Спонтанный и индуцированный мутационный процесс. Радиационный мутагенез: генетические эффекты ионизирующего излучения и УФ-лучей. Закономерности «доза эффект»

Мутация - это скачкообразное изменение генетического материала под влиянием факторов внешней или внутренней среды, передающееся по наследству. Процесс образования мутаций называется мутагенезом, а факторы, вызывающие мутации, — мутагенами. Мутагены первоначально воздействуют на генетический материал особи, вследствие чего может измениться фенотип. Мутагенные факторы подразделяют на: физические; химические; биологические. К физическим мутагенным факторам относятся различные виды излучений, температура, влажность и др. К химическим мутагенам относятся: а) природные органические и неорганические вещества (нитриты, нитраты, алкалоиды, гормоны, ферменты и др.); б) продукты промышленной переработки природных соединений угля, нефти; в) синтетические вещества, ранее не встречавшиеся в природе (пестициды, инсектициды, пищевые консерванты, лекарственные вещества); г) некоторые метаболиты организма человека. Химические мутагены обладают большой проникающей способностью, вызывают преимущественно генные мутации и действуют в период репликации ДНК. К биологическим мутагенам относятся: а) вирусы (краснухи, кори, гриппа), б) невирусные паразитарные агенты (микоплазмы, бактерии, риккетсии, простейшие, гельминты). Спонтанная мутационная изменчивость – мутации, которые возникают в естественных условиях без специального воздействия какими-либо агентами. Мутационный процесс характеризуется главным образом частотой возникновения мутаций. Для спонтанного мутирования характерны следующие закономерности: различные гены в одном генотипе мутируют с разной частотой (есть гены мутабильные и стабильные); сходные гены в разных генотипах мутируют с разной частотой. На частоту мутаций оказывают влияние многие факторы, например: наличие особых генов-мутаторов; физиологическое состояние и биохимические изменения в клетках (при хранении семян в течение нескольких лет частота мутаций, особенно типа хромосомных перестроек, значительно увеличивается). Накопление в генотипе мутаций, блокирующих синтез тех или иных веществ, вследствие чего происходит накопление предшественников таких веществ, которые могут обладать мутагенной активностью. Индуцированный мутационный процесс – возникновение наследственных изменений под влиянием специального воздействия факторов внешней и внутренней среды. Так, впервые в 1925 году Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов получили мутации у дрожжей под действием ионизирующей радиации. Возникновение под влиянием ионизирующих излучений и ультрафиолетовых лучей наследственных изменений (мутаций). Под действием излучений возникают качественно те же мутации, что и без облучения, но значительно чаще; соотношение разных типов мутаций также может быть иным. Основные механизмы их действия: 1) нарушение структуры генов и хромосом; 2) образование свободных радикалов, которые вступают в химическое взаимодействие с ДНК; 3) разрывы нитей ахроматинового веретена деления; образование димеров. Используется в генетических исследованиях, в селекции промышленных микроорганизмов, сельскохозяйственных и декоративных растений. Повышение частоты вредных мутаций в результате увеличения содержания в биосфере радиоактивных изотопов - одна из основных опасностей радиоактивного загрязнения биосферы. Общая закономерность: с увеличением дозы - увеличивается степень повреждения системы; в процесс вовлекается все большее число составляющих её элементов. В зависимости от действующей дозы практически всякое вещество в определенных условиях может оказаться вредным для организма. На проявление зависимости "доза-эффект" оказывает существенное влияние внутри- и межвидовая изменчивость организмов. Действительно, особи, относящиеся к одному и тому же виду, существенно отличаются друг от друга по биохимическим, физиологическим, морфологическим характеристикам. Эти отличия в большинстве случаев обусловлены их генетическими особенностями. Еще более выражены, в силу тех же генетических особенностей, межвидовые различия. В этой связи дозы конкретного вещества, в которых оно вызывает повреждение организмов одного и того же и, тем более, разных видов, порой очень существенно различаются. Следовательно, зависимость "доза-эффект" отражает свойства не только токсиканта, но и организма, на который он действует. На практике это означает, что количественную оценку токсичности, основанную на изучении зависимости "доза-эффект", следует проводить в эксперименте на различных биологических объектах, и обязательно прибегать к статистическим методам обработки получаемых данных.

