Наследственность и влияние на человека факторов среды: введение

Синтез новой нити ДНК на ДНК-матрице, содержащей 7-алкилгуаниновые звенья, проходит без ошибок и мутаций не возникает. Напротив, полинуклеотид, синтезированный на матрице, содержащей О-алкилир. звенья, содержит ошибочно включенные пуриновые и пиримидиновые основания. С возрастанием способности к О-алкилированию у простейших алкилирующих агентов возрастает канцерогенная активность.

Мутации, возникающие при действии метилметансульфо-ната, не алкилирующего основания ДНК по атому О, являются следствием ошибок работы ферментов клетки, восстанавливающих исходное (неизмененное) состояние ДНК.

Спектр повреждений ДНК при действии нуклеоф. мутаге-нов (гидроксиламин, О-метилгидроксиламин, гидразины, бисульфит Na) значительно уже. В осн. это модификация цитозина, направление и механизм к-рой иллюстрирует след. схема:

Др. нуклеоф. агенты реагируют аналогично, но константы скорости отдельных стадий могут существенно меняться. Особенность действия бисульфита на ДНК-замена цитози-новых звеньев на урацилъные в результате дезаиминирова-ния цитозина по схеме:

Ряд М. вызывают мутации, не связываясь ковалентно с ДНК. Так, нек-рые гетероциклич. соед. (напр., акридин и его производные), обладающие жесткой плоской структурой молекулы, встраиваются (интеркалируют) между смежными, расположенными стопкой, парами оснований двойной спирали ДНК. В этом случае матричный синтез на ДНК протекает с ошибками. В синтезируемой нити ДНК оказывается на один нуклеотид больше или меньше обычного и возникают мутации.

Особый класс М. составляют соед., представляющие со-бой аналоги оснований ДНК-5-галогенурацилы, 2-амино-и 6-метиламинопурины и др. Галогенурацилы включаются в ДНК при матричном синтезе вместо тимина, 2-амино-пурин-вместо аденина. Вследствие различий в положении кетоенольного равновесия у тимина и галогенурацилов (при включении последних в ДНК) увеличивается частота ошибочных спариваний оснований и возникают ошибки при репликации.

Существуют также  М., ингибирующие синтез предшественников ДНК. Мишень таких М.-ферменты, синтезирующие компоненты ДНК. Считается, что в результате подавления синтеза предшественников происходит замедление или даже остановка синтеза ДНК. В этих условиях повышается вероятность того, что решшкац. система клетки может пропустить отсутствующий нуклеотид, либо включить вместо отсутствующего нуклеотида другой, ошибочный; следствие обоих событий-мутация.

Мутагенные и канцерогенные св-ва хим. в-в тесно связаны между собой. Поэтому выявление возможных М. в окружающей среде, испытание на мутагенность продуктов пром. синтеза (красители, лек. ср-ва, пестициды и др.)-важная задача совр. генетики. Разработаны тест-системы для экспресс-обнаружения М. Наиб. часто используют тест Б. Эймса и его модификации. Для их осуществления используют специально полученные штаммы бактерий Salmonella typhimurium, к-рые не способны синтезировать гистидин из-за генетич. нарушений. Этот штамм поэтому не может расти в среде, в к-рой отсутствует эта аминокислота. Др. его особенность-способность в результате обратной мутации приобретать исходную способность синтезировать гистидин из обычных предшественников (NH₃ и др.). Частота обратных мутаций заметно увеличивается под действием М. и может служить критерием их активности. В тестах используют лишенную гистидина питат. среду, в к-рую добавляют экстракт из печени крыс, содержащий ферменты эндоплаз-матич. ретикулума, способные превращать в-во в мутаген-ную (канцерогенную) форму. В случаях, когда в-во обладает мутагенной активностью, наблюдается активный рост колоний бактерий. Время тестирования-ок. 24 ч (на тестирование с использованием эксперим. животных затрачивается 2-3 года).

М. физические. Мутации при действии физических М. возникают так же, как и при действии М. химических. Вначале возникает первичное повреждение ДНК. Если оно не будет полностью исправлено в результате репарации, то при послед. репликативном синтезе ДНК будут возникать мутации. Специфика мутагенеза (процесса возникновения мутаций) при действии физ. факторов связана с характером первичных повреждений генома, вызываемых ими.

