Спонтанные и индуцированные мутации мутагены. Индуцированные мутации: общие сведения, причины, примеры. Генеративные и соматические мутации
До сих пор речь шла о спонтанных мутациях, т.е. происходящих без какой-либо известной причины. Возникновение мутаций – процесс вероятностный, и, соответственно, существует набор факторов, которые на эти вероятности влияют и изменяют их. Факторы, вызывающие мутации, называются мутагенами, а процесс изменения вероятностей появления мутации – индуцированном. Мутации, возникающие под влиянием мутагенов, называют индуцированными мутациями.
В современном технологически сложном обществе люди подвергаются воздействию самых разных мутагенов, поэтому изучение индуцированных мутаций приобретает все большее значение.
К физическим мутагенам относятся все виды ионизирующих излучений (гамма- и рентгеновские лучи, протоны, нейтроны и др.), ультрафиолетовое излучение, высокие и низкие температуры; к химическим – многие алкилирующие соединения, аналоги азотистых оснований нуклеиновых кислот, некоторые биополимеры (например, чужеродные ДНК и РНК), алкалоиды и многие другие химические агенты. Некоторые мутагены увеличивают частоту мутаций в сотни раз.
К числу наиболее изученных мутагенов относятся радиация высоких энергий и некоторые химические вещества. Радиация вызывает такие изменения в геноме человека, как хромосомные аберрации и потерю нуклеотидных оснований. Частота встречаемости мутаций половых клеток, индуцированных радиацией, зависит от пола и стадии развития половых клеток. Незрелые половые клетки мутируют чаще, чем зрелые; женские половые клетки – реже, чем мужские. Кроме того, частота мутаций, индуцированных радиацией, зависит от условий и дозы облучения.
Соматические мутации, возникающие в результате радиации, представляют собой основную угрозу населению, поскольку часто появле ние таких мутаций служит первым шагом на пути образования раковых опухолей. Так, одно из наиболее драматических последствий Чернобыльской аварии связано с возрастанием частоты встречаемости разных типов онкологических заболеваний. Например, в Гомельской области было обнаружено резкое увеличение числа детей, больных раком щитовидной железы. По некоторым данным, частота этого заболевания сегодня по сравнению с доаварийной ситуацией увеличилась в 20 раз.
В начале 50-х годов ХХ века была обнаружена возможность замедления или ослабления темпов мутирования с помощью некоторых веществ. Такие вещества назвали антимутагенами. Выделено около 200 природных и синтетических соединений, обладающих антимутагенной активностью: некоторые аминокислоты (аргинин, гистидин, метианин), витамины (токоферол, аскорбиновая кислота, ретинол, каротин), ферменты (пероксидаза, НАДФ-оксидаза, каталаза и др.), комплексные соединения растительного и животного происхождения, фармокологические средства (интерферон, оксипиридины, соли селена и др.).
Подсчитано, что с пищей человек получает в день несколько граммов веществ, способных вызвать генетические нарушения. Такие количества мутагенов должны вызывать существенные поражения в наследственных структурах человека. Но этого не происходит, т. к. антимутагены пищи нейтрализуют эффекты мутагенов. Соотношение антимутагенов и мутагенов в продуктах зависит от способа приготовления, консервирования и сроков хранения. Антимутагенами бывают не только компоненты, но и пищевые продукты в целом: экстракты различных видов капусты уменьшают уровень мутаций в 8 – 10 раз, экстракт яблок – в 8 раз, винограда – в 4 раза, баклажана – в 7, зелёного перца – в 10, а мятного листа – в 11 раз. Среди лекарственных трав отмечено антимутагенное действие зверобоя.
Вопросы для обсуждения:
1. Участок гена, кодирующий полипептид, имеет в норме следующий порядок основания: ААГСААСААТТАГТААТГААГЦААЦЦЦ. Какие изменения произойдут в белке, если во время репликации в шестом кодоне появилась вставка тимина между вторым и третьим нуклеотидами?
2. На участке гена, кодирующего полипептид последовательность нуклеотидных оснований следующая: ГААЦГАТТЦГГЦЦАГ. Произошла инверсия на участке второго – седьмого нуклеотида. Определите структуру полипептидной цепи в норме и после мутации.
3. Расшифруйте послание:
ДОЖТВЧНАЧНАШКОДТАКМАЛКОНГНЪ
ДПЩНАЧТАКЛИХНАШКОДКОНЖЦФРДХ
НАЧБЫЛДЫМБЫЛПАЛКОНХНСКУВЗЩГ
ВДЪХЗГЧВФНАЧНЕТЖИВНАШРОДПВЧ
Какие принципы генетического кода здесь использованы?
4. Определите возможные генотипы детей в браке здоровой женщины и мужчины с синдромом Клайнфельтера?
5. Какие из следующих заболеваний не связаны с нарушением мейотического расхождения хромосом: а. Синдром Тернера; б. Синдром Дауна; в синдром кошачьего крика; г. синдром Патау.
При хромосомных мутациях происходят крупные перестройки структуры отдельных хромосом. В этом случае наблюдаются потеря (делеция) или удвоение части (дупликация) генетического материала одной или нескольких хромосом, изменение ориентации сегментов хромосом в отдельных хромосомах (инверсия), а также перенос части генетического материала с одной хромосомы на другую (транслокация) (крайний случай - объединение целых хромосом, т. н. Робертсоновская транслокация, которая является переходным вариантом от хромосомной мутации к геномной).
