.RU
Карта сайта

5.2.2. Химически индуцированные (мутации) - Фогель Ф., Мотульски А. Генетика человека: в 3-х т. Т. 2: Пер с англ

^ 5.2.2. Химически индуцированные (мутации) 5.2.2.1. Суть проблемы
История [1384; 1385]. То, что химические вещества индуцируют мутации, предполагалось еще на заре генетики. В своей первой публикации о радиационно-индуцированных мутациях, Мёллер (1927) [1566] писал;
«Уже не раз сообщалось, что герминативные изменения, предположительно мутационного характера, могут индуцироваться рентгеновскими лучами или излучениями радия, однако, как и в случае публикаций, касающихся других факторов (алкоголя, свинца, антител и т. д.), работа была выполнена таким образом, что значение этих данных, если их проанализировать с точки зрения современной генетики, представляется в лучшем случае весьма спорным; более того, эксперименты, давшие, как казалось, наиболее четкие данные, при их повторении привели к отрицательным или противоположным результатам».
После публикации Мёллера произошел крен в сторону радиационной генетики, и интерес к каким-либо другим мутагенным факторам в течение длительного времени был незначительным. В 1941 г. Мёллер опять высказал свои соображения о попытках воздействовать на генетический материал химическими веществами (симпозиум в Колд Спринг Харбор):
5. Мутации 261
«Но, хотя предпринято множество попыток применения разных сильнодействующих средств (убивающих большинство обрабатываемых организмов), ни одна из них не имела до сих пор заметного успеха, не получила должной проверки и эффективность воздействия не была подтверждена независимыми исследователями...
Ввиду надежной защиты, обычно предоставляемой генам клеткой, которая их несет, ... не следует ожидать, что химические вещества, сильно влияющие на мутационный процесс, но оставляющие клетку жизнеспособной, будут легко обнаружены нашими довольно неточными методами. Однако поиск таких веществ, равно как и изучение более мягких, «физиологичных» влияний на мутационный процесс должны продолжаться, поскольку они ведут нас к пониманию событий, происходящих внутри гена, и к разработке мер контроля за ними...»
В 1942 г. Ауэрбах и Робсон из Великобритании получили неопровержимые положительные результаты, индуцировав с помощью азотистого иприта (отнюдь не «мягкого» агента) мутации у Drosophila. По соображениям военной секретности эти результаты не публиковались до послевоенною времени (1946, 1947) [1379]. Поводом для тестирования этого специфического вещества на мутагенность послужило сходство между повреждениями кожи, вызванными азотистым ипритом, и поражением кожи под воздействием высоких острых доз радиации.
Независимо от них Олкерс (1943) [1585] из Германии получил положительные результаты на Oenothera, в частности при применении уретана-широкоиспользовавшегося медикамента, который считался хорошим снотворным для детей и у которого впоследствии были обнаружены канцерогенные свойства. Олкерса интересовали только фундаментальные исследования. В публикации не содержится никаких сведений об особых причинах побудивших избрать именно уретан в качестве тестируемого вещества. Рапопорт (1946) [1593] из СССР описал мутагенное действие карбонильных соединений.
После этих первых открытий новая область исследований быстро расширялась, однако дискуссий, посвященных практическим перспективам или касающихся генетического здоровья человечества, было очень мало или они совсем не проводились. Первые сдвиги в этом направлении можно найти в лекции Люэрса (1955) [1536] и в обзорной статье Бартельмесса (1956) [1383]. В 1961 г. Конен и Лански [1422] впервые описали хромосомные аберрации в лимфоцитах индивидов, подвергшихся воздействию азотистого иприта. С начала 1960-х годов - примерно 20 лет спустя после первого описания химических мутагенов - научное сообщество постепенно стало осознавать возможную угрозу человеческой популяции со стороны химических мутагенов. Рёрборн (1965) [1600] первым обобщил все данные и ясно поставил ряд важных вопросов. Это направление стало очень быстро развиваться. Вскоре было основано Общество по изучению мутагенов окружающей среды (ОМС) и опубликованы соответствующие монографии [1489; 213; 1622]. По данной теме регулярно проводятся конференции, на которых определяется круг вопросов, требующих незамедлительного решения [1375; 1376; 1425].
^ Мутагенные соединения в окружающей среде человека. Мутагенные эффекты наблюдались для очень большого числа соединений при тестировании на самых разнообразных организмах. Генетическое значение большинства из этих эффектов - например, геномных мутаций, хромосомных разрывов и перестроек, точковых мутаций - очевидно. Значение других, вроде «липкости» хромосом или хромосомных «пробелов» (разд. 2.2.2), оценить трудно. Некоторые вещества нарушают функцию системы микротрубочек, необходимой для образования веретена во время митоза. В общем, генетические эффекты химических веществ более разнообразны, чем генетические эффекты радиации.
В табл. 5.31 приводится ряд соединений, известных в качестве мутагенов, и изображены механизмы мутагенеза. Самыми сильными из обнаруженных до сего дня мутагенов считаются алкилирующие агенты, к которым относятся азотистый иприт, этилениминовые соединения и эфиры метилсульфоновых кислот. Многие из этих веществ используются при лечении злока-
262 5. Мутации