Химический мутагенез. Особенности мутагенного действия химических агентов. Факторы, модифицирующие мутационный процесс. Антимутагены. Мутагены окружающей среды и методы их тестирования.

Мутации - это наследуемые изменения генетической информации, хранящейся в ДНК клеток. Различные факторы химической и физической природы способны вызывать мутации. Наиболее изученными являются последствия действия ионизирующей радиации и таких веществ, как сернистый и азотистый иприты, эпоксиды, этиленимин, метилсульфонат и т.д. Химические вещества, способные вызывать мутации называются мутагенами. Методом введения большого числа точковых мутаций разной локализации в исследуемые части генов in vitro является химический мутагенез одноцепочечных участков рекомбинантных ДНК. Принцип метода заключается в том, что некоторые химические мутагены, такие как бисульфит натрия, гидроксиламин или метоксиламин, действуют только на одноцепочечные участки ДНК. Следовательно, получив молекулы ДНК, содержащие одноцепочечные бреши в исследуемых участках генов, можно с помощью бисульфита натрия дезаминировать остатки цитозина в этих участках, т.е. превратить их в остатки урацила. Химические соединения делятся на несколько групп:

1аналоги оснований по молекулярной структуре похожи на основания ДНК, приводят к мутациям потому, находясь в разных альтернативных состояниях, могут спариваться с нормальными основаниями. Н-р, 5-бромурацил в нормальном состоянии спаривается с аденином, а в редком таутомерном состоянии – с гуанином. В связи с этим возникает транзиция, когда 5-бромурацил включается в ДНК в нормальном состоянии, а при репликации ДНК превращается в таутомерную форму. 2агенты, модифицирующие основания – хим.соединения, изменяющие структуру и свойства основанй. К ним относятся дезаминирующие, алкилирующие, гидроксилиоующие соединения. Азотистая кислота (HNO2) – осуществляет окислительное дезаминирование, т.е. удаляет аминогруппы (-NH2) из таких оснований как гуанин, цитозин, аденин. Гуанин → ксантин, но, так как это пуриновое основание, то мутация не проявляется. После модификации цитозина получается урацил, в итоге происходит транзиция от C-G к Т-А в ходе репликации.также азотистая кислота модифицирует аденин в гипоксантин – основание спаривающееся с цитозином, а не с тимином,что продуцирует транзицию А-Т в G-C. Гидроксиламин (NH2OH) – специфично реагирует с цитозином, добавляя гидроксильную группу (-ОН), в результате чего он спаривается уже с аденином, а не гуанином. Индуцируется транзиция С-G в Т-А. 3интеркалирующие агенты – встраивают встраиваюи основания в одной или обеих цепях ДНК. Сюда относят: акридин, профлавин, этидиумбромид. Если интеркалирующий агент встраивается между основаниями в матричной цепи ДНК, дополнительное основание включается во вновь синтезируемую цепь и возникает мутация сдвига рамки. Методом введения большого числа точковых мутаций разной локализации в исследуемые части генов in vitro является химический мутагенез одноцепочечных участков рекомбинантных ДНК. Принцип метода заключается в том, что некоторые химические мутагены, такие как бисульфит натрия, гидроксиламин или метоксиламин, действуют только на одноцепочечные участки ДНК. Следовательно, получив молекулы ДНК, содержащие одноцепочечные бреши в исследуемых участках генов, можно с помощью бисульфита натрия дезаминировать остатки цитозина в этих участках, т.е. превратить их в остатки урацила. Химические соединения делятся на несколько групп: 1аналоги оснований по молекулярной структуре похожи на основания ДНК, приводят к мутациям потому, находясь в разных альтернативных состояниях, могут спариваться с нормальными основаниями. Н-р, 5-бромурацил в нормальном состоянии спаривается с аденином, а в редком таутомерном состоянии – с гуанином. В связи с этим возникает транзиция, когда 5-бромурацил включается в ДНК в нормальном состоянии, а при репликации ДНК превращается в таутомерную форму. Другой широко известный аналог основания – 2-аминопурин; 2агенты, модифицирующие основания – хим.