Мутагенез

А. Мутагенез — это внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (мутаций).

 

Виды мутагенеза:

1. Естественный, или спонтанный, мутагенез происходит вследствие воздействия на генетический материал живых организмов мутагенных факторов окружающей среды, таких как ультрафиолет, радиация, химические мутагены.

 Точечные мутации

a) Миссенс-мутация

b) Мутация сдвига рамки считывания

c) Нонсенс-мутация

d) Синонимическая сеймсенс-мутация.

 Хромосомные мутации

a) Инверсии

b) Реципрокные транслокации

c) Делеции

d) Дупликации и инсерционные транслокации

 Геномные мутации

a) Анеуплоидия

b) Полиплоидия

 Ядерные и цитоплазматические мутации

a) Ядерные мутации — геномные, хромосомные, точечные.

b) Цитоплазмотические мутации — связанные с мутациями неядерных генов находящихся в митохондриальной ДНК и ДНК пластид — хлоропластов.

2. Искусственный мутагенез широко используют для изучения белков и улучшения их свойств (направленной эволюции (англ.)).

 Ненаправленный мутагенез

 

Методом ненаправленного мутагенеза в последовательность ДНК вносятся изменения с определенной вероятностью. Мутагенными факторами (мутагенами) могут быть различные химические и физические воздействия — мутагенные вещества, ультрафиолет, радиация. После получения мутантных организмов производят выявление (скрининг) и отбор тех, которые удовлетворяют цели мутагенеза. Ненаправленный мутагенез более трудоемок и его проведение оправдано, если разработана эффективная система скрининга мутантов.

 Направленный мутагенез

 

В направленном (сайт-специфическом) мутагенезе изменения в ДНК вносятся в заранее известный сайт. Для этого синтезируют короткие одноцепочечные молекулы ДНК (праймеры), комплементарные целевой ДНК за исключением места мутации.

Канцерогенез (лат. cancerogenesis; cancer — рак + др.-греч. γένεσις — зарождение, развитие) — сложный патофизиологический процесс зарождения и развития опухоли. (син. онкогенез).

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

Б. Факторы мутагенеза:

 

Любые мутации могут возникнуть спонтанно или быть индуцированными.

Спонтанные мутации появляются под влиянием неизвестных природных

факторов и приводят к ошибкам при репликации ДНК.

 

Индуцированные мутации возникают под воздействием специальных

направленных факторов, повышающих мутационный процесс.

Мутагенным действием обладают факторы физической, химической и

биологической природы.

Среди физических мутагенов наиболее сильное мутантное действие

оказывает ионизирующая радиация - рентгеновские лучи, α-, β-, γ-лучи. Обладая большой проникающей способностью, при действии на организм они вызывают образование свободных радикалов ОН или НО2 из воды, находящейся в тканях. Эти радикалы обладают высокой реакционной способностью. Они могут расщеплять нуклеиновые кислоты и другие органические вещества.

Облучение вызывает как генные, так и хромосомные перестройки.

Ультрафиолетовое излучение характеризуется меньшей энергией, не

вызывающей ионизацию тканей. Действие УФ-излучения приводит к образованию тимидиновых димеров. Присутствие димеров в ДНК приводит к ошибкам при ее репликации.

- Химические мутагены должны обладать следующими качествами:

• высокой проникающей способностью;

• свойством изменять коллоидное состояние хромосом;

• определенным действием на состояние хромосомы или гена. К химическим

веществам, вызывающим мутации, можно отнести органические и неорганические вещества, такие, как кислоты, щелочи, перекиси, соли металлов, формальдегид, пестициды, дефолианты, гербициды, колхицин и др.

Некоторые вещества способны усиливать мутационный эффект в сотни раз по

сравнению со спонтанным. Их называют супермутагенами. Эти супермутагены

вызывают широкий спектр точковых мутаций в концентрациях меньше тех, которые индуцируют хромосомные перестройки, видимые под микроскопом.

Супермутагенной активностью обладают нитрозосоединения (иприт,

диэтилнитрозамин, уретан и др.).

Некоторые лекарственные препараты также обладают мутагенным эффектом.

Например, цитостатики, производные этиленимина, нитрозомочевина. Они

повреждают ДНК в процессе репликации.

