РАССКАЗЫ ПРО МУТАГЕНЕЗ

 

МУТАГЕНЕЗ - процесс возникновения в организме наследственных изменений - мутаций, появляющихся естественно (спонтанно) или вызываемых (индуцируемых) различными физическими или химическими факторами — мутагенами. В основе Мутагенеза лежат изменения в молекулах нуклеиновых кислот, хранящих и передающих наследственную информацию. Эти изменения выражаются в виде генных мутаций или хромосомных перестроек.

Стволовые клетки - надежда регенеративной медицины. Фото с сайта ВВС

Ген-направленный мутагенез у мышей с использованием эмбриональных стволовых клеток

Термин «мутация» был предложен голландским ученым де Фрисом (Н. de Vries) в 1901 г. Различают спонтанные мутации, возникающие с относительно низкой частотой, а также индуцированные мутации, вызываемые воздействием мутагенных агентов (мутагенов). Существует три группы мутагенов: физические, химические и биологические. К физическим мутагенам относят нагревание, различные виды ионизирующих излучений (рентгеновское, a- b- и g-лучи, нейтроны, мезоны и другие элементарные частицы, и ионы высоких энергий), а также ультрафиолетовое и микроволновое излучение. Мутагенное действие характерно для Уф - лучей. Первичный эффект ионизирующих и ультрафиолетовых излучений заключается в образовании одиночных или двойных разрывов в молекуле ДНК.

Механизм Мутагенез для разных мутагенов неодинаков. Ионизирующие излучения действуют на нуклеиновые кислоты непосредственно, ионизируя и активируя их атомы. Это приводит к разрывам углеводно-фосфатного остова молекулы и водородных связей между комплементарными нитями ДНК, образованию «сшивок» между этими нитями, разрушению азотистых оснований, особенно пиримидиновых.

Прямое действие ионизирующей радиации на хромосомы и содержащуюся в них ДНК обусловливает почти линейную зависимость между дозой облучения и частотой вызываемых облучением генных мутаций и нехваток (малых делеций); однако для тех типов хромосомных перестроек, которые возникают в результате двух разрывов хромосомы (более крупные делеции, инверсии, транслокации и др.), зависимость между дозой облучения и их частотой имеет более сложный характер.

Мутагенное действие ионизирующих излучений может быть и косвенным, т. к. прохождение их через цитоплазму или питательную среду, в которой культивируются микроорганизмы, вызывает радиолиз воды и возникновение свободных радикалов и перекисей, обладающих мутагенным действием. Ультрафиолетовое излучение возбуждает электронные оболочки атомов, что вызывает различные химические реакции в нуклеиновых кислотах, приводящие к мутациям.

Некоторые мутагены нарушают цитоплазматический аппарат митоза, следствием чего является нерасхождение всех разделившихся хромосом или неправильности в распределении их между дочерними клетками; в первом случае возникает полиплоидия, во втором — анеуплоидия.

Мутация цвета глаз у мушки - дрозофилы

Известны химические вещества, специфически действующие таким образом (например, алкалоид колхицин). На ход Мутагенеза оказывают значительное влияние различные внешние факторы. Так, частота мутаций, индуцируемых ионизирующими излучениями, возрастает при поступлении в клетку кислорода и падает при его недостатке, например, если облучение происходит в атмосфере азота. Некоторые вещества подавляют Мутагенез. Например, введение в клетку аденозина или гуанозина тормозит мутагенное действие аналогов пуриновых азотистых оснований; фермент каталаза снижает мутагенный эффект ионизирующих излучений и т. д. При действии некоторых химических мутагенов мутации могут возникать как сразу, так и спустя известное время, иногда через несколько клеточных поколений.

М.С. Навашин

Впервые в 1935 году М.С. Навашиным и Е.Н. Герасимовой было показано, что в проростках старых семян наблюдается резко увеличенное число клеток с разнообразными цитогенетическими изменениями. Этими учеными сформулировано положение о мутационном процессе как физиологическом явлении и о необходимости поиска основных факторов мутационного процесса внутри организма. В связи с этим появились гипотезы о разрушении с возрастом генетической информации в клетках организма. Широкое распространение получила так называемая “соматическая мутационная теория”, которая основывается, прежде всего, на исследованиях, показавших, что с возрастом в соматических клетках организмов увеличивается число генетических нарушений. Генетически дефектные клетки не способны выполнять возложенные на них функции и накопление такого рода клеток неминуемо приводит к разнообразным патофизиологическим изменениям, наблюдаемым при старении организма. Было обнаружено, что с возрастом в лимфоцитах крови человека появляются клетки с нарушениями в числе хромосом.

Такие особенности отмечены не только для человека, но и для мышей, кур, амфибий и других позвоночных животных. Чем меньше видовая продолжительность жизни данной особи, тем стремительнее у неё происходит накопление клеток с цитогенетической патологией. Было установлено, что частота эритроцитов с микроядрами (микроядра - результат отставания хромосом или их фрагментов при делении эритробластов - ядросодержащих предшественников эритроцитов) наименьшая у долгоживущих организмов (человек, слон) и наибольшая у короткоживущих (мышь, хомяк, бурозубка). Совершенно очевидно, что у долгоживущих организмов эволюционно должны сформироваться особые системы, которые призваны поддерживать генетический гомеостаз (постоянство) организма, более тщательно, чем это наблюдается у животных с непродолжительным периодом жизни. Как правило, короткоживущие организмы имеют большое число потомков и это компенсирует “недостатки” системы “надзора” за генетическим постоянством клеток организма. Можно сказать, что в эволюции как бы образуются две ветви, первая особи с короткой жизнью, а вторая те организмы, которые живут долго и на протяжении своей жизни неоднократно сталкиваются с самыми разнообразными мутагенными факторами, которые могут снизить их жизнеспособность и, чтобы этого не произошло, возникают особые системы, призванные контролировать генетический гомеостаз организма.

