Спонтанный  и индуцированный мутагенез

Спонтанный  и индуцированный мутагенез

Успеху в разработке  хромосомной теории наследственности способствовало создание коллекций генетических линий многих видов микроорганизмов, растений и животных, в первую очередь дрозофилы и мыши. Генетическая  линия – это совокупность сходных по фенотипу и генотипу особей одного вида, устойчиво размножающихся в условиях искусственного разведения. Большинство генетических линий – это мутантные гомозиготы по одному из генов, хотя наряду с этим созданы такие линии, в которых особи оказываются мутантными сразу по нескольким генам. В том случае, если мутантные гомозиготы оказываются нежизнеспособны или стерильны, генетические линии поддерживают путем скрещивания гетерозигот. При создании генетических линий часто используют близкородственное разведение или инбридинг. Генетические  линии, моделирующие различные наследственные заболевания человека, широко используются для изучения их этиологии и патогенеза,  а также  для разработки адекватных методов профилактики и терапии.

 На первых этапах генетические линии получали путем длительной селекции, отбирая из природных популяций особей с необычным фенотипом и проводя затем генетический анализ наследования этих фенотипических особенностей. Создание большого количества генетических лабораторных линий дрозофилы, отличающихся по морфологическим признакам, таким как цвет и форма глаз, крыльев, грудных и брюшных отделов туловища, характер жилкования, расположение щетинок и многим другим, привело  к разработке методов количественной оценки концентрации и частоты возникновения мутаций в природных популяциях. Оказалось, что мутации возникают постоянно и в любых популяциях, в том числе и у человека. При этом они могут быть геномными, хромосомными или генными,  то есть могут затрагивать целый геном, отдельные хромосомы или гены. Частота спонтанного возникновения генных мутаций, в среднем, колеблется в пределах 10–8-10–9 на ген за одно поколение.  Большинство мутаций в гомозиготном состоянии оказывают неблагоприятный эффект на жизнеспособность или даже оказываются  летальными, тем не менее, некоторые из них в гетерозиготном состоянии присутствуют в популяциях в достаточно высоких концентрациях.

Причины возникновения спонтанных мутаций долгое время оставались неизвестными. Однако уже в 20-е годы прошлого века было показано, что ионизирующее облучение резко увеличивает частоту возникновения как хромосомных перестроек, так и генных мутаций. При этом мутагенный эффект наблюдается при любой дозе облучения, и при повторном облучении он суммируется. Эти исследования ассоциируются с работами М. Демереца, М. Дельбрюка, Н. В. Тимофеева-Ресовского, Н. П. Дубинина. Был показан мутагенный эффект ультрафиолетового облучения. Однако гонады обычно защищены от прямого УФ-облучения, и потому его роль в возникновении и распространении в популяциях новых мутаций не так велика.

Спустя два десятилетия было обнаружено мутагенное действие некоторых химических соединений, таких как иприт, этиленимин, формальдегид и др. Большой вклад в изучение молекулярных основ химического мутагенеза внес отечественный генетик И. А. Рапопорт. Оказалось, что при химическом мутагенезе наблюдается прямая  зависимость от дозы и продолжительности обработки. При этом генные мутации возникают чаще, чем хромосомные перестройки. Кроме того, высокая частота возникновения мутаций может сохраняться на протяжении нескольких последующих поколений (задержанный мутагенез). Несмотря на понимание природы индуцированного мутагенеза, конкретные причины возникновения различных спонтанных мутаций чаще всего остаются неизвестными. В 1934 г. в Институте общей генетики АН СССР, директором которого в то время был академик Николай Иванович Вавилов, была организована лаборатория проблем гена и мутагенеза.  Её возглавил приглашенный из США профессор Г. Дж. Мёллер, удостоенный в последствии, в том числе и за работы, выполненные сотрудниками этой лаборатории, почетного звания  лауреата Нобелевской премии.

