Спонтанный и индуцированный мутагенез

Спонтанными называют мутации, возникающие под влиянием неизвестных природных факторов, чаще всего как ре­зультат ошибок при воспроизведении ге­нетического материала (ДНК или РНК), поскольку репликация не происходит с абсолютной точностью, а процессы репа­рации (исправление повреждений в мо­лекуле ДНК) не обладают абсолютной эффективностью. Частота спонтанного мутирования у каждого вида генетически обусловлена и поддерживается на опти­мальном уровне— 10⁶—10⁷.

До 1925—1927 гг. генетики имели дело только со спонтанными мутациями. Различные попытки повысить частоту мутаций не приносили успеха. Создава­лось впечатление, что мутационный про­цесс не зависит от условий окружающей среды.

Радиационный мутагенез. Впервые повышение частоты наследственной из­менчивости под влиянием внешних агентов (ионизирующая радиация) обнаружи­ли в 1925 г. советские микробиологи Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов, проводившие исследования с дрожжами. В 1927 г. американский генетик Г. Меллер сообщил о действии рентге­новских лучей на мутационный процесс у дрозофилы, а позже мутагенное воздей­ствие этих лучей подтвердилось на мно­гих объектах. В дальнейшем было уста­новлено, что наследственные изменения обусловливаются также всеми другими видами проникающей радиации, особен­но нейтронами и γ-лучами. При этом воз­никают как разрывы хромосом, так и точковые мутации. Причиной разрывов хро­мосом являются некоторые особенности процессов, происходящих в тканях при действии излучений. Излучения вызыва­ют в тканях ионизацию, в результате ко­торой одни атомы теряют электроны, а другие присоединяют их; при этом обра­зуются положительно или отрицательно заряженные ионы. Подобный процесс внутримолекулярной перестройки в сос­таве хромосом может привести к их фраг­ментации.

Одним из самых опасных последствий облучения является образование свобод­ных радикалов — ОН или — О₂Н из на­ходящейся в тканях воды. Эти радикалы обладают высокой реакционнной способ­ностью и могут расщеплять многие органические вещества, в том числе ДНК и РНК.

Химический мутагенез. Приоритет открытия химических мутагенов принад­лежит советским ученым. В 1933 г. В. В. Сахаров,а затем М. Е. Лобашеви Ф. А. Смирнов (1934) показали, что некоторые соединения (йод, уксусная кислота, аммиак) способны индуцировать рецессивные летали в Х-хромосоме. В 1946 г. советский генетик И. А. Рапо­порт обнаружил сильное мутагенное действие формалина и этиленамина, а ан­глийские исследователи Ш. Ауэрбах иДж. Робсон — азотистого иприта.

Позже были открыты многие другие хи­мические мутагены: колхицин, кофеин, некоторые компоненты табака, лекар­ственных препаратов, пищевых консер­вантов и пестицидов. Некоторые из них усиливают мутационный эффект в сотни раз по сравнению со спонтанным; они по­лучили название супермутагенов.

Другие мутационные факторы. Есть все основания для предположения, что подавляющее большинство факторов внешней среды может оказывать то или иное влияние на наследственные свой­ства организма. Установлено, что мутагенным действием обладают такие физи­ческие факторы, как ультрафиолетовый свет, фотоны видимого света и темпера­тура. Повышение температуры увеличи­вает число мутаций, хотя и незначи­тельно.

К биологическим мутагенам относят­ся вирусы и токсины ряда плесневых гри­бов. Во многих отечественных и зарубеж­ных лабораториях было показано появле­ние большого числа хромосомных пере­строек в культурах микроорганизмов и клеток животных и человека, поражен­ных вирусами. При этом мутагенным дей­ствием обладают не только те вирусы, к которым восприимчивы растения и жи­вотные, но и непатогенные для них виру­сы. Таким образом, роль вирусов в био­сфере заключается в том, что они явля­ются не только возбудителями ряда забо­леваний растений, животных и человека, но и виновниками многих спонтанных му­таций.

Причины мутаций. Возможность из­менять скорость мутационного процесса послужила решающим стимулом к выяс­нению причин спонтанных мутаций.

Современная точка зрения на причи­ны спонтанных мутаций сформировалась в 60-е гг. благодаря выяснению механиз­мов воспроизведения, репарации и ре­комбинации генов и открытию фермен­тных систем, ответственных за эти про­цессы. Возникла гипотеза, согласно которой генные мутации — это ошибки в работе ферментов матричного синтеза ДНК. Притягательность этой общеприз­нанной гипотезы заключается в том, что она позволяет дать единое объяснение причин спонтанных и индуцированных мутаций, происходящих под генетическим контролем. Были открыты гены, мутации которых могут повышать или понижать частоту как спонтанных, так и индуциро­ванных мутаций.

