают транзиции, в основе кото-

рых лежат ошибки включения и репликации.

Ошибка включения сводится к неправильному встраиванию 5-БУ

(энольная форма) против гуанина. Затем в процессе репликации

5-БУ переходит в обычную кетоформу и нормально спаривается с

аденином:

Г—Ц

/ \

Г~5У Г—Ц

Г—Ц

А—ЗУ

/ \

А—Г А—бУ

Ошибки репликации возникают в том случае, когда 5-БУ, нахо-

дясь в кетоформе, правильно включается против аденина, но в про-

цессе репликации переходит в таутомерную энольную форму и при-

соединяет к себе гуанин. Это вызывает транзицию А — Т на Г — Ц:

—

/ X

А =^5УА—Т

/ X

А—ГГ= ЗУ

X X

г—Ц А—БУ

К аналогам азотистых оснований иногда относят производные

акридина (красители). Они способны включаться в ДНК (инкор-

порация), встраиваться между ее основаниями (интеркаляция) и тем

самым вызывать образование сшивок и инактивацию молекулы нук-

леиновой кислоты (рис. 122).

Ингибиторами нормального образования предшественников нук-

леиновых кислот являются кофеин, азасерин, 6-меркаптопурин, уре-

тан и др. Эти соединения нарушают нормальный синтез оснований.

Например, азасерин, кофеин подавляют синтез предшественников

пуринов, уретан — пиримидинов. Уретан и азасерин обладают также

свойствами алкилирующих соединений.

В числе других мутагенов можно назвать химические соедине-

ния, относящиеся к классам органических перекисей, алкалоидов,

'213

фенолов, хинонов, красителей, аналогов аминокислот и т. д. Разнооб-

разные нарушения в молекуле ДНК у прокариот (разрывы, сшивки,

интеркаляция, инкорпорация, ингибирование полимераз) вызывают

антибиотики.

Некоторые химические вещества способны тормозить расхожде-

ние хромосом в митозе. К ним относится, например, алкалоид расте-

ния безвременник — колхицин:

Колхицин вызывает инактивацию и разрушение веретена деле-

ния, вследствие чего митоз задерживается на стадии метафазы. Такой

митоз называется К-митозом, т. е. колхициновым, а сам колхи-

цин — митотическим ядом. В результате К-митоза в ядре клетки

остается диплоидный набор удвоенных хромосом и дочернее поколе-

ние клеток при последующем делении получает 4п хромосом. Данная

способность колхицина используется для получения тетраплоидных

растений.

Химические мутагены вызывают в основном разнообразные ген-

ные мутации. Так, алкилирующие соединения и аналоги азотистых

оснований индуцируют мутации путем замены п^ры азотистых осно-

ваний, акридины — путем дупликации и делеции пар оснований и т. д.

Наряду с этим химические вещества (алкилирующие соединения)

индуцируют и хромосомные мутации, но их удельный вес по сравне-

нию с рентгеновским излучением более низкий.

Основной закономерностью химического мутагенеза является уже

'214

упоминавшаяся зависимость эффекта от дозы. Однако в данном слу-

чае она не носит прямо пропорциональный характер, так как иногда

с уменьшением дозы мутагенный эффект усиливается. Кроме того, за-

кономерной следует считать и зависимость генетической эффектив-

ности вещества от его химической структуры.

Мутагенными свойствами обладают не только ионизирующие из-

лучения и химические вещества, но и факторы биологической при-

роды, например вирусы. Вирусы способны вызывать множественные

разрывы хромосом. У людей, переболевших вирусными заболевания-

ми (корь, эпидемический гепатит и др.), в крови долгое время со-

храняется повышенное количество хромосомных аберраций. С. М.

Гершензон (1975) обнаружил, что вирусы, не патогенные для дрозо-

филы, вызывают у нее мутации. На основании этого мутагенное дейст-

вие вирусов он связал с активностью их нуклеиновой кислоты и в

дальнейшем доказал экспериментально, что чужеродная ДНК для

многих организмов является мутагеном.