Таблица 5.31.

Молекулярный механизм точковых мутации

Пример мутагена

Механизм

Аналоги оснований: (5-бромурацил) включение в процессе деления


Азотистая кислота: в покоящейся ДНК


Алкилирующие агенты: метил- метан- сульфонат


5. Мутации 263



Продолжение табл. 5.31

Пример мутагена



Механизм



Гидроксиламин




^ Акридиновые красители (трипафлавин)




чественных опухолей или в ситуациях, когда необходимо подавить иммунную реакцию или процесс пролиферации клеток. Другая группа мутагенов, применяемых в терапевтических целях, включает антиметаболиты нуклеиновых кислот и акридиновые соединения.
Одно из самых распространенных веществ, воздействующих на человека и проявивших мутагенность на микроорганизмах, - кофеин. Нитриты - широко применяемые, «модельные вещества» для выяснения молекулярных механизмов точковых мутаций [1457] - используются в качестве консервантов мяса, одновременно придающих ему «свежий» красный цвет. Этих двух примеров достаточно, чтобы убедиться, что химический мутагенез представляет потенциальную опасность.
^ Молекулярные механизмы химического мутагенеза [1458; 1602]. Подобно облучению, химические мутагены могут вызывать нарушения мейоза, приводящие к нерасхождению, хромосомным разрывам и точковым мутациям. О точных механизмах нерасхождения известно мало, так как события, приводящие к нему, происходят на хромосомном уровне. Лучше обстоит дело с информацией о действии химических веществ на молекулу ДНК. Некоторые точковые мутации можно объяснить на уровне молекулярных механизмов; эти же механизмы, вероятно, играют важную роль при индукции хромосомных разрывов. С другой стороны, наши знания о вторичных реакциях, приводящих к воссоединениям хромосом, пока еще недостаточны (разд. 2.2.2).
Удобно различать два типа химически индуцированных изменений, нарушающих функцию ДНК как генетического материала. Это 1) инактивирующие повреждения и 2) мутагенные повреждения.
Наиболее важные типы инактивирующих повреждений изображены на рис. 5.56. Они часто приводят к гибели клеток. Однако клетки могут выживать, если, например, тиминовый димер или поврежденное основание удаляются репаративным механизмом, если разрывы хромосом восстанавливаются и если продукт восстановления не мешает осуществлению митоза.
Мутагенные повреждения определяются как изменения, не нарушающие репликацию ДНК, но изменяющие последователь-
264 5. Мутации


Рис. 5.56.

