Индуцированный мутагенез

Раньше считали, что мутации возникают только под действи­ем внутренних факторов (внутренней среды организма), имею­щих место при синтезе ДНК, репродукции хромосом, делении клеток. Ошибки, или «опечатки», в строении генетического ма­териала, казалось бы, не зависели от условий внешней среды. Действительно, первые попытки вызвать мутацию искусственно были безуспешными. Однако уже в 1925 г. Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов наблюдали широкий спектр мутаций у грибов, вызванных воздействием лучами радия.

Широкий интерес у биологов вызвали сообщения Г. Меллера (1927), обнаружившего мутационное действие рентгеновых лучей у дрозофилы. В дальнейшем у нее при облучении стали получать

самые разнообразные мутации, что способствовало изучению строения генетического материала, взаимодействия мутантных генов и др. В начале 30-х годов В. В. Сахаров, М. Е. Лобашов открыли мутагенное действие отдельных химических веществ. И. А. Рапопорт в России и Ш. Ауэрбах в Англии обнаружили хи­мические соединения с сильным мутагенным действием. В ряде работ, начало которых, очевидно, положено С. М. Гершензоном, открывшим мутагенный эффект при включении экзогенной ДНК в геном дрозофилы, показана возможность индуцирования ген­ных и хромосомных мутаций у животных биологическими агента­ми, среди которых вирусы, бактерии и другие объекты.

Роль репарирующих систем в мутационном процессе. Повреж­дения в ДНК, возникающие спонтанно или индуцированно, не всегда реализуются в виде мутаций. Часть из них устраняется или исправляется с помощью специальных репарирующих фер­ментов, содержащихся в клетках. Известно несколько основных механизмов репарации:

1) фоторепарация (фотореактивация). Процесс протекает под
влиянием видимого света и фотореактивирующего фермента;

2) репарация в молекуле ДНК путем механизма «вырезание —
застройка» (темновая репарация);

3) эксцизионная (пререпликативная) репарация;

4) репарация однонитевых разрывов в ДНК при действии
лигаз;

5) пострепликативная, или рекомбинационная, репарация.

Наиболее изучены первые два механизма репарации. Так, ме­ханизм фоторепарации заключается в устранении видимым све­том димеров тимина, часто возникающих под действием ультра­фиолетовых лучей. Это происходит с помощью особого фоторе­активирующего фермента. Видимый свет активирует молекулу фермента, она отделяется от димера тимина и разъединяет его на два отдельных тимина. Так восстанавливается нормальная струк­тура ДНК.

Темновая репарация протекает с помощью нескольких фер­ментов, под действием которых последовательно происходят надрезание, выщепление, расширение бреши, репаративная реп­ликация и сшивание концов молекулы ДНК (рис. 37). Эти два механизма репарации устраняют дефекты в ДНК в основном до стадии репликации.

Изучен механизм удаления (эксцизии) измененных участков ДНК у мутантов с дефектами систем репарации. Это происходит следующим образом (В. А. Ратнер, 1983):

1) при утрате основания. Утрата основания может быть вос­
полнена по комплементарной матрице либо ферментом инверта-
зой, либо путем разрыва дефектной цепи (инцизия), вырезания
фрагмента репарационной застройки бреши и замыкания связи;

2) при замене, модификации основания и структурном дефек-

3'OH

I I I I Mi I I I I I I I I I I I I I I I I I

1111111II111 I I I I I I I I I I I I I I

Рис. 37. Схема темновой ре­парации (по В. Н. Сойферу):

I I |Ж I i i i

Ill I I I I I I I

|MI| II

i

я —исходная ДНК; б—повреж­денная ДНК; в — репарированная ДНК; /—надрезание; II—вы- щепление; ///—расширение бреши; IV— репаративная репли­кация; V— сшивание концов

ЭНДОНУКЛЕАЗА

I I I I I I I I I I

Т~Г

I I I

I I I

ЭНДО- ИЛИ ЭК30НУКЛЕАЗА

TTT I I I

II11! I I I I I

ЭКЗОНУКЛЕАЗА

III

I I I

ПОЛИМЕРАЗА

IV

те. Дефект основания и структурный дефект репарируются одина­ковыми механизмами: а) одноцепочным раз­рывом вблизи дефект­ного фрагмента специ­фичной эндонуклеа-зой; б) эксцизией дефекта экзонуклеа-зой; в) •застройкой бреши репарационной ДНК-полимеразой и г) замыканием фосфоди-эфирной связи лига-зой.

ЛИГАЗА

l i

i i i i i i i

i i

Поврежденные, на­пример, ультрафиоле­товыми лучами моле­кулы ДНК могут реп­лицироваться и производить такие же поврежденные участки ДНК. Однако после репликации количество поврежденных участков ДНК уменьшается вследствие замены их фрагментами, взятыми от неповрежденных молекул.

Процесс пострепликативной репарации выражен не только после облучения ультрафиолетовыми лучами, но и после воздей­ствия химическими мутагенами.

Спонтанные и индуцированные мутации фиксируются в клет­ках в случаях повреждений в системах репарирующих ферментов. Первичные мутационные повреждения систем репарации и свя­занных с ними систем репликации и рекомбинации, возникшие в результате ошибок ферментов, получили название ошибок ре­параций. Этот источник составляет существенную долю спонтан­ных первичных повреждений. Многие мутагены действуют не прямо на ДНК, а через компоненты систем репарации, реплика­ции и рекомбинации (В.А. Ратнер, 1983).

Установлены генетические различия в активности репарирую­щих систем ферментов, направленных против разрушающего действия мутагенов.

Однократное действие мутагенов может быть зафиксировано в ряде поколений клеток. Такое явление продленного мутагенеза носит название реплицирующей нестабильности. Причинами гене­тической нестабильности, по мнению Н. П. Дубинина, могут быть структурные мутации хромосом, действие генов-мутаторов и др.

Естественные механизмы защиты живых организмов от дейст­вия мутагенных факторов можно усилить искусственно создан­ными человеком специальными протекторами, или антимутаге­нами.