Числовые мутации кариотипа подразделяются на гетероплоидию, анеуплоидию, полиплоидию.
Гетероплоидия обозначает общее изменение числа хромосом по отношению к диплоидному полному набору.
Об анеуплоидии говорят в тех случаях, когда число хромосом в клетке увеличено на одну (трисомия) или более (полисомия) или уменьшено на одну (моносомия). Употребляют также термины «гиперплоидия» и «гипоплоидия». Первый из них означает увеличенное число хромосом в клетке, а второй – уменьшенное.
Полиплоидией называют увеличение числа полных хромосомных наборов в четное или нечетное число раз. Полиплоидные клетки могут быть триплоидными, тетраплоидными, пентаплоидными, гексаплоидными и т.д.
29. Спонтанные и индуцированные мутации. Мутагены. Мутагенез и канцерогенез. Генетическая опасность загрязнения окружающей среды. Меры защиты.
Спонтанные мутации.
Мутации, помимо качественных свойств, характеризует и способ
возникновения. Спонтанные (случайные) – мутации, возникающие при нормальных
условиях жизни. Спонтанный процесс зависит от внешних и внутренних факторов
(биологические, химические, физические). Спонтанные мутации возникают у
человека в соматических и генеративных тканях. Метод определения спонтанных
мутаций основан на том, что у детей появляется доминантный признак, хотя у
его родителей он отсутствует. Проведенное в Дании исследование показали,
что примерно одна из 24000 гамет несет в себе доминантную мутацию. Ученый
же Холдейн рассчитал среднюю вероятность появления спонтанных мутаций,
которая оказалась равна 5*10-5 за поколение. Другой ученый Курт Браун
предложил прямой метод оценки таких мутаций, а именно: число мутаций
разделить на удвоенное количество обследованных индивидов.
Индуцированные мутации.
Индуцированный мутагенез – это искусственное получение мутаций с
помощью мутагенов различной природы. Впервые способность ионизирующих
излучений вызывать мутации была обнаружена Г.А. Надсоном и Г.С. Филлиповым.
Затем, проводя обширные исследования, была установлена радиобиологическая
зависимость мутаций. В 1927 году американским ученым Джозефом Мюллером было
доказано, что частота мутаций увеличивается с увеличением дозы воздействия.
В конце сороковых годов открыли существование мощных химических мутагенов,
которые вызывали серьезные повреждения ДНК человека для целого ряда
вирусов. Одним из примеров воздействия мутагенов на человека может служить
эндомитоз – удвоение хромосом с последующим делением центромер, но без
расхождения хромосом.
Мутагены - химические и физические факторы, вызывающие наследственные изменения - мутации. Впервые искусственные мутации получены в 1925 году Г. А. Надсеном и Г. С. Филипповым у дрожжей действием радиоактивного излучения радия; в 1927 году Г. Мёллер получил мутации у дрозофилы действием рентгеновских лучей. Способность химических веществ вызывать мутации (действием иода на дрозофилы) открыта И. А. Рапопортом. У особей мух, развившихся из этих личинок, частота мутаций оказалась в несколько раз выше, чем у контрольных насекомых.
Мутагенами могут быть различные факторы, вызывающие изменения в структуре генов, структуре и количестве хромосом. По происхождению мутагены классифицируют на эндогенные, образующиеся в процессе жизнедеятельности организма и экзогенные - все прочие факторы, в том числе и условия окружающей среды.
По природе возникновения мутагены классифицируют на физические, химические и биологические:
Физические мутагены.
Ионизирующее излучение;
Радиоактивный распад;
Ультрафиолетовое излучение;
Моделированное радиоизлучение и электромагнитные поля;
Чрезмерно высокая или низкая температура.
Химические мутагены.
Окислители и восстановители (нитраты, нитриты, активные формы кислорода);
Алкилирующие агенты (например, иодацетамид);
Пестициды (например гербициды, фунгициды);
Некоторые пищевые добавки (например, ароматические углеводороды, цикламаты);
Продукты переработки нефти;
Органические растворители;
Лекарственные препараты (например, цитостатики, препараты ртути, иммунодепрессанты).
К химическим мутагенам условно можно отнести и ряд вирусов (мутагенным фактором вирусов являются их нуклеиновые кислоты - ДНК или РНК).
Биологические мутагены.
Специфические последовательности ДНК - транспозоны;
Некоторые вирусы (вирус кори, краснухи, гриппа);
Продукты обмена веществ (продукты окисления липидов);
Антигены некоторых микроорганизмов.
Канцерогенез- сложный патофизиологический процесс зарождения и развития опухоли. Изучение процесса канцерогенеза является ключевым моментом как для понимания природы опухолей, так и для поиска новых и эффективных методов лечения онкологических заболеваний. Канцерогенез - сложный многоэтапный процесс, ведущий к глубокой опухолевой реорганизации нормальных клеток организма. Из всех предложенных до ныне теорий канцерогенеза, мутационная теория заслуживает наибольшего внимания. Согласно этой теории, опухоли являются генетическими заболеваниями, патогенетическим субстратом которых является повреждение генетического материала клетки (точечные мутации, хромосомные аберрации и т. п.). Повреждение специфических участков ДНК приводит к нарушению механизмов контроля за пролиферацией и дифференцировкой клеток и в конце концов к возникновению опухоли. Генетический аппарат клеток обладает сложной системой контроля деления, роста и дифференцировки клеток. Изучены две регулирующие системы оказывающие кардинальное влияние на процесс клеточной пролиферации. Протоонкогены- это группа нормальных генов клетки, оказывающих стимулирующее влияние на процессы клеточного деления, посредством специфических продуктов их экспрессии. Превращение протоонкогена в онкоген (ген, определяющий опухолевые свойства клеток) является одним из механизмов возникновения опухолевых клеток. Это может произойти в результате мутации протоонкогена с изменением структуры специфического продукта экспрессии гена, либо же повышением уровня экспрессии протоонкогена при мутации его регулирующей последовательности (точечная мутация) или при переносе гена в активно транскрибируемую область хромосомы (хромосомные аберрации). На данный момент изучена канцерогенная активность протоонкогенов группы ras (HRAS, KRAS2). При различных онкологических заболеваниях регистрируется значительное повышение активности этих генов (рак поджелудочной железы, рак мочевого пузыря и т. д.). Также раскрыт патогенез лимфомы Беркитта, при которой активация протоонкогена MYC происходит в случае его переноса в область хромосом, где содержатся активно транскрибируемые гены иммуноглобулинов.
