Механизмы действия основных мутагенов

Мутационная изменчивость

Мутация – это изменение структурной организации, количества или функционирования наследственного материала и продуцируемых им белков.

Мутационный процесс или мутагенез – это процесс формирования мутаций под действием мутагенов – факторов, повреждающих наследственный материал.

Мутации могут проявиться спонтанно без видимых внешних причин, но под влиянием внутренних условий в клетке и организме в целом – это спонтанные мутации или спонтанный мутагенез.

Мутации могут быть вызваны действием внешних факторов физической, химической или биологической природы – это индуцированные мутации или индуцированный мутагенез.

Вновь возникшие мутации называются новыми мутациями или мутациями de novo. К ним, например, относятся мутации, лежащие в основе ряда аутосомно-доминантных болезней, таких как ахондроплазия (10% случаев относятся к семейным формам), нейрофиброматоз Реклингаузена, I типа (50–70% семейные формы), болезнь Альцгеймера, хорея Гентингтона.

Мутации от нормального состояния гена (признака) к патологическому состоянию называются прямыми.

Мутации от патологического состояния гена (признака) к нормальному состоянию называются обратными.

Мутации в соматических клетках называются соматическими. Они формируют патологические клеточные клоны (совокупность патологических клеток) и в случае одновременного присутствия в организме нормальных и патологических клеток приводят к клеточному мозаицизму, например, при наследственной остеодистрофии Олбрайта экспрессивность заболевания зависит от количества аномальных клеток.

Соматические мутации могут быть как семейными, так и спорадическими (несемейными) формами. Они лежат в основе злокачественных новообразований и процессов преждевременного старения.

Мутации в половых клетках называются герминативными. Они встречаются реже соматических мутаций, лежат в основе всех наследственных и некоторых врожденных болезней и передаются из поколения в поколение.

Герминативные мутации могут быть семейными и спорадическими формами и наследоваться как предрасположенность к раку, например, ретинобластома и синдром Ли-Фромени.

Ионизирующее излучение. Наиболее изученной областью мутагенеза является физический и, в частности, радиационный мутагенез.

Любые источники ионизирующей радиации пагубны для здоровья человека – это, как правило, мощные мутагенные, канцерогенные и тератогенные факторы. Например, ионизирующее излучение может индуцировать мутации, приводящие к наследственным и онкологическим болезням. Доказано, что доза облучения в 10 рад удваивает частоту мутаций у человека.

Реализация эффекта облучения осуществляется в несколько стадий:

Ø Физическая стадия. Длится от 1015 до 1013 секунды. В это время происходит поглощение и взаимодействие энергии излучения с веществом облучаемого объекта.

Ø Физико-химическая стадия. Длится 1013–1010 секунды. В это время возникают первичные свободные радикалы (см. ниже соответствующий раздел).

Ø Химическая стадия. Длится 106–103 секунды. В это время происходит взаимодействие ионов и первичных свободных радикалов. В результате образуются вторичные свободные радикалы и перекиси и происходит взаимодействие этих продуктов с веществом клетки.

Следует отметить, что еще в 30-ые годы ХХ века радиобиологи столкнулись с таким парадоксом биологического действия радиации на живые организмы, как несоответствие между ничтожно малым количеством поглощенной энергии и вызываемым ею большим биологическим эффектом.

Именно тогда в радиобиологии были сформулированы основные принципы теории мишени. В частности, Ф. Дессауэр предложил в 1922 году гипотезу "точечного тепла", которая предполагала, что большой биологический эффект при относительно небольшой общей энергии объясняется тем, что энергия концентрируется в малых объемах, приводя объект к микролокальному разогреву. Так как распределение "точечного тепла" является случайным, то конечный эффект будет зависеть от случайных попаданий дискретных порций энергии в жизненно важные микрообъемы объекта – «мишени».

На основе проведенных этим автором экспериментов, раскрывающих закономерности радиобиологических реакций, было предположено, что они (реакции) осуществляются в том случае, если в клетке произошло определенное число "попаданий" в мишень. Однако применение принципа попадания (гипотеза "точечного тепла") было доказано лишь в отношении первичных (пусковых) физических механизмов реакции.