Химические мутагены могут вызывать нарушение мейоза, приводящее к

нерасхождению хромосом, разрыву хромосом, точковым мутациям. Некоторые

химические мутагены проходят через метаболическую систему организма самыми непредсказуемыми путями, превращаются в другие соединения. При этом они могут потерять свою мутагенную активность, или приобрести такие мутагенные свойства, которые отсутствовали у исходного соединения. Некоторые немутагенные химические вещества, включившись в обмен веществ, превращаются в мутагены.

Например, цитостатик - циклофосфамид - не мутаген, но в организме

млекопитающих превращается в высокомутагенное соединение.

Кроме мутагенов физической и химической природы, в окружающей среде

имеются биологические факторы мутагенеза.

 

Вирусы оспы, кори, ветряной оспы, эпидемического паротита, гепатита,

краснухи и др. способны вызывать разрывы хромосом. Вирусы могут усиливатьтемпы мутации клеток хозяина за счет подавления активности репарационныхсистем. Есть данные о возрастании числа хромосомных перестроек в клеткахчеловека после пандемий, вызванных вирулентными вирусами.

Возникновение мутаций приводит к различным патологиям. Для предотвращения негативных последствий, связанных с действием различных

мутагенных факторов среды, проводят мероприятия, снижающие вероятность

возникновения мутаций. С этой целью используют вещества, называемые

антимутагенными. В настоящее время выделено около 200 природных и

синтетических соединений, обладающих антимутагенной активностью. Это

аминокислоты (гистидин, метионин и др.), витамины (токоферол, каротин, ретинол,аскорбиновая кислота и др.), ферменты (оксидаза, каталаза и др.), интерферон и др.

Потребляемая пища содержит большое количество мутагенов и антимутагенов. Их соотношение зависит от способов обработки пищи, сроков ее

хранения и т.д. Правильное питание - один из путей предотвращения вредного воздействия мутагенных факторов среды.

В. мутации

Г. Процесс реконструкции поврежденной ДНК называют восстановлением или репарацией ДНК. Репарация наследственного материала заключается в ферментативномразрушении измененного участка молекулы ДНК с восстановлением на этом участкепоследовательности нуклеотидов, комплементарной фрагменту неповрежденноймолекулы ДНК.

 

В некоторых случаях фермент может разрушить фрагмент нормальной

молекулы ДНК, комплементарной измененному, в результате чего образуется

мутантная двойная спираль. Так как молекула ДНК - двойная спираль, то образование генной мутации происходит в два этапа. Сначала изменение затрагивает одну молекулу биоспирали. Это называется молекулярной гетерозиготностью или потенциальной мутацией. Если эти изменения затрагивают гомологичный локус комплементарной молекулы, то возникает истинная мутация и достигается состояние молекулярной гомозиготности. Мутация наследуется всеми потомками мутировавшей клетки. Переход в состояние молекулярной гомозиготности является результатом ошибок репарации. Репарация или коррекция молекулярных нарушений структуры ДНК приводит к устранению из наследственного материала клетки измененного участка.

Д. Три основных механизма репарации ДНК:

 

1. Фотореактивация. Действие видимого света на клетки, предварительно

обработанные УФ - излучением, приводит к снижению летального эффекта в несколько раз, т.е. к реактивации функций облученных клеток. Реактивирующее действие видимого света связано с расщеплением пиримидиновых димеров. Этот процесс обеспечивается светозависимым фотореактивирущим ферментом.

2. Темновая репарация.

В отличие от фотореактивации в данном случае репарация поврежденной ДНК

не нуждается в энергии видимого света. Этот процесс также происходит при участии ферментов. Тиминовые димеры вырезаются из цепи ДНК, в которой остаются бреши. На их места при участии фермента ДНК-полимеразы восстанавливается участок молекулы ДНК, в соответствии с информацией, имеющейся на комплементарной цепи. Фермент ДНК - лигаза принимает участие в восстановлении репарируемой молекулы ДНК.

3. Пострепликационная репарация функционирует в синтетическом периоде

митотического цикла. В премитотическом периоде участки молекулы ДНК, имеющие тимидиновые димеры -Т-Т-, не редуплицируются, на их месте образуются бреши. Недостающие фрагменты достраиваются в соответствии с комплементарностью цепи ДНК, что позволяет синтезировать нормальную молекулу ДНК и избежать наследования первичного мутационного изменения дочерними клетками.