Функции генов-супрессоров противоположны функциям протоонкогенов. Гены-супрессоры оказывают тормозящее влияние на процессы клеточного деления и выхода из дифференцировки. Доказано, что в ряде случаев инактивация генов-супрессоров с исчезновением их антагонистического влияния по отношению к протоонкогенам ведет к развитию некоторых онкологических заболеваний. Так, потеря участка хромосомы, содержащего гены-супрессоры, ведет к развитию таких заболеваний, как ретинобластома, опухоль Вильмса и др.
Таким образом, система протоонкогенов и генов-супрессоров формирует сложный механизм контроля темпов клеточного деления, роста и дифференцировки. Нарушения этого механизма возможны как под влиянием факторов внешней среды, так и в связи с геномной нестабильностью - теория, предложенная Кристофом Лингауром и Бертом Фогельштейном. Питер Дюсберг из Калифорнийского университета в Беркли утверждает, что причиной опухолевой трансформации клетки может быть анеуплоидия (изменение числа хромосом или потеря их участков), являющаяся фактором повышенной нестабильности генома. По мнению некоторых ученых, ещё одной причиной возникновения опухолей мог бы быть врождённый или приобретённый дефект систем репарации клеточной ДНК. В здоровых клетках процесс репликации (удвоения) ДНК протекает с большой точностью благодаря функционированию специальной системы исправления пострепликационных ошибок. В геноме человека изучено, по крайней мере, 6 генов, участвующих в репарации ДНК. Повреждение этих генов влечёт за собой нарушение функции всей системы репарации, и, следовательно, значительное увеличение уровня пострепликационных ошибок, то есть мутаций.
Мутационная теория канцерогенеза - учение, согласно которому причиной возникновения злокачественных опухолей являются мутационные изменения генома клетки. В настоящее время эта теория является общепринятой. В подавляющем большинстве случаев злокачественные новообразования развиваются из одной опухолевой клетки, то есть имеют моноклональное происхождение. Согласно современным представлениям, мутации, которые в конце концов приводят к развитию опухоли, могут иметь место как в половых (около 5 % всех случаев), так и в соматических клетках.
Успехи современной генетики позволяют подойти к изучению состояния окружающей среды с позиций охраны наследственности, генофонда биосферы. Такому подходу уделяется специальное внимание в Программе ООН по окружающей среде (ЮНЕП), в деятельности Всемирной организации здравоохранения <ВОЗ) и ЮНЕСКО (в программе МАБ «Человек и биосфера», проект 12). По инициативе советских ученых было начато создание центра по генетическому мониторингу, в задачу которого входит и разработка доступных методов для оценки степени воздействия загрязнения окружающей среды на экосистемы и здоровье человека.
Между тем изменения в биосфере, преобразуемой человеком, порождают влияющие на ход генетических процессов неконтролируемые факторы. В числе их и мутационные эффекты, вызываемые загрязнением окружающей среды, приобретающим ныне все большие масштабы.
Основная опасность загрязнения окружающей среды мутагенами, как полагают генетики, заключается в том, что вновь возникающие мутации, не «переработанные» эволюционно, отрицательно повлияют на жизнеспособность любых организмов. И если поражение зародышевых клеток может привести к росту числа носителей мутантных генов и хромосом, то при повреждении генов соматических клеток возможно возрастание числа раковых заболеваний. Более того, существует глубокая связь различных на первый взгляд биологических эффектов.
В частности, мутагены окружающей среды влияют на величины рекомбинаций наследственных молекул, являющихся также источником наследственных изменений. Возможно и влияние на функционирование генов, что может быть причиной, например, тератологических отклонений (уродств), наконец, вероятны поражения ферментных систем, что изменяет различные физиологические особенности организма, вплоть до деятельности нервной системы, а следовательно, сказывается и на психике. Генетическая адаптация популяций человека к возрастающему загрязнению биосферы мутагенными факторами принципиально невозможна. Чтобы исключить или ослабить воздействие мутагенов, прежде всего необходимо оценить мутагенность различных загрязнений на высокочувствительных биологических тест-системах, в том числе и тех, которые могут поступить в биосферу, и если риск для человека доказан, то принимать меры для борьбы с ними.
