Роль мутации в эволюции живого (стр. 6 из 7)

Косвенное действие ионизирующих излучений. Ионизации в живом организме прежде всего могут подвергаться молекулы воды – основного компонента цитоплазмы. Процесс разложения молекул воды на атомы кислорода и водорода с образованием свободных радикалов H и OH называют радиолизом воды *. Свободные радикалы существуют всего две десятимиллионные (2*10

) доли секунды, но они могут непосредственно реагировать с белками и нуклеиновыми кислотами, оказывая на них сильное действие и изменяя наследственные структуры. Очевидно, действие свободных радикалов на хромосомы может быть различным в зависимости от того, каким запасом энергии они обладают. Если энергия их мала, они вызывают преимущественно точковые (генные) мутации; когда они наделены большой энергией, происходят крупные перестройки хромосом, сопровождаемые множеством летальных мутаций.

Продленный мутагенез. По современным представлениям, появление мутации не одномоментный акт реакции мутагена с участком хромосомы или геном, а очень сложный процесс. Он состоит из трех этапов. На первом этапе в результате взаимодействия мутагена и молекулы ДНК возникают первичные молекулярные повреждения в хромосоме. Второй этап, получивший название предмутационного состояния, связан с изменением структуры ДНК. На третьем этапе появляется собственно мутация как следствие фиксации потенциального изменения.

Первый этап обычно бывает очень кратковременным, иногда он длится всего 10

– 10 секунд, второй может быть длительным, охватывая ряд клеточных циклов, а у одноклеточных организмов – и несколько поколений особей. Потенциальные изменения бывают короткоживущими, длительными и сверхдлительными. В последнем случае они реплицируются и могут проходить через ряд синтезов ДНК. В соответствии с этим наблюдается разнообразие типов продленного мутагенеза.

Модифицирование мутагенного эффекта. Частоту и спектр мутаций, индуцируемых определенными мутагенами у данного объекта, можно существенно менять, т. е. модифицировать. Это достигается путем изменения режима мутагенной обработки или применением до, во время или после воздействия некоторых специфических агентов.

Повреждающее влияние ионизирующих излучений, в частности лучей Рентгена, на хромосомный аппарат и ростовые процессы клеток можно в значительной степени снижать путем воздействия многими факторами, например химическими веществами, температурой и т. д. Агенты, обладающие способностью понижать частоту спонтанных или индуцированных мутаций, называются антимутагенами*.

В опытах по облучению дрозофилы и некоторых растений было установлено, что эффект ионизирующей радиации в сильной степени зависит от того, в присутствии кислорода или без него он проводится. Оказалось, что бескислородная среда является защитным средством против ионизации, облучение же в атмосфере чистого кислорода резко увеличивает процент мутаций. Возрастание частоты мутаций при действии ионизирующей радиации в присутствии кислорода получило название кислородного эффекта5.

______________________________________

5Рапопорт И. А. Гены, эволюция, селекции: Избр. труды – М., Наука, 1996

4.2.Генетическая токсикология.

Следует отметить, что загрязнение окружающей среды опасно не только ныне живущему поколению, но часто представляет опасность для грядущих поколений, поскольку многие загрязнители мутагенны. Выявление и устранение генетически активных факторов из среды обитания человека – задача генетической токсикологии, которая представляет собой наиболее активно развивающийся раздел экологической генетики. Это объясняется ее огромным прикладным значением.

Парадоксально, но факт, что открытие индуцированного мутационного процесса потребовало значительных усилий от исследователей: вспомним, что Г. Дж. Меллер получил Нобелевскую премию за открытие мутагенного действия рентгеновских лучей. Теперь же мутагены обнаруживаются на каждом шагу. Многие продукты производственной деятельности человека, появляющиеся как результат так называемого технического прогресса, обладают генетической активностью. При этом мы не говорим об отходах производства. Это могут быть лекарства, консерванты, пищевые добавки и красители, косметика, не говоря уже о дыме сигарет и излучениях, сопровождающих «мирный атом», тем более оружие массового уничтожения – ядерное и химическое.