Мутация рассматривается как ре­зультат перестройки атомов в сложной молекуле гена. Причиной такой пере­стройки является попадание в ген кванта света или ионизирующей частицы или же случайные колебания атомов. Причем мутации возникают в результате процес­са, длящегося во времени, а не непосред­ственно в момент прохождения кванта энергии или ионизирующей частицы че­рез ген.

Согласно физиологической гипотезе М. Е. Лобашева (1946), появлению му­таций должно предшествовать предмутационное состояние или потенциальное изменение, которое может быть устране­но в процессе репарации либо реализует­ся в виде мутаций. Связь мутаций с про­цессами репарации в настоящее время доказана практически для всех исследо­ванных объектов.

Репарация ДНК и мутационный про­цесс. Под действием различных физичес­ких и химических агентов могут возник­нуть повреждения ДНК в виде димеров тимина, сшивок между нитями или с бел­ком, разрывов ДНК, появления нуклеотидов аномальной структуры и т. д. По­вышенная частота этих повреждений блокирует репликацию ДНК, а тем са­мым и деление ядра и клетки. Оказалось, что клетка обладает различными меха­низмами исправления повреждений в ни­тях ДНК. Способность клеток всех орга­низмов к самовосстановлению повреж­денной первичной структуры ДНК полу­чила название репарации.

В настоящее время выявлены три ос­новных механизма репарации ДНК: фо­тореактивация, эксцизионная репа­рация и пострепликативная репара­ция. Последние два типа называют также темповой репарацией, поскольку и та и другая не зависят от света (рис. 160).

Лучше всего изучена репарация по­вреждений, вызванных ультрафиолето­выми лучами. При облучении ультрафио­летом между соседними пиримидиновыми основаниями одной цепи возникают димеры, чаще всего димер Т — Т, т. е. вмес­то водородных связей между Т и А двух комплементарных нуклеотидных цепей образуются связи Т — Т внутри одной цепи.

Фотореактивация происходит при воздействии видимого света. При этом репарирующий фермент связывается с поврежденной ДНК, разделяет димер на мономеры и водородные связи Т — А между комплементарными цепями опять восстанавливаются.

Если при фотореактивации исправля­ются повреждения, возникшие только под воздействием ультрафиолетовых лу­чей, то при темновой репарации — повреждения, появившиеся под влияни­ем других физических, химических и био­логических факторов.

При эксцизионной репарации вырезается по­врежденный участок ДНК. Сначала фермент эндонуклеаза разреза­ет одну цепь. Следующий фермент — экзонуклеаза — удаляет измененную часть,

Рис. 160. Механизм темновой репарации (эта­пы вырезания и репарации поврежденного участка молекулы ДНК): 1 — пиримидиновый димер искажает структуру ДНК, 2 — репараци­онная эндонуклеаза разрезает поврежденную цепь, 3 — репарационная эксцизия при дей­ствии экзонуклеазы, 4 — репарационный син­тез, 5 — ДНК-лигаза заменяет оставшийся од-ноцепочечный разрыв.

 

а ДНК-полимераза вновь синтезирует недостающий участок, комплементарный неповрежденной цепи ДНК. И наконец, свободные концы старой части цепи со­единяются с концами вновь синтезиро­ванного участка при помощи лигазы. Фо­тореактивация и эксцизионная репара­ция коротких участков ДНК протекают без ошибок и, следовательно, не ведут к мутациям.

Если димеры не будут устранены, то соответствующие основания не смогут выполнять роль матрицы и в этих местах во вновь синтезированной цепи ДНК окажутся пропуски (пробелы, или бре­ши). Путем рекомбинации между двумя двойными цепями ДНК — продуктами репликации — возможно образование одной нормальной двойной цепи (пострепликативная репарация).

Если повреждения лежат так тесно друг возле друга, что пропуски перекры­ваются, то для их заполнения использует­ся другая «ремонтная» система (SOS-ре­парация), способная синтезировать но­вую цепь ДНК и на дефектной матрице. При этом новые основания включаются таким образом, что могут возникнуть му­тации. Таким образом, репарации в зна­чительной мере ограничивают количес­тво мутаций, что имеет огромное биоло­гическое значение.

Однако не все виды повреждений ДНК репарируются, часть их проявляет­ся в виде мутаций. В частности, известно несколько мутаций, проявляющихся как тяжелые наследственные заболевания за счет нарушения процесса репарации. Примером может служить пигментная ксеродерма — рецессивная аутосомная мутация — сверхчувствительность к ультрафиолетовым лучам под влиянием которых на открытых частях тела появляются пигментные пятна вначале в виде веснушек, затем все более крупных папиллом (родинок на ножках) различной величины и формы и, наконец опухоли.