Так возникает задача скрининга - просеивания загрязнений с целью выявления мутагенов и выработки специального законодательства для регулирования их поступления в окружающую среду. И таким образом, контроль генетических последствий загрязнения в комплексе содержит в себе две задачи: испытание на мутагенность факторов среды различной природы (скрининг) и мониторинг популяций. Применяется и цитогенетическая методика тестирования на культуре ткани растений, животных, лимфоцитах человека. Также и тест с использованием метода доминантных леталей (выявление мутаций, которые вызывают гибель эмбрионов на самых ранних стадиях развития) на млекопитающих, в особенности на мьи. ах. Наконец, используется и прямое тестирование мутаций в клетках млекопитающих и человека как в культуре ткани, так и in vivo.
К абиотическим факторам любой экосистемы относятся ионизирующее излучение и загрязняющие вещества. Токсичность и мутагенность среды - это два взаимосвязанных понятия. Одни и те же факторы среды могут оказывать и токсичное, и мутагенное действие. Токсичное действие проявляется вскоре после контакта с фактором, не более чем через месяц. Оно может выражаться в виде аллергии, ослабления иммунной системы, отравления, развития неврозов, возникновения неизвестных ранее патологий.
Гораздо чаще токсичность среды проявляется в виде устойчивых отклонений от нормального физиологического состояния организма у большого количества людей, которые заняты на вредном производстве или живут в прилегающих к предприятию районах.
Загрязняющие вещества чаще всего - это отходы производства и автомобильного транспорта: сернистый ангидрид, оксиды азота и углерода, углеводороды, соединения меди, цинка, ртути, свинца.
Загрязняющими веществами также могут быть химические соединения, созданные человеком, например пестициды, используемые для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур.
Мутагенность окружающей среды никогда не проявляется сразу после контакта с фактором. Опасность мутагенов для человека состоит в том, что их многократное и длительное контактное действие приводит к возникновению мутаций - стойких изменений в генетическом материале. С накоплением мутаций клетка приобретает способность к бесконечному делению и может стать основой развития онкологического заболевания (раковой опухоли).
Возникновение мутаций - процесс длительный и сложный, поскольку в клетках имеется надежная защитная система, которая противостоит мутационному процессу.
Развитие мутации зависит от дозы мутагена и длительности его действия, а также от того, насколько часто мутаген действует на организм, т.е. от ритма его действия. Процесс развития мутаций может быть растянут на годы.
На первом месте среди воздействий, вызывающих глубокие изменения генетического аппарата, стоит радиация. Наглядный пример мутагенного действия окружающей среды - развитие прогрессирующей лучевой болезни, которая заканчивается смертельным исходом у людей, получивших высокую дозу радиации. Такие случаи встречаются редко. Обычно они обусловлены аварийными ситуациями, нарушением технологических процессов.
Радиационный распад, или явление радиоактивности, связан со способностью атомов отдельных химических элементов испускать частицы, несущие энергию. Основной характеристикой излучения, определяющей степень его воздействия на организм, является доза. Доза - это количество переданной организму энергии. Однако, при одинаковой поглощенной дозе, разные типы излучения могут иметь разный биологический эффект.
Под действием радиоактивного излучения в клетках происходит ионизация атомов и молекул, в том числе и молекул воды, что вызывает цепь каталитических реакций, приводящих к функциональным изменениям клеток. Наиболее радиочувствительны клетки постоянно обновляющихся органов и тканей: костного мозга, половых желез, селезенки. Изменения касаются механизмов деления, наследственного материала в составе хроматина и хромосом, регуляции процессов обновления и специализации клеток.
Радиация как мутагенный фактор вызывает повреждение генетического аппарата клеток: молекул ДНК, изменение кариотипа в целом. Мутации в соматических клетках облученного человека приводят к развитию лейкозов или других опухолей разных органов. Мутации в половых клетках проявляются в последующих поколениях: у детей и более отдаленных потомков человека, подвергшегося облучению. Генетические дефекты мало зависят от дозы и кратности облучения. Даже сверхмалые дозы радиации могут стимулировать мутации, иначе говоря, пороговая доза радиации отсутствует.
Опасность радиационного облучения связана с тем, что органы чувств человека не могут улавливать ни один из видов излучения. Установить факт радиоактивного заражения местности можно только приборами.
Радиационную опасность представляют старые захоронения, относящиеся к тому времени, когда радиационным проблемам еще не уделяли должного внимания. Опасные ситуации могут возникать при утилизации отработанного ядерного топлива от АЭС и атомных подводных лодок, при захоронении радиоактивных отходов, которые образовались после уничтожения ядерного оружия. Кроме того, радиоактивные отходы имеют множество промышленных предприятий, научных и медицинских учреждений
Радиация, связанная с развитием ядерной энергетики, составляет лишь малую долю, порождаемую деятельностью человека. Применение рентгеновских лучей в медицине, сжигание угля, длительное пребывание в хорошо герметизированных помещениях могут привести к значительному увеличению уровня облучения.
Избежать облучения ионизирующим излучением невозможно. Жизнь на Земле возникла и продолжает развиваться в условиях постоянного естественного облучения. Помимо техногенных радионуклидов свой вклад в радиационный фон Земли вносят космическое излучение и излучение от рассеянных в земной коре, воздухе и других объектах природных радиоактивных компонентов.
Мутагенными свойствами обладают не только различного типа излучения, но и многие химические соединения: естественные неорганические вещества (окислы азота, нитраты, соединения свинца), переработанные природные соединения (продукты сжигания угля, нефти, древесины, соединения тяжелых металлов), химические продукты, не встречающиеся в природе (пестициды, некоторые пищевые добавки, промышленные отходы, часть синтетических соединений).