Подробно изучены  повреждения ДНК, возникающие в результате действия электромагн. излучения разной длины волны. Электромагн. излучение с длиной волны больше 300 нм не поглощается ДНК, однако в нек-рых случаях может оказывать мутагенное действие, механизм к-рого заключается в поглощении кванта света молекулой сенсибилизатора и передачей энергии возбуждения на ДНК. При действии света с длиной волны 200-300 нм (l_макс поглощения ДНК 260 нм) происходит поглощение квантов света хромофорными группами ДНК (пуриновые и пиримидиновые основания) и переход последних в возбужденное состояние. В обоих случаях б.ч. поглощенной энергии рассеивается и основания ДНК возвращаются в исходное, невозбужденное, состояние, но часть возбужденных оснований подвергается фотохим. трансформации.

В наиб. степени это относится к тимину, остальные основания более устойчивы. Энергия излучения, поглощенная тимином, локализуется в осн. на двойной связи цикла; следствием этого является образование в составе ДНК димеров:

Возбужденная двойная связь способна также присоединять нуклеофилы с образованием, напр., нестойкого гидрата тимина:

При облучении ДНК дальним УФ светом (185 нм) возможно и фотоокисление тимина с образованием его гидроперок-сида (ф-ла VI).

Предполагают, что  осн. предмутац. повреждение ДНК, возникающее при действии УФ света, связано с образованием димеров тимина.

Электромагн. излучения еще более высокой энергии (рентгеновское и у-излучение) способны ионизовать в-во. Ионизация происходит случайным образом, поэтому молекулы, являющиеся наиб. распространенными в объекте, больше других под вергаются ионизации. При облучении живой материи, на 70-90% состоящей из воды, б. ч. энергии будет поглощена молекулами воды и поэтому мутагенный эффект при действии этих агентов возникает гл. обр. вследствие модификации ДНК продуктами радиолиза воды. Наиб. вклад в развитие радиац. поражения ДНК вносит радикал ОН^.. При взаимод. с ДНК 80% всех радикалов ОН^. атакуют основания ДНК, остальные-дезоксирибозную часть молекулы. Возникающие первичные продукты затем вступают в разнообразные вторичные р-ции как с теми же продуктами радиолиза воды, так и с кислородом, белками, низкомол. компонентами клетки, а также подвергаются диспропорционированию, изомеризации, гидролизу. Возникает широкий спектр разнообразных изменении первичной и вторичной структуры ДНК: измененные основания, апури-новые и апиримидиновые сайты (участки с удаленными основаниями), разрывы связей в дезоксирибозе, одно- и двунитевые разрывы цепей ДНК. Точная роль каждого из возникающих повреждений структуры ДНК в формировании мутагенного эффекта все еще остается невыясненной. Предполагают, что ключевую роль в этом процессе играют продукты радиолиза тимина.

В тимине первичной атаке радикалом ОН^. подвергается двойная связь цикла с образованием двух радикалов с радикальными центрами в положениях 5 и 6, с преобладанием первого. В присут. кислорода из радикала образуется гидро-пероксид, к-рый уже при комнатной т-ре разлагается с раскрытием цикла:

Радиационно-хим. изменения цитозина также протекают через стадию образования аналогичного, но еще более нестабильного гидропероксида. В случае цитозина и аденина возможно также дезаминирование оснований. Пуриновые основания (аденин, гуанин) реагируют с радикалом ОН^. с меньшей скоростью. Идентифицированы, напр., продукт гидроксилирования аденина (8-гидроксиаденин), а также продукты раскрытия имидазольного кольца этих оснований.

В дезоксирибозном остатке молекулы ДНК радикал ОН^. способен атаковать и отрывать атом Н из любого положения цикла. Конечный результат радиационно-хим. модификации этой части молекулы ДНК - образование малонового диальдегида, сопровождающееся разрывом N-гликозидной связи с отщеплением неизмененного основания, и, в итоге, однонитевых разрывов ДНК. Затем уже возникают и двунитевые разрывы ДНК в результате статистич. накопления однонитевых разрывов в противоположных участках двух цепей ДНК.

Известно прямое действие радиации на молекулы-мишени, в результате к-рого макромолекулы превращ. в своб. радикалы по схеме:

Судьба образовавшихся радикалов R^., вероятно, схожа с судьбой радикалов, возникающих при непрямом действии радиации.

Механизм действия др. видов ионизирующего излучения (a-частицы, протоны, нейтроны, электроны, ускоренные ядра более тяжелых элементов) близок к механизму действия ионизирующего электромагн. излучения. Отличия обусловлены гл. обр. разницей в массе, заряде, энергии и глубине проникновения излучения в объект, способом ионизации макромолекул и др. Имеются сведения, что воздействие нек-рых др. физ. факторов, напр. звуковых колебаний, вибрации, могут также привести к мутации.