Индуцированный мутагенез

Лекция-17

План: ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕНЕТИКИ ЖИВОТНЫХ.

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ЗАЩИТА ЖИВОТНЫХ ОТ МУТАГЕНОВ.

АНТИМУТАГЕНЫ.

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 репарируюших 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 репарируюших 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 дефекте.

Рис. 37. Схема темноаой ре-парацни(по В. Н. Сойферу):

л — исходная ДНК; б— повреж­денная ДНК; в — репарированная ДНК; /—надрезание; //—вы-щепление; ///—расширение бреши; IV— [сепаративная репли­кация; V— сшивание концов

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.

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.

ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕНЕТИКИ ЖИВОТНЫХ

Открытие явления индуцированного мутагенеза привело к об­наружению целого ряда факторов, веществ и агентов, способных изменять наследственный материал клеток. В соответствии с их природой их подразделяют на три класса мутагенов: физические, химические и биологические.

1. Физические мутагены. Основными мутагенами этого класса являются ионизирующие излучения, ультрафиолето­вые лучи и повышенная температура. К группе ионизирующих излучений относят рентгеновы лучи, у-лучи и р-частицы, прото­ны, нейтроны и другие факторы.

Ионизирующие излучения, проникая в клетки, на своем пути вырывают электроны из молекул, что приводит к образованию положительно заряженных ионов. Освободившиеся электроны присоединяются к другим молекулам, которые становятся отри­цательно заряженными. В результате облучения клеток образу­ются свободные радикалы водорода (Н) и гидроксила (ОН), ко­торые тотчас дают новые соединения, в том числе активный пероксид водорода (Н2О2). Такие превращения в молекулах ДНК и кариотипе в итоге приводят к изменению функций генетичес­кого аппарата клеток, аберрациям хромосом и возникновению точковых мутаций. Экспериментально установлено, что частота мутаций, индуцированных ионизирующими излучениями, прямо пропорциональна дозе радиации. Под действием ионизирующих излучений чаще всего возникают структурные перестройки хро­мосом и реже — генные мутации. Так, при облучении морских свинок и домашних свиней И. Л. Гольдман и С. Фотиева обна­ружили различный спектр аберраций хромосом.

Транслокации и инверсии наблюдали в соматических клетках поросят, полученных при осеменении свиноматок облученной спермой. Опыты показывают, что при облучении половых клеток часть их оказывается совсем нежизнеспособной или с умеренны­ми нарушениями. Из последних образуются зиготы, которые обычно скоро отмирают вследствие сильных изменений в гено­типе («доминантные летали»).

В опыте Фриса и Странцингера у свиноматок, осемененных облученной спермой при дозе 600 Р, было в среднем 7,7 поро­сенка, а при дозе 800 Р — 5,4 против 9,7, полученных при осеме­нении нормальной спермой.

Ионизирующие облучения могут нарушить процессы деления в соматических клетках, вследствие чего возникают нарушения и злокачественные образования. Сильное облучение может вызвать смерть.

Источником радиации могут быть прежде всего излучения, возникающие при взрывах атомных и водородных бомб.

2. Химические мутагены. Это вещества химической
природы, способные индуцировать мутации. Выраженными му­
тагенными свойствами обладают отдельные химические вещест­
ва, используемые в промышленности и сельском хозяйстве. К
наиболее сильным из них относят алкилирующие соединения
(диметил- и диэтилсульфат, иприт и его производные, нитрозо-
метил и нитрозоэтилмочевину, этилметансульфонат, фотрин,
фосфешад)- Мутагенный эффект алкилирующих соединений свя­
зан с введением в ДНК метиловых, этиловых, пропиловых и
других радикалов, в результате чего происходят реакции метили­
рования, этапирования. Сильно выраженным мутагенным эф­
фектом обладают аналоги азотистых оснований и нуклеиновых
кислот (5-бромурацил, 5-бромдезоксиуридин, 5-фтордезоксиури-
дин, 8-азогуанин, аминопурин, кофеин и др.), акридиновые кра­
сители (акридин желтый и оранжевый, 5-аноакридин, профла-
вин и др.), а также азотистая кислота, гидроксиламин, формаль­
дегид, пероксиды, уретан и т. д.

Мутагенным действием обладают пестициды, гербициды, ис­пользуемые в агрономии для борьбы с сорными растениями и вредными насекомыми. Мутации могут быть индуцированы ми­неральными удобрениями, прежде всего нитратами, которые превращаются сначала в нитриты, а затем в активные нитрозо-амины.

Химические мутагены индуцируют как генные, так и хромо­сомные мутации. Особенности их — аккумуляция и передача при делении клеток в последующей генерации, более высокая частота индуцирования генных мутаций, чем аберраций хромосом. Хими­ческие мутагены дают широкий спектр видимых хромосомных аберраций. Например, в экспериментах С. Ш. Исамухамедова по изучению действия фотрина, фосфемида и проспидина на карио-тип свиней обнаружены хроматидные и изохроматидные делеции, а также хроматидные обмены и гэпы (бреши). Гэп —хромосомная аберрация, заключающаяся в частичном разрушении хроматиды и образовании ахроматического пробела, а также в отсутствии одно­го или нескольких нуклеотидов в одной из цепей ДНК.

3. Биологические мутагены. Простейшие живые
организмы, вызывающие мутации у животных, составляют класс биологических мутагенов. К ним относятся вирусы, бактерии, а также гельминты, актиномицеты, растительные экстракты и др. Мутагенное действие вирусов открыто генетиком Н. И. Шапиро. Мутагенными свойствами обладают живые вакцины. Мутагенное действие этих организмов связано с проникновением в клетки чужеродной ДНК. Биологические мутагены вызывают широкий спектр мутаций в клетках животных. Например, при изучении кариотипа клеток телят, ягнят и поросят, зараженных вирусом свиной лихорадки, были обнаружены различные типы аберра­ций — делеции, хромосомные разрывы, фрагментация, пульвери­зация, полиплоидия и эндоредупликация хромосом. Установле­но, что уровень аберраций хромосом зависел от дозы и продол­жительности действия вируса.

Исследования показывают, что многие лекарственные пре­параты, используемые в медицине и ветеринарии (сульфанила­миды, производные тиазинового ряда, нитрофураны и др.), обла­дают мутагенными свойствами. Такой же эффект возможен вследствие использования антибиотиков, а также некоторых кор­мовых добавок и консервантов, особенно при их передозировке.