Известно, что продолжительность жизни среди отдельных представителей данного вида также весьма различается. Еще в 1950 году в Университете штата Айова в городе Эймсе были получены карликовые мыши, которых ученые так и стали называть - “эймские карликовые мыши”. Взрослые представители имеют вес всего около 3-5 грамм. Исследования на этих мышах проведенные профессорами университета Южного Иллинойса Анджеем Барке и доктором медицины Холли Браунборгом показали, что продолжительность жизни этих карликовых мышей почти в два раза выше, чем у обычных мышей, а выведенные методом генной инженерии мыши - гиганты не доживают и одного года. Оказывается продолжительность жизни пони (карликовая лошадь) и маленьких пород собак также значительно больше, чем у особей нормального и, особенно, большого роста. Обычно маленький рост связан с низкой выработкой ростового гормона. Кроме того установлено, что у “гигантов” в крови наблюдается повышенный уровень так называемых свободных радикалов, у них гораздо чаще появляются активные формы кислорода, которые вызывают окисление липидного компонента мембран и ядерных структур клетки.

Периодически среди людей появляются люди-гиганты, это болезненное состояние объединяют под общим названием - гигантизм. Эти люди также мало живут и, как свидетельствуют наши исследования у них в крови повышено число клеток с цитогенетическими нарушениями. Результаты обследования почти 30000 людей, проживающих в районе Семипалатинского полигона с применением микроядерного теста, также позволяют высказать мнение, что у высокорослых людей частота цитогенетических измененных клеток в этих экстремальных условиях радиационного загрязнения выше, чем у низкорослых.

У человека, в редких случаях наблюдается преждевременное старение или прогерия. Различают прогерию у детей или синдром Гетчинсона-Гилфорда и прогерию у взрослых или болезнь Вернера. В литературе описано около 70 случаев с прогерией у детей. При этом заболевании отмечается поражение эндокринных желез и отмечается слабая способность к восстановлению однонитевых разрывов в молекуле ДНК. Патологоанатомы отмечают у этих людей склеротические изменения в различных органах. Продолжительность жизни по разным прогнозам от 7 до 27 лет. Больные погибают со всеми признаками резкого старения организма.

Дети с синдромом Гетчинсона-Гилфорда

Хорошо изучена и так называемая болезнь Вернера у взрослого человека, которая сопровождается быстрым преждевременным старением организма. Установлено, что клетки этих больных имеют сниженную способность к репарации молекул ДНК. Основные клинические симптомы этого наследственного заболевания - раннее появление катаракт, подкожная кальцификация, преждевременное поседение, преждевременный атеросклероз, сахарный диабет, повышенная частота злокачественных опухолей, выраженная хромосомная нестабильность.

Гипотеза о том, что причины старения и смерти можно свести к свойствам отдельной клетки данного организма была высказана еще в 1881 году Августом Вейсманом. Это предположение было подтверждено в начале 60-х годов в экспериментах Хейфлика, который культивировал фибробласты эмбриона человека в специальных питательных средах. Оказалось, что вне организма клетки могут совершить от 40 до 60 делений, но затем клетки деградируют, в них появляются все признаки старения и они гибнут. Если взять клетки от взрослого человека, то число делений, которое они могут претерпеть гораздо меньше, чем клетки от эмбриона. Характерно, что у людей с прогерией клетки могут совершить не более 9-11 делений в условиях культуры клеток. У короткоживущих видов, например у мыши, фибробласты эмбриона могут совершить только 14-28 делений. Обращает на себя внимание то, что при длительном культивировании наблюдается постепенное накопление в клетках культуры большого числа генетически дефектных клеток. Уже через 20-30 делений в культуре более 50% клеток имеют самые разнообразные генетические дефекты. Интересно отметить, что раковые клетки растут в условиях культуры практически бесконечно долго. Например, культура клеток HeLa, которая была получена еще в 50-ых годах при удалении опухоли у негритянки в США, прекрасно растет и размножается во многих лабораториях мира уже почти 50 лет. Клетки этой опухоли совершили несколько десятков тысяч делений. При этом практически все клетки этой культуры имеют хромосомный набор, существенно отличающийся от нормального хромосомного набора человека. Это свидетельствует о том, что клетки раковых опухолей “забыли” сколько они должны совершить делений и они, в отличие от нормальных соматических клеток, как бы бессмертны.

Несомненно, что частота рождения детей с генетическими аномалиями повышается у старых родителей. Большая часть детей с синдромом Дауна (больные имеют три 21 хромосомы) рождаются матерями, возраст которых старше 35 лет. От старых отцов гораздо чаще, чем от молодых появляются дети с такими наследственными заболеваниями как ахондроплазия, нейрофиброматоз, синдром Аперта и др. Кроме того, у матерей беременных от старых отцов часто наблюдаются выкидыши, поскольку эмбрионы отягощены доминантными летальными (смертельными) мутациями.

К старости изменяется мутагенная чувствительность лимфоидных клеток организма. Облучение этих клеток рентгеновскими лучами приводит к более выраженным поражениям в хромосомном аппарате клеток, полученных из крови людей старшей возрастной группы. Показано, что частота лимфоцитов с цитогенетическими нарушениями при заболевании гриппом различна у детей (2-5 лет), лиц среднего возраста (17-35 лет) и в старшей возрастной группе (65-80 лет). Особенно высокий уровень цитогенетических измененных клеток наблюдается у лиц старшей возрастной группы. Совершенно очевидно, что генетически дефектные клетки не могут нормально выполнять свои функции и поэтому накопление, какого рода клеток может серьезно усугубить здоровье индивидуума.