Мутагены

Типы мутагенов

В природе существует множество различных мутагенов. Под их влиянием в организмах постоянно возникают разнообразные мутации. Мутагены чаще всего классифицируются по природе воздействующих факторов. Различают физические, химические и биологические мутагенные факторы. Мутагены также подразделяют на группы по их происхождению – спонтанные и индуцированные. Спонтанные мутагены действуют в нормальных природных условиях без видимых причин, а индуцированные специально применяются человеком для инициирования мутаций. Однако и в спонтанном, и в индуцированном мутагенезе действующим началом выступают или физические, или химические, или биологические свойства мутагенов.

Ранее других, еще в начале XX века, были открыты физические мутагены. Среди них наиболее известна радиация. В 30-х годах Т. Морган использовал воздействие ионизирующей радиации в опытах с дрозофилой. В это же время был открыт химический мутагенез, и у истоков этого открытия стояли отечественные ученые. Так, генетики В.В. Сахаров и М.Е. Лобашев показали, что под действием химических соединений (иод, уксусная кислота, аммиак) увеличивается частота мутаций в клетках растения гречиѸи. Позже И.А. Рапопорт (СССР) и Ш. Ауэрбах (Великобритания) открыли мощные химические мутагены, названные ими супермутагенами.

В настоящее время нередко к физическим, химическим, биологическим мутагенам добавляют еще мутагены окружающей среды и лекарственные мутагены.

Физические мутагены

До 20-х годов ХХ века генетики имели дело только со спонтанными мутациями. Лишь в 1925 году советские микробиологии Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов использовали «лучи радия» в целях повышения частоты наследственной изменчивости у низших грибов. В 1927 году Г. Меллер применил рентгеновские лучи в опытах с дрозофилой. При этом он предложил количественный метод учета рецессивных летальных мутаций в X-хромосоме у этого объекта, что стало классическим и поныне широко используемым методом генетики.

Открытия с использованием физических мутагенов для получения индуцированных мутаций способствовали привнесению этого метода в практическую работу генетиков. На их основе был открыт целый ряд основных положений теории мутационного процесса.

К ионизирующим излучениям относят электромагнитные, рентгеновские и гамма-лучи, а также элементарные частицы (альфа, бета, нейтроны и др.). В процессе воздействия ионизирующих излучений на организм компоненты клетки, в том числе молекулы ДНК, поглощают определенное количество (дозу) энергии. При этом одна и та же доза может быть достигнута при слабой интенсивности облучения в течение длительного времени либо путем кратковременного облучения с высокой интенсивностью. Последствием облучения могут быть разрыв водородных связей в двойной спирали молекулы ДНК, разрывы одной или двух цепей ДНК, образование новых устойчивых связей (сшивок) между двумя цепями одной молекулы ДНК, между различными молекулами ДНК или между ДНК и молекулами белков. Экспериментально был получен следующий вывод.

Частота возникновения (индукции) мутаций пропорциональна дозе облучения. С увеличением дозы возрастает вероятность поражения.

Радиационное повреждение генетического материала не является прямым источником возникновения изменений в клетках организма, поврежденных облучением. Дело в том, что у любых организмов в клетках присутствует вода. Поэтому излучение не только непосредственно «ударяет» по чувствительным генетическим структурам, но и действует на них косвенно за счет разложения воды. Этот процесс приводит к образованию короткоживущих, так называемых свободных радикалов (водорода H+ и гидроксила OH-), объединяющихся с образованием либо воды, либо химически активных, а следовательно, биологически очень опасных молекул – перекиси водорода и атомарного кислорода. В свою очередь они способны вызвать несколько новых актов ионизации. Таким образом, происходит лавинообразное увеличение частоты попаданий в «мишени». Поэтому соединения, способные взаимодействовать со свободными радикалами (антиоксиданты), защищают молекулы-«мишени» от непрямого действия радиации. К числу таких антиоксидантов, например, относятся токоферол (витамин Е), микроэлемент селен и др.

В отличие от рентгеновских, ультрафиолетовые лучи не обладают достаточной энергией ионизации. Однако она поглощается входящими в состав ДНК азотистыми основаниями (пуринами и пиримидинами), переводя их в энергетически неустойчивое, возбужденное состояние. Это приводит к ошибкам при репликации ДНК.

Химические мутагены

Широкое изучение химического мутагенеза началось после того, как в 1946 году отечественный ученый И.А. Рапопорт обнаружил мощное мутагенное действие этиленимина и формальдегида, а Ш. Ауэрбах (Великобритания) такие же свойства обнаружил у иприта и его производных. С тех пор было выявлено много химических соединений, обладающих мутагенной активностью. Среди них – волокнистый минерал асбест, этилен-имин, бензопирен, нитриты, альдегиды, соединения свинца, пестициды, некоторые лекарственные препараты и др. Нередко эти же вещества одновременно являются и канцерогенами, то есть веществами, способными вызывать развитие в организме злокачественных новообразований (опухолей).

Биологические мутагены

В качестве биологических мутагенов были выявлены некоторые растения, например безвременник осенний (Colchicum autumnale), и многие вирусы. Извлекаемый из безвременника алкалоид колхицин часто используется для искусственного получения полиплоидов, так как он блокирует расхождение удвоившихся хромосом.

Вирусы могут вызывать различные хромосомные мутации (аберрации), обусловливающие наследственную изменчивость.

Спонтанные мутагены

Факторы, вызывающие самопроизвольный (спонтанный) мутагенный эффект, подразделяют на внешние, или экзогенные, и внутренние, или эндогенные. К экзогенным факторам спонтанного мутагенеза относят естественный радиационный фон, а также действие на соматические или половые клетки организма высоких или низких температур.

Известно, что среди растительных организмов высокогорных или арктических районов часто встречаются полиплоидные формы, возникающие как следствие спонтанных мутаций генома. Это связано с резкими перепадами температур в период вегетации, а в горах – с сильной УФ-радиацией. Экспериментально доказано, что резкое повышение температуры окружающей среды на каждые 10 °C в пять раз увеличивает частоту мутаций. Не случайно высокогорья являются центрами происхождения многих видов растений, вошедших в культуру как полиплоиды.

К эндогенным факторам спонтанного мутагенеза относят мутагенную активность специальных элементов генома – генов-мутаторов и действие эндогенных метаболитов. Так, генетическая стабильность большинства генов определяется не только особенностями их строения, но и уровнем общей мутабельности клетки, контролируемой генами-мутаторами и генами-антимутаторами, которые, по-видимому, задействованы в процессах репликации, репарации и рекомбинации ДНК. К классу эндогенных метаболитов относят спонтанно возникающие химические соединения, вызывающие мутагенный эффект. Например, при заживлении физических травм у растений образуются так называемые каллусные клетки, которые в норме отсутствуют. При этом индуцируется синтез дополнительных ферментов и метаболитов, необходимых для заживления раны. Если в каллусной ткани возникают почки, то некоторые побеги из этих почек оказываются полиплоидными, то есть метаболиты каллусной ткани способны вызывать геномные мутации. Мутагенным эффектом обладают и свободные радикалы, возникающие при перекисном окислении липидов клеточных мембран.

Спонтанный мутагенез постоянно протекает у всех живых организмов как в соматических, так и в половых клетках. При этом спонтанно возникают всевозможные типы генных, хромосомных и геномных мутаций.