Выраженным мутагенным действием в атмосфере городов обладают оксиды азота (III) и (V), которые при взаимодействии с атмосферной влагой образуют азотистую и азотную кислоты, а также выбросы дизельных двигателей; бензопирен, пыль асбеста, диоксины, - образующиеся при неконтролируемом сжигании твердых бытовых и промышленных отходов.
В составе гидросферы наиболее выраженным мутагенным действием обладают соли тяжелых металлов (никель, марганец) и пестициды.
В почве к числу химических мутагенов относятся соли тяжелых металлов и ме-таллорганических соединений, которыми почва загрязнена вдоль автомагистралей и в районах свалок мусора. Например, свинец - один из максимально опасных загрязнителей почв среди металлов. Он может накапливаться в организме человека, вызывая хронические отравления, проявляющиеся в истощении организма, нарушении работы почек, мышечной слабости, тяжелых расстройствах нервной и кровеносной систем. Употребление в пищу растений, грибов и ягод, собранных вблизи автомагистралей, может привести к пищевому отравлению свинцом, а через несколько лет эффект может проявиться в виде мутации.
В отличие от радиоактивного излучения химические мутагены оказывают действие только при непосредственном контакте с клетками организма. Они могут попасть на кожу, слизистые оболочки дыхательных путей, с продуктами питания оказываться в пищеварительной системе, а затем с питательными веществами перейти в кровь.
Мутации являются важным объектом исследования цитогенетиков и биохимиков. Именно мутации, генные или хромосомные, чаще всего являются причиной наследственных заболеваний. В естественных условиях хромосомные перестройки происходят очень редко. Мутации, вызванные химическими реактивами, биологическими мутагенами или физическими факторами, такими как ионизирующее излучение, часто являются причиной врожденных патологий развития и злокачественных новообразований.
Общие сведения о мутациях
Мутацию Гуго де Фриз определил как внезапное изменение наследственного признака. Это явление встречаются в геноме всех живых организмов, от бактерий до человека. При нормальных условиях мутации в нуклеиновых кислотах происходят очень редко, с частотой примерно 1·10 -4 - 1·10 -10 .
В зависимости от количества затронутого изменениями генетического материала, мутации делят на геномные, хромосомные и генные. Геномные связанны с изменением количества хромосом (моносомия, трисомия, тетрасомия); хромосомные связаны с изменением структуры отдельных хромосом (делеции, дубликации, транслокации); генные мутации затрагивают отдельный ген. Если мутация затронула только одну пару нуклеотидов, то она - точечная.
В зависимости от причин, вызвавших их, выделяют спонтанные и индуцированные мутации.
Спонтанные мутации
Возникают в организме под воздействием внутренних факторов. Спонтанные мутации считаются нормальным явлением, они редко приводят к серьезным последствиям для организма. Чаще всего такие перестройки происходят в пределах одного гена, связаны с заменой оснований - пурина на другой пурин (транзиции), или пурина на пиримидин (трансверсии).
Значительно реже спонтанные мутации происходят в хромосомах. Обычно хромосомные спонтанные мутации представлены транслокациями (переходом одного или нескольких генов одной хромосомы на другую) и инверсиями (изменением последовательности генов в хромосоме).
Индуцированные перестройки
Индуцированные мутации возникают в клетках организма под воздействием химикатов, радиации или репликационного материала вирусов. Такие мутации проявляются чаще, чем спонтанные, имеют более серьезные последствия. Они влияют на отдельные гены и группы генов, блокируя синтез отдельных белков. Индуцированные мутации часто глобально влияют на геном, именно под воздействием мутагенов в клетке появляются аномальные хромосомы: изохромосомы, кольцевые хромосомы, дицентрики.
Мутагены, помимо хромосомных перестроек, вызывают повреждения ДНК: двунитевые разрывы, образование ДНК-сшивок.
Примеры химических мутагенов
К химическим мутагенам относятся нитраты, нитриты, аналоги азотистых оснований, азотистая кислота, пестициды, гидроксиламин, некоторые пищевые добавки.
Азотистая кислота вызывает отщепление аминогруппы от азотистых оснований и замену их другой группой. Это приводит к точковым мутациям. Химически индуцированные мутации также вызывает гидроксиламин.
Нитраты и нитриты в больших дозах повышают риск возникновения рака. Некоторые пищевые добавки вызывают реакции арилирования нуклеиновых кислот, что приводит к нарушению процессов транскрипции и трансляции.
Химические мутагены очень разнообразны. Часто именно эти вещества вызывают индуцированные мутации в хромосомах.
К физическим мутагенам относятся ионизирующее излучение, прежде всего коротковолновое, и ультрафиолет. Ультрафиолет запускает процесс в мембранах, провоцирует образование различных дефектов в ДНК.
Рентгеновское и гамма-излучение провоцируют мутации на уровне хромосом. Такие клетки не способны к делению, они погибают в ходе апоптоза. Индуцированные мутации могут затрагивать и отдельные гены. Например, блокирование генов опухолевых супрессоров приводит к появлению опухолей.