Загрязнение биосферы мутагенными факторами физической и хи-

мической природы может привести к серьезным последствиям. Хи-

мические вещества и ионизирующие излучения, вызывающие нару-

шения наследственных структур, могут способствовать накоплению

вредных мутаций в поколениях. В животном и растительном мире

в результате естественного отбора может произойти адаптация к вы-

сокому мутагенному фону. У человека она практически исключена,

поскольку естественный отбор потерял для него эволюционное зна-

чение. Ввиду того что приостановить развитие научно-технического

прогресса невозможно, возникла необходимость изыскать методы

защиты живых организмов от поражающего действия мутаге-

нов. Защитные мероприятия должны осуществляться по крайней

мере по трем направлениям (на трех уровнях).

Во-первых, необходимо ограничить попадание мутагенных факто-

ров в окружающую среду. Это можно обеспечить мероприятиями

на технологическом уровне путем создания в промышленном произ-

водстве замкнутых циклов таким образом, чтобы их промежуточные

продукты не попадали в окружающую среду, а конечные продукты не

были бы мутагенами.

Во-вторых, необходим мониторинг (наблюдение) за природной

средой, скрининг («просеивание») десятков тысяч факторов для вы-

явления и изъятия мутагенов из обращения и замены их аналогами,

безопасными с генетической точки зрения. На этом, так называемом

компонентном, уровне проводится инвентаризация мутагенных фак-

торов, определяются их активность, а также пороговые концентра-

ции мутагенности и канцерогенности ионизирующей радиации и хи-

мических веществ, устанавливаются предельно допустимые дозы и

концентрации вредных веществ в окружающей среде. До настоящего

времени степень воздействия мутагенов химической и физической

природы на человека еще мало изучена. Для ее определения недо-

статочно сведений, получаемых с помощью различных тест-систем

на других организмах. Требуется изучение концентрации мутагенов

в тестикулярных тканях молодых людей, погибших в результате не-

'215

счастных случаев, связанных с поражением химическими веществами

и радиацией; наблюдение за поступлением потенциальных мутагенов

в кровь и половые ткани.

И, наконец, в-третьих, необходимо изыскать возможности нейтра-

лизации мутагенов и канцерогенов в организме человека, животных

и растений. Для этого на компенсационном уровне решается проб-

лема антимутагенеза как комплекса мероприятий по нейтрализации

генетических последствий загрязнения окружающей среды.

Представления об антимутагенезе сложились после того, как в

1959 г. А. Новик и Л. Сцилард обнаружили, что некоторые хими-

ческие соединения способны снижать темпы мутирования. Так, пури-

новые нуклеозиды вызывали снижение количества спонтанных мута-

ций в культуре кишечной палочки на 60—70 %. В дальнейшем были

установлены антимутагенные свойства у целого ряда других химичес-

ких соединений: фенотиазиновые транквилизаторы, сульфаниламид-

ные препараты, большая группа антиоксидантов. Значительной анти-

мутагенной активностью обладают также свежие овощные соки (ка-

пусты, редьки, яблок, винограда и др.).

Среди антимутагенов различают антагонистов уже готовых мута-

генов (демутагены) и антимутагены, препятствующие образованию

мутагенных веществ. Антимутагены действуют как вне, так и внутри

организма различными путями, (инактивируют конкретные мутагены,

участвуют в репарации ДНК, оказывают комбинированное действие).

Выполнение всех этих мероприятий дает возможность прогнози-

ровать генетические эффекты в природных популяциях.

Мутация как общебиологический процесс.

Репарация генетических повреждений

Вначале представления о механизме образования мутаций носили

механистический характер. Считалось, что мутация является одно-

актным изолированным событием в клетке, так как возникает в ре-

зультате мгновенной перестройки атомов в молекуле ДНК при

попадании энергии в ген. В частности, согласно теории «мишени»,

предполагалось, что точковую мутацию вызывает «удар» по гену

(«удар» — один акт ионизации), а «удар» по участкам между ге-

нами приводит к разрыву хромосомы. При этом два попадания энергии

в хромосому и больше вызывают соответственно дву- и многоударные

хромосомные аберрации. Эта теория до сих пор не утратила

значения при объяснении механизма возникновения мутаций

в случае переноса энергии на очень близкие расстояния. Однако

с позиций теории «мишени» трудно объяснить механизм формиро-

вания спонтанных мутаций, поскольку воздействие естественного фо-

на радиации или образование тепловых колебаний в момент реплика-

ции ДНК является причиной лишь очень небольшой их доли.

Кроме того, специалисты, занимаясь вопросами мутагенеза, обра-

тили внимание на то, что скорость мутирования разных участков ге-

нов и хромосом различная. К примеру, еще в 30-х годах в лаборато-

'216