Эта гипотеза не учитывала все физико-химические реакции, происходящие в клетках в результате поглощения ничтожно малого количества энергии, приводящей к возникновению глубоких биохимических событий в клетке. В дальнейшем учениками этого ученого была выведена общая формула, лежащая в основе математического расчета кривых "доза-эффект", в которую входило число попаданий в определенный "чувствительный объем", необходимый для одной единицы реакции, например, для гибели одной клетки.

Вместе с тем оказалось, что при ионизирующем излучении не всякая передача энергии приводит к лучевому повреждению объекта, а радиационный эффект возникал по принципу "все или ничего" в зависимости от попадания или непопадания ионизирующих частиц в уникальную структуру объекта.

Именно эти утверждения получили название принципа мишени, согласно которому объем живых клеток гетерогенен по своей чувствительности: в них имеются определенные участки (мишени), попадание в которые (и только в них!) приводит к поражению объекта. Было установлено, что радиационный эффект обусловлен одним или несколькими попаданиями ионизирующих частиц в мишень.

При ионизирующем излучении (радиация) повреждение молекулы ДНК представляет собой наиболее критическое для клетки событие. При этом эффект радиации – это цепь последовательных событий, происходящих в молекуле ДНК.

Индукция повреждений ДНК идет двумя путями: непосредственное попадание ионизирующей частицы в молекулу ДНК – I тип повреждения и косвенно через индукцию свободных радикалов – II тип повреждения.

При I типе повреждения индуцируются модификации оснований, сшивки ДНК-ДНК и ДНК-белок, а также одно- и двунитевые разрывы молекулы ДНК.

При II типе повреждения представлены модифицированными основаниями и однонитевыми разрывами молекулы ДНК.

Химические мутагены. В мире известно около 5–7 млн. различных химических соединений. В народном хозяйстве, на производстве, быту постоянно применяются примерно 50–60 тысяч химических веществ и ежегодно внедряются в практику около одной тысячи новых соединений. Из них от 5% до 10% соединений способны индуцировать мутации. В это число входят гербициды и пестициды (доля мутагенов среди них достигает 50%), а также ряд лекарственных препаратов (синтетические гормоны, цитостатики, некоторые антибиотики и др.).

При действии химических мутагенов формируются как точковые, так и хромосомные мутации. Основными типами точковых мутаций являются модификации одного нуклеотида в цепи ДНК: его замещение или выпадение, либо включение в цепь дополнительного нуклеотида. Основными типами аберраций хромосом являются разрывы молекулы ДНК и транслокации ее фрагментов.

Эффект мутагенного действия на клетку зависит также от фазы ее жизненного цикла в момент воздействия. Часто химические вещества способны вызывать мутации лишь тех клеток, которые находятся в определенной фазе клеточного цикла – это циклоспецифичные соединения. Другие химические мутагены действуют независимо от периода клеточного цикла – это циклонеспецифичные соединения. К числу последних, например, принадлежат алкилирующие агенты и другие модификаторы, способные вызвать повреждение нуклеотидов.

Некоторые химические вещества изначально являются реакционно-способными мутагенами, непосредственно соединяющимися с молекулой ДНК и изменяющими ее химическую структуру. Другие химические вещества относятся к промутагенам, и для превращения в мутагены они проходят метаболическую активацию под действием ферментативных систем клетки и организма.

Вирусы. Наиболее значимыми биологическими мутагенными являются РНК-содержащие вирусы и, в частности, ретровирусы, в жизненный цикл которых входит стадия образования ДНК обратной транскриптазой и внедрение ее в форме провируса в геном клетки хозяина.

Впервые обратная транскрипция была обнаружена в 1970 году при работе с вирусом саркомы Рауса (ВСР). Обратная транскрипция – это синтез ДНК по матрице РНК.

В состав ретровируса входят две идентичные молекулы РНК, которые содержат как минимум четыре гена:

• gag – белок нуклеотида (или нуклеозида?);

• pol – обратная транскриптаза;

• env – белок капсида (оболочки);

• onc – онкоген, ответственный за злокачественную трансформацию.

Предпочтительного места для внедрения провируса в геном нет. Это позволяет отнести его к мобильным генетическим элементам. Важной характеристикой вирусного мутагенеза является способность вирусов вызывать точковые мутации, приводящие к замене оснований.

Дата добавления: 2014-01-20