Примеры индуцированных перестроек
Примерами индуцированных мутаций могут служить различные генетические заболевания, чаще проявляющиеся в зонах, подверженных воздействию физического или химического мутагенного фактора. Известно, в частности, что в индийском штате Керала, где годовая эффективная доза ионизирующего излучения превосходит норму в 10 раз, повышена частота рождения детей с синдромом Дауна (трисомия по 21-й хромосоме). В китайском округе Янцзян в почве выявлено большое количество радиоактивного монацита. Нестабильные элементы в его составе (церий, торий, уран) распадаются с выделением гамма-квантов. Воздействие коротковолнового излучения на жителей округа привело к большому количеству рождений детей с синдромом кошачьего крика (делеция большого участка 8-й хромосомы), а также повышенной заболеваемости раком. Еще один пример: в январе 1987 года на Украине было зарегистрировано рекордное количество рождений детей с синдромом Дауна, связанное с аварией на ЧАЭС. На первом триместре беременности плод наиболее чувствителен к воздействию физических и химических мутагенов, потому колоссальная доза радиации привела к повышению частоты аномалий хромосомного набора.
Один из самых печально известных химических мутагенов в истории - седативное средство "Талидомид", выпускаемое в ФРГ в 50-х годах прошлого века. Прием этого препарата привел к рождению множества детей с самыми разными генетическими отклонениями.
Метод индуцированных мутаций обычно применяется учеными для поиска оптимальных способов борьбы с аутоиммунными заболеваниями и генетическими отклонениями, связанными с гиперсекрецией белков.
Мутации (от латинского mutatio – перемена) – это изменение генов и хромосом, проявляющееся в изменении свойств и признаков организмов. Описал их в 1901 году голландский учёный Де Фриз. Он же заложил основы и теории мутаций. Процесс образования мутаций во времени и пространстве называется мутагенез . Вещества, вызывающие мутации в клетках — мутагены.
В зависимости от происхождения различают спонтанные и индуцированные мутации.
Генеративные и соматические мутации.
Мутации могут возникать на всех стадиях развития организма и поражать гены и хромосомы как в половых клетках, так и в соматических. Поэтому по типу клеток различают генеративные и соматические мутации . Генеративные мутации происходят в половых клетках и в этом случае передаются следующим поколениям. Соматические мутации происходят в любых других соматических клетках организма; они провоцируют рак, нарушают иммунную систему, уменьшают продолжительность жизни. Соматические мутации не передаются по наследству. Большая часть канцерогенных веществ вызывает мутации в соматических клетках.
Спонтанные и индуцированные мутации.
Спонтанные мутации (самопроизвольное изменение в совокупности генов организма данного вида) – те мутации, которые возникают у организмов в нормальных природных условиях без видимых причин; они возникают как ошибки при воспроизведении генетического материала, поскольку редупликация не происходит с абсолютной точностью. Длительное время считалось, что спонтанные мутации являются беспричинными. Сейчас же пришли к выводу, что они являются результатом естественных процессов, протекающих в клетках. Они возникают в условиях природного радиоактивного фона Земли в виде космического излучения, радиоактивных элементов на поверхности Земли, радионуклидов в клетках организмов. Спонтанная мутация может возникнуть в любой период индивидуального развития и поразить любую хромосому или ген. Частота встречаемости спонтанных мутаций, например, 1:100000.
Индуцированные мутации возникают в результате действия мутагенов, нарушающих процессы, происходящие в клетке.
Если сравнить частоту спонтанных и индуцированных мутаций клеток организмов при обработке мутагеном и без него, то очевидно, что если частота мутаций повышается в 100 раз в результате воздействия мутагена, то одна мутация будет спонтанная, остальные индуцированные.
Факторы мутагенеза.
В зависимости от локализации в клетке различают генные и хромосомные мутации . Генные, или точечные, мутации заключаются в изменении индивидуальных генов (выпадение, вставка или замена одной пары нуклеотидов. Хромосомные мутации бывают нескольких видов и затрагивают:
изменение структуры хромосом (крупные перестройки в отдельных фрагментах ДНК):
Делеции (выпадение числа нуклеотидов);
Дупликации (повторение фрагментов ДНК, в результате чего происходит её удлинение);
Инверсии (поворот участка хромосом на 180 0);
Транслокации (перенос участка хромосомы в новое положение в той или уже другой хромосоме).
Мутации, поражающие структуру хромосом, называют хромосомными перестройками , или аберрациями.
изменение количества хромосом:
Полиплоидия (увеличение кратного набора хромосом);
Гаплоидия (уменьшение всего набора хромосом);
Анеуплоидия (нарушение нормального количества хромосом из-за добавления или удаления одной или более хромосом).
Мутации, затрагивающие изменение числа хромосом в клетках организма, называются геномными . Геном – совокупность генов организма данного вида.
Мутационные процессы происходят не только у человека, но и у животных и растений. Поэтому мы рассматриваем общие закономерности. Хромосомные аберрации встречаются у растений, животных и человека. Ведут к нарушению здоровья. Полиплоидия встречается чаще у растений, у животных и человека – редка (число хромосом может увеличиваться в 3, 4, 5 раз). Гаплоидия встречается также в основном у растений (около 800 видов растений имеют гаплоиды), у животных — очень редка, у человека неизвестна. Анеуплоидия часто встречается у растений, у животных и у человека. Делеции – наиболее частые и опасные формы повреждения хромосом для человека. Некоторые дупликации вредны и даже летальны. Повтор сегмента хромосомы может быть малым, касаясь одиночного гена, или большим, затрагивая большое количество генов. Могут быть и безвредные дупликации. Транслокации происходят в результате разрыва хромосом. Могут иметь размеры от небольших до значительных.
Мутации могут оказаться незамеченными, если они затронули второстепенные участки наследственных структур, но могут приводить к серьёзным расстройствам, вплоть до гибели организма.