Генетически активные факторы. В генетической токсикологии принято говорить не только о мутагенах, но и, более широко, о генетически активных факторах. Не всегда удается определить непосредственный мутагенный эффект того или иного воздействия, но можно показать его влияние на кроссинговер, т. е. рекомбинацию генов или индукцию репаративного синтеза ДНК, сопровождающего многие повреждения генетического материала.

Таким образом, мутагенез, рекомбинагенез и индукция репаративного синтеза ДНК – это показатели генотоксичности* или генетической активности исследуемого фактора.

Генетически активные факторы делятся на физические, химические и биологические. К физическим факторам относятся температура, ионизирующая радиация, ультрафиолетовый свет и т. д. Химические генетически активные факторы гораздо труднее поддаются перечислению и классификации. Достаточно сказать, что к ним относятся любые вещества, прямо или косвенно нарушающие структуру и воспроизведение молекул ДНК. Выхлопные газы автотранспорта и выбросы в атмосферу производственных предприятий содержат алкилирующие соединения (их называют радиомиметиками), органические соединения ртути, полициклические углеводороды, обладающие генетической активностью. Многие химические соединения сами по себе не проявляют генетической активности, но их легко активизируют внутриклеточные метаболиты, а иногда и соединения, находящиеся в окружающей организм среде. Например, распространенные соли азотной кислоты легко превращаются в нитраты (соли азотистой кислоты) – мутагены, дизаминирующие основания ДНК.

С некоторых пор ( у нас с 1979 года) все новые химические соединения (а всего их в обиходе более 5,4 млн.) проходят проверку на генетическую активность. Это своеобразная служба генетической безопасности, использующая богатый арсенал различных тест-систем для выявления генетической активности. Эти системы позволяют учитывать мутации генов, их рекомбинации, потери и другие аберрации хромосом, нарушение деления ядра, индукцию репарации ДНК и т. д. При этом используются различные объекты: бактерии, дрожжи и другие низшие грибы, плодовая мушка-дрозофила, растения, культура клеток животных и человека.

Наибольший интерес представляет генетическая активность исследуемых агентов для человека. Поскольку прямое исследование их действия на человека невозможно, приходится ограничиваться результатами, получаемых на модельных объектах. Эти результаты в значительной степени справедливы и для человека из-за биологической универсальности свойств генетического материала – это всегда ДНК. Тем не менее экстраполяция получаемых результатов на человека всегда представляем некоторые сложности, так как наряду с принципом биологической универсальности следует учитывать и специфику объектов, имеющих свои особенности реагирования на мутагены.

В качестве примера расскажем только об одной тест-системе, получившей широкое распространение при первичном выявлении генетической активности. Эта система, разработанная в 60-е годы 20 века американским исследователем Б. Эймсом, который длительное время изучал мутации в генах, контролирующих биосинтез гистидина у Salmonellatyphimuium. Работа Эймса, прекрасный пример того, как первоначально чисто теоретическое исследование, направленное на выяснение структуры и функции гена, приобрела сугубо практическое значение. Имея в своем распоряжении подробно охарактеризованные мутанты сальмонеллы, нуждающиеся в гистидине, зная молекулярную природу мутационных изменений: замены, вставки или выпадения пар оснований в ДНК гена или более крупные перестройки генетического материала, Эймс предложил изучить реверсии гистидиновых мутантов, то есть восстановление у них способности синтезировать гистидин, и, следовательно расти на среде без гистидина в результате воздействия различных мутагенов.

Тест очень прост: достаточно засеять среду без гистидина мутантом сальмонеллы, нуждающемся в гистидине (который естественно не растет на такой среде), и нанести в центр используемой для этого чашечки Петри испытуемое химическое соединение. Через 2-3 суток можно видеть появление колонии мутантов (в данном случае реверантов) вокруг пятна нанесенного вещества, если оно обладает генетической активностью (рис. 4).

С применением теста Эймса впервые были показаны мутагенные эффекты сигаретного дыма, некоторых пищевых красителей, консервантов и т. д.

Особый интерес представляют биологические генетически активные факторы, поскольку их существование указывает на генетическую активность синэкологических отношений. В конце 30-х годов С. М. Гершензон установил мутагенный эффект ДНК и вирусов. Позже было выяснено, что хромосомные аберрации в соматических клетках вызывают вирусы оспы, кори, ветряной оспы, гриппа, гепатита. Привести подобных примеров можно множество.