Наиболее важные типы химически индуцированных инактивирующих повреждений ДНК [1458]

ность оснований. Некоторые мутагены вроде БУДР действуют только на реплицирующуюся ДНК, так как они должны включиться в нее. Другие, подобно азотистой кислоте, влияют и на покоящуюся ДНК. Большинство химических веществ, индуцирующих мутагенные повреждения, способны также индуцировать инактивирующие повреждения. С другой стороны, некоторые инактивирующие агенты не индуцируют точковых мутаций.
Обратите внимание, что точковые мутации, вызванные изменением одного основания, затрагивают лишь одну из цепей ДНК. Поэтому они передаются только одному из двух продуктов деления (рис. 5.56). Этого же следует ожидать в случае спонтанных мутаций, обусловленных таутомерным превращением нормальных оснований (разд. 5.1.3.5). Действительно, существуют некоторые полученные на людях данные, свидетельствующие о том, что такие мутации, если они происходят в половой клетке в течение или после последнего митотического деления, приводят к появлению особого типа мозаиков, у которых половина клеток тела содержит мутации [676]. С другой стороны, радиационно-индуцированные точковые мутации обычно передаются обоим продуктам деления; это показывает, что первичный дефект в этом случае, возможно, инактивирующего типа (рис. 5.56), а выживаемость клеток обеспечивается репаративными процессами.
Есть химические соединения, которые не влияют на саму ДНК, но нарушают репаративные процессы. Наиболее широко известен среди них - кофеин. Это вещество не индуцирует каких-либо хромосомных аномалий у млекопитающих, согласно результатам, полученным в тест-системах in vivo, однако в его присутствии в культурах лимфоцитов человека обнаруживаются хромосомные бреши и разрывы. Вероятно, условия культивирования приводят к значительным повреждениям ДНК, которые в норме репарируются, а в присутствии кофеина - нет. Доказательство, что кофеин действительно является ингибитором репарации, получено в исследованиях на низших организмах [1419; 1604]. При применении вместе с алкилирующим мутагеном кофеин увеличивал число хромосомных разрывов и транслокаций в клетках костного мозга китайского хомячка. Такие синергические эффекты мутагенных агентов легко могут пройти незамеченными и могут иметь важное значение для людей, подвергающихся воздействию разнообразных потенциальных мутагенов.
Трудности, связанные с выработкой стратегии выявления генетической опасности химических мутагенов. Как показано в
5. Мутации 265
разд. 5.2.1.2, оценка генетической опасности ионизирующей радиации - сложный, многоэтапный процесс. Чтобы оценить риск, обусловленный химическими мутагенами, необходимо провести еще более сложный анализ.
1. Несмотря на существование различных источников, общие биологические эффекты радиации разных типов (рентгеновских и γ-лучей, нейтронов и т. д.) очень сходны. В противоположность этому бесчисленное множество химических мутагенов по-разному взаимодействует с молекулой ДНК. Спектры их биологического действия различны, хотя и обнаруживают частичное перекрывание.
2. Радиация частично поглощается тканью, покрывающей облучаемые клетки (например, половые), однако ее качество не изменяется. Химические мутагены проходят через метаболическую систему организма и самыми непредсказуемыми путями превращаются в другие соединения. При этом они могут потерять свою мутагенную активность, а могут приобрести такие мутагенные свойства, которые отсутствовали у исходного соединения. Особую опасность представляют немутагенные химические вещества, которые, включившись в метаболизм, превращаются в мутагены. Эта опасность связана с тем, что они могут легко уйти от обнаружения современными методами скринирования (разд. 5.2.1.2). В качестве примера приведем циклофосфамид- широко используемый цитостатик. Это соединение само по себе не мутагенно, но в организме млекопитающих превращается в высокомутагенные соединения [212].
Изменение свойств соединений в организме - только одна из встречающихся здесь сложностей. Другие трудности связаны с поглощением, распределением по разным системам органов и выделением или, если выделение невозможно, накоплением этих веществ. В каждом случае необходимо проанализировать все эти фармакокинетические аспекты и для самого соединения, и для его метаболитов.