Возникшие повреждения в ДНК не обязательно реализуются в мутации. Они могут бесследно исчезнуть, благодаря существующей в клетке эффективной системе восстановления генетических повреждений (репарации). Проявление мутантного гена может быть подавлено действием другого гена. В этом случае мутантный ген может передаваться из поколения в поколение и проявиться только в случае, когда в зародышевой клетке встретятся два идентичных мутантных гена. Некоторые мутации проявляются только в определённых условиях существования. Например, при определённой температуре культивирования мутантных микроорганизмов.
Спонтанные мутации и их причины.
В любой популяции есть особи со спонтанными мутациями, т.е. которые возникли без явных причин. Любой ген с той или иной частотой спонтанно переходит в мутантное состояние. Пример: Частота локуса альбинизма у мышей 3*10 -5 . Причины индукции спонтанных мутаций не ясны:
1. Долго считали, что это фон естественного ионизирующего излучения. Расчеты для дрозофил, показали, что естественный радиационный фон ответственен за 0,1% спонтанных мутаций. Хотя по мере увеличения продолжительности жизни воздействие естественного фона накапливается. У человека от 0,1 до 4% спонтанных мутаций можно отнести к естественному фону радиации.
2. Еще одной причиной может служить случайное повреждение хромосом в ходе нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке.
Предполагают, что спонтанные мутации могут быть следствием случайных ошибок функционирования молекулярных механизмов.
3. Причиной спонтанных мутаций может служить перемещение мобильных элементов по геному, которые могут внедряться в любой ген, и вызывать мутацию. 80% спонтанных мутаций именно этой природы.
Способность давать мутации – мутабильность, сильно подвержена влиянию генотипа. Даже в пределах одного вида различающиеся в генетическом отношении линии могут обладать разной мутабильностью. Особенно это заметно, когда в линии есть ген – мутатор, который увеличивает частоту генных мутаций у несущих его особей.
Следует различать частоты:
1. популяционная , которая равна мутационной частоте, если мутант быстро погибает или бесплоден. В этой популяции обнаруживают мутации только de novo. Если мутанты оставляют потомство, популяционная частота = мутационная частота + сегреганты.
2. мутационная частота.
Индуцированные мутации - это процесс возникновения мутаций под направленным действием физических, химических или биологических факторов. Меллер изучал в 1927 г. влияние рентгеновских лучей на мутационные процессы у дрозофил. В 30-е годы был открыт химический мутагенез. Сахаров, Лобашов и Смирнов показали, что уксусная кислота, аммиак способны индуцировать рецессивные летали в хромосоме. Такие факторы получили название мутагены или мутагенные факторы.
1. физический мутагенез . Физические мутагены:
- ионизирующие излучения – волновые (рентген, космические лучи) и корпускулярные (β-частицы, протоны, нейтроны, α-частицы)
Проходя через живое вещество, γ и рентгеновские лучи вырывают электроны из внешней оболочки атома или молекулы. Поэтому заряженные частицы – электроны присоединяются к нейтрально заряженным частицам. В результате нейтральная молекула приобретает заряд, что ведет к дальнейшим превращениям веществ. В 30-е годы Тимофеев-Ресовский и Дельбрюк выдвинули теорию мишени. Согласно которой, вызываемые радиацией мутации обязаны единичным актам ионизации, которые повреждают чувствительность структур (мишень – ДНК). Следовательно, частота индуцируемых мутаций зависит от дозы радиации. При этом не имеет значение дана доза однократно или порциями, хотя эффект более выражен при однократном введении дозы.
Частота генных мутаций и мелких перестроек хромосом, вызываемых ионизирующим излучением прямо пропорциональна дозе излучения. Это описывается уравнением:
у – общая частота наблюдаемых мутаций,
k – частота спонтанных мутаций,
α – коэффициент пропорциональности – вероятность возникновения мутации у данного объекта в результате облучения дозой 1 рентген.
d – доза в рентгенах.
Так как k – мало, то им можно пренебречь:
То, что частота генных мутаций линейно зависит от дозы излучения, привело к предположению, что каждая мутация является результатом единичной мутации, это же относится и к мелким перестройкам. Объясняется это тем, что два разрыва, происходящие очень близко в хромосоме вызываются единичной ионизацией. Если это верно, то для крупных хромосомных перестроек следовало бы наблюдать другой зависимости от дозы излучения. Так как крупные хромосомные перестройки являются результатом двух и более далеко отстоящих друг от друга разрывов, поэтому частота этих перестроек должна быть равна квадрату дозы излучения. Иногда это верно, но больше частота индуцированных облучений крупных перестроек пропорциональна не квадрату дозы, а меньшей величине. Причины этого не ясны. Полагают, что это связано с особенностями механизмов соединения концов образовавшихся фрагментов. Или, возможно, сохраняются только те крупные абберации, которые не влияют на жизнеспособность клетки, либо незначительно ее снижают. Теория мишеней отражает важные стороны ионизирующего излучения. В дальнейшем было выяснено, что механизмы радиационного мутагенеза более сложны. Радиация играет основную роль в возникновении мутаций.
Существуют факты, доказывающие, что ионизирующее излучение может действовать на генетический аппарат косвенно. При прохождении ионизирующих частиц через цитоплазму, они образуют радикалы, способные реагировать с химическими компонентами хромосом. Большое значение играют свободные радикалы, которые образуются в результате радиолиза воды.