соединения, изменяющие структуру и свойства основанй. К ним относятся дезаминирующие, алкилирующие, гидроксилиоующие соединения. Азотистая кислота (HNO2) – осуществляет окислительное дезаминирование, т.е. удаляет аминогруппы (-NH2) из таких оснований как гуанин, цитозин, аденин. Гуанин → ксантин, но, так как это пуриновое основание, то мутация не проявляется. После модификации цитозина получается урацил, в итоге происходит транзиция от C-G к Т-А в ходе репликации.также азотистая кислота модифицирует аденин в гипоксантин – основание спаривающееся с цитозином, а не с тимином,что продуцирует транзицию А-Т в G-C. Гидроксиламин (NH2OH) – специфично реагирует с цитозином, добавляя гидроксильную группу (-ОН), в результате чего он спаривается уже с аденином, а не гуанином. Индуцируется транзиция С-G в Т-А. Метиметансульфонат (ММС) – алкилирует гуанин, т.е. добавляет группы –СН или –СН2СН3 к кислороду в 6-ой позиции, в результате образуется О6-алкилгуанин или О6-метилгуанин, которые будут спариваться с тимином, а не с цитозином, давая транзицию G-C в А-Т; 3интеркалирующие агенты – встраивают встраиваюи основания в одной или обеих цепях ДНК. Сюда относят: акридин, профлавин, этидиумбромид. Если интеркалирующий агент встраивается между основаниями в матричной цепи ДНК, дополнительное основание включается во вновь синтезируемую цепь и возникает мутация сдвига рамки. Антимутагены (от анти... и мутагены), вещества, понижающие частоту мутаций, препятствующие мутагенному действию химических или физических агентов. А. условно можно разбить на 3 группы: 1) блокирующие действие автомутагенов, естественно возникающих в клетках в процессе метаболизма (антиавтомутагены), например фермент каталаза, который разрушает обладающую мутагенным действием перекись водорода. Эти А. обеспечивают сохранение определённого уровня спонтанных мутаций; 2) снижающие действие внешних, искусственных физических (ионизующей радиации и др.) или химических мутагенов. Такими А. являются сульфгидрильные соединения, сильные восстановители типа Na2S2O, некоторые спирты и углекислые соли. А. этих двух групп могут разрушать мутагены или конкурировать с важными в генетическом отношении структурами за взаимодействие с мутагеном, действовать как восстановители и т. д.; 3) ферментные системы, действующие непосредственно на уровне наследственных структур, т. е. «исправляющие» поврежденные мутагеном участки хромосомы. Мутационный эффект может быть также снят физическим воздействиями определённой интенсивности (светом, высокой и низкой температурой и др.). Действие мутагенов, рассеянных в окружающей среде, вызывает увеличение частоты возникновения мутаций, что ведет к росту так называемого генетического груза, выражающегося в увеличении наследственной патологии, а также частоты онкологических заболеваний. Мутагенные и канцерогенные свойства химических веществ тесно связаны между собой. Поэтому выявление возможных мутагенов в окружающей среде, испытание на мутагенность продуктов промышленного синтеза (красители, лекарственные средства, пестициды и др.) - важная задача современной генетики. Комплексные наборы биологических тест-систем для массового скрининга предназначены для выявления всех типов мутационных повреждений хромосом и.генов и должны быть чувствительны к малым дозам мутагенов. Ведь последствия суммарного и длительного воздействия низких доз мутагенов создают наибольший вклад в увеличение генетического груза: достаточные для индукции точковых мутаций, способных накапливаться в поколениях, они к тому же наиболее распространены в окружающей среде.