^ Экстраполяция на людей данных, полученных на экспериментальных животных, и данных об одном человеке на другого человека. Токсикологические исследования обычно проводятся на лабораторных млекопитающих, например на мышах и крысах. Работая с такими объектами, мы используем в наших интересах филогенетическое родство всех видов млекопитающих, которое обусловливает сходство основных метаболических путей, позволяющее проводить корректные экстраполяции. Однако это сходство вовсе не является всеобъемлющим. В то время как основные, главные пути метаболизма обладают межвидовым сходством, существуют многочисленные небольшие различия в метаболических путях разных млекопитающих [1697]. Даже внутри человеческого вида обнаружен генетический полиморфизм, влияющий на метаболизм химических веществ; изучение этого феномена входит в задачи фармакогенетики (разд. 4.5.1). В качестве примера приведем полиморфизм ацетилтрансферазы, обусловливающий быстрое или медленное выведение противотуберкулезного препарата изониазида у разных индивидов, и генетические различия в действии арилгидрокарбогидроксилазы, влияющей на метаболизм канцерогенных ароматических углеводородных соединений. Следовательно, результаты токсикологических исследований на экспериментальных млекопитающих не могут быть непосредственно экстраполированы на человека.
^ Различия между химическими мутагенами и ионизирующей радиацией и между различными классами химических мутагенов по способности индуцировать геномные и хромосомные мутации. До сих пор все наши рассуждения были теоретическими и основывались на общих сведениях о метаболизме лекарств или же носили косвенный характер, основываясь главным образом на экспериментальных результатах, полученных в молекулярной биологии. Существуют ли прямые данные, свидетельствующие о различиях между классами мутагенов по их действию на клетки, особенно - половые клетки млекопитающих?
Такие данные, действительно, сущест-
266 5 Мутации
вуют. Достаточно привести два примера. Тест на доминантные летали описан в разд. 5.2.1.2. Для изучения индукции доминантных деталей на разных стадиях сперматогенеза у мышей самцов обрабатывают мутагеном и в течение трех последующих дней скрещивают с девственными самками. Самок забивают примерно на 15-й день беременности и производят подсчет мертвых и живых имплантаций. Все мертвые имплантации причисляются к доминантным деталям. Этот эксперимент позволяет проводить тестирование относительной чувствительности к мутагену на разных стадиях развития половых клеток. Потомство самок, скрещивавшихся сразу после воздействия на самцов, получило отцовские хромосомы, обработанные на стадии зрелых сперматозоидов. Потомки от скрещиваний, состоявшихся приблизительно через 50 дней после воздействия мутагеном, произошли в результате оплодотворения сперматозоидами, обработанными на стадии сперматогониев.
Характер чувствительности половой клетки варьирует. В то время как акридиновое производное трипафлавин воздействует на половые клетки всех стадий приблизительно в одинаковой степени, тренимонодно из этилениминовых соединений -индуцирует доминантные летали почти исключительно на постмейотических стадиях развития половых клеток; митомицин С и этилнитрозомочевина дают максимальный эффект перед мейозом [1376]. Различие между тренимоном и трипафлавином вполне объяснимо. Из экспериментов на бактериях известно, что трипафлавин, будучи акридиновым соединением, индуцирует в основном мутации сдвига рамки считывания (табл. 5.31), проходящие через мейотический фильтр, тогда как тренимон вызывает числовые и структурные хромосомные аберрации, эффективно «уничтожаемые» мейозом. Что касается различия между эффектами митомицина С и тренимона, то мы не можем предположить никакого удовлетворительного объяснения. Этот пример показывает возможный порядок величины специфичности клеточных стадий. Большинство алкилирующих веществ проявляют максимальное мутагенное действие на мужские половые клетки на постмейотических стадиях. Эти вещества используются в медицине главным образом как цитостатики. Поэтому, если пациент мужского пола хочет иметь детей, следует избегать зачатия в течение первых трех месяцев после окончания лечения.
2014-07-19 18:44
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • Контрольная работа
  • © sanaalar.ru
    Образовательные документы для студентов.