Н + ОН = Н 2 О
ОН + ОН = Н 2 О 2
Еще одним доказательством косвенного влияния были опыты, которые показали, что облучение жидкой питательной среды делает ее мутагенной для помещаемых в нее бактерий. Это действуют свободные радикалы перекиси. Если происходит в атмосфере богатой кислородом, то количество мутаций больше, чем в атмосфере бедной кислородом или в атмосфере инертного газа. Полагают, что в присутствии кислорода облучение увеличивает образование перекиси водорода. Увеличение частоты мутаций с увеличением дозы идет до известных определенных пределов, выше которых частота выявленных мутаций снижается. Это объясняется:
При очень высоких дозах поражение генов и хромосом доходит до того, что клетки нежизнеспособны.
Если повреждены половые клетки и способны участвовать в оплодотворении, то зигота погибает из-за грубых нарушений генетического аппарата – это доминантная летальность. Следовательно, вместе с организмом умирает мутация. Значит, снижается частота мутаций в обнаруживаемых потомках особей, которых облучали.
Ионизирующее излучение в большей степени увеличивает частоту перестроения хромосом, чем частоту генетических мутаций. не все повреждения генетического аппарата, вызванные облучением реализуются в виде мутаций. множество из них исправляются за счет репаративных ферментных систем. Явление репарации обнаружены при индукции крупных хромосомных перестроек при фракционированном излучении.
Мутационный эффект радиационного излучения определяется суммой долей излучения и не зависит от фракционирования. Это справедливо для мелких перестроек, но не для крупных перестроек, для которых необходимо 2 и более точек разрыва.
1. Если вся доза дается сразу, то в клетках одновременно присутствуют митотические концы разорвавшихся хромосом. Концы могут соединяться в любых сочетаниях – инверсии, транслокации и делеции.
2. Если доза дается в несколько приемов, то часть ранее возникших перестроек успевает восстановиться до воздействия новой порции.
В результате суммирования доз, а разбитая на фракции дает меньшие мутации. Такой же результат: если короткое высокоинтенсивное излучение заменить тождественной дозой растянутой во времени, но менее интенсивной.
- Сильное ионизирующее излучение (ультрафиолет) – большая длина волны и меньшая энергия.
УФ-лучи не ионизируют атомы, таким образом возбуждение их оболочки, следовательно, различные химические реакции в этих клетках и, => мутации.
Мутагенные свойства УФ-лучей зависят от длины волны. Наиболее мутагенные с длиной волны = 260 нм. И чем меньше длина волны, тем меньше мутагенные свойства. Это связано с тем, что ДНК поглощает УФ-лучи с длиной волны 260 нм. Проникающая способность УФ мала, => нет действия на половые клетки, и мутагенные свойства проявляются у низших организмов. У человека действует на кожу.
- Температура . Воздействует на тех, у кого температура тела зависит от окружающей среды. увеличение температура на каждые 10° увеличивает частоту мутаций в 3-5 раз. При этом возникает генные мутации. Перестройки хромосом могут быть таким образом при приближении к верхней границе переносимости.
2. химические мутагены:
2.1. алкилирующие соединения , т.е. высокоактивные вещества, переносящие алкильные группировки (свободные радикалы). Пример: диметилсульфат, иприт, диэтилсульфат (некоторые из них являются супермутагены).
2.2. вещества, близкие по химической структуре к АКО, которые входят в НК. Пример: 2-аминопурин, кофеин.
2.3. акридиновые красители. Пример: профлавин.
2.4. сборная веществ, мутагенные свойства которых изучены хорошо, но различны по структуре и молекулярному механизму действия. Пример: азотистая кислота, перекись водорода, уретан, формальдегид.
Особенности химического мутагенеза
1. нет прямой зависимости
2. обладают пороговым эффектом
3. специфичность эффектов в разных тканях
4. каждый химический мутаген имеет свой спектр мутации.
5. для химических мутагенов характерно возникновение хроматидных аббераций
6. для химического мутагенеза отмечается задержанный (продленный) эффект, т.е. не после воздействия, а спустя 2-3 клеточных поколений, причины этого неясны.
7. региональная специфичность. Гетерохроматин более подвержен воздействию, чем эухроматин.
8. совместный эффект нескольких действующих мутагенов не всегда носит аддитивный характер.
40. Числовые мутации: полиплоидии, анеуплоидии, их причины, механизмы формирования.
Изменение числа хромосом, когда в клетках присутствуют более двух гаплоидных наборов - это полиплоидия (1910 г. Стасбургер). Гаплоидным называется такой набор хромосом, в котором из каждой пары гомологов присутствует только одно хромосома. Геном – это гаплоидный набор. Причинами полиплоидии может быть:
1. репродукция хромосом в неделящейся клетке,
2. слияние соматических клеток или их ядер,
3. нарушение мейоза, которое приводит к образованию гамет с нередуцированным числом хромосом.
Полиплоиды, у которых несколько раз повторяется один и тот же набор хромосом называются аутополиплоиды , или автополиплоиды . Таким образом, в ходе эволюции образовались многие виды растений. Полиплоиды, возникшие у межвидовых гибридов и содержащие по этому несколько повторений двух разных наборов хромосом называются анеуплоиды . Изменение числа отдельных хромосом – анеуплоидия , причиной которой является нерасхождение отдельных хромосом в мейозе.
2n-1 – моносомия,
2n+1 – трисомия,
2n+2 – тетрасомия.
У растений такие варианты часто жизнеспособны. У животных жизнеспособными являются анеуплоиды по половым хромосомам. У человека жизнеспособными являются анеуплоиды по половой хромосоме, а также трисомии по 21, 13, 18 (с-м Эдвардса). По всем остальным хромосомам анеуплоидии летальны.