Открытие индуцированного мутагенеза резко ускорило создание новых генетических линий, так как мутации в большом количестве выявлялись в потомстве особей, обработанных мутагенами. В настоящее время идентифицировано огромное количество химических соединений с мутагенным эффектом. Среди них особое значение для медицинской генетики имеют вещества, применяемые в сельском хозяйстве (пестициды, инсектициды, гербициды, некоторые виды минеральных удобрений и др.), используемые в промышленном производстве (формальдегид, эпоксиды, бензол, мышьяк, окислы азота и многие другие), а также некоторые лекарственные препараты (гормоны, антиконвульсанты, салицилаты, гепарин, некоторые антибиотики, например, биомицин, и психотропные средства – мажептил, хлорпропазин и др.). Важно подчеркнуть, что под влиянием мутагенов повышается частота возникновения мутаций на всех стадиях формирования половых клеток, от их закладки, которая происходит в начальные периоды эмбриогенеза родителей, до оплодотворения.  При этом опасность для здоровья будущего ребенка представляют хромосомные перестройки и доминантные мутации. Вновь возникшие рецессивные мутации чаще всего не будут проявляться в первом поколении, но их отдаленные последствия могут быть выявлены в виде повышения частоты возникновения рецессивной патологии в последующих поколениях. Чувствительным к действию мутагенов является первый триместр беременности до завершения органогенеза.

Заметим, кстати, что химические вещества и физические воздействия,  обладающие мутагенным эффектом, оказывают также канцерогенное действие, то есть относятся к классу канцерогенов. Это связано с молекулярной этиологией онкологических заболеваний, в основе которой лежит накопление мутаций в определенных группах генов.

Многие мутагены способны оказывать тератогенное воздействие на плод в процессе беременности, то есть способны индуцировать врожденные пороки развития (ВПР) не наследственной природы. Однако класс тератогенов гораздо более широкий по сравнению с мутагенами, их эффект существенно зависит от стадии эмбриогенеза, то есть срока беременности, на котором плод подвергается такому воздействию. На самых ранних сроках до 15 дней беременности тератогены могут индуцировать бластопатию, которая завершается гибелью плода, но если плод выживает, то ВПР у него, как правило,  не формируются.  Следующий период активного органогенеза до 12 недели беременности является особенно чувствительным к действию тератогенов, которые могут вызывать не только гибель плода, но и быть причиной возникновения грубых пороков развитияэмбриопатий. Опасность возникновения ВПР под действием тератогенов сохраняется и на следующих стадиях беременности, хотя тяжесть и частота таких фетопатий существенно снижаются по мере развития зародыша. Тератогенным эффектом обладают многие химические соединения и лекарства (препараты цитостатического и противосудорожного действия, стероидные гормоны, некоторые антибиотики, соли ртути, ретиноевая кислота, избыток витамина А, варфарин и др.), инфекционные агенты (цитомегаловирус, краснуха, токсоплазмоз, вирус герпеса и др.), физические воздействия (ионизирующее облучение, гипертермия, механические нарушения). Повышена вероятность рождения детей с ВПР у матерей, страдающих аутоиммунными болезнями, сахарным диабетом, эпилепсией, гипотиреозом и некоторыми другими заболеваниями. Тератогенным эффектом обладают большие дозы никотина и  алкоголя, а также  некоторые наркотические вещества (героин, кокаин и др.).

Напомним, что в организме человека действует системы детоксикации, направленные на выявление и нейтрализацию химических веществ с агрессивным и в том числе мутагенным эффектом. Протективным антитоксическим действием обладают такие вещества как серотонин, цистеин, цитохром С, гистамин, глутатион, α-токоферол и другие витамины. К антимутагенам относятся некоторые пищевые продукты, в первую очередь овощи (капуста, лук, перец, редька, картофель), орехи и фрукты (ананасы, яблоки, виноград).

Тем ни менее, каждое новое соединение, которое выпускается для широкого использования среди населения, будь то пищевая добавка, косметическое, бытовое или любое иное средство, обязательно должно проходить проверку на мутагенный, тератогенный   и канцерогенный эффекты.

В некоторых случаях мутация  в определенном гене может возникнуть в период гаметогенеза в одной из половых клеток родителей, так называемая мутация de novo. Такие мутации могут приводить к отклонениям от менделеевского типа наследования. Например, если мутация de novo в гене, контролирующем окраску глаз, возникла в половой клетке одного из голубоглазых родителей, это может привести к тому, что у них родится кареглазый ребенок. Конечно, это событие очень редкое, сопоставимое с частотой возникновения новых мутаций в гене, но все же оно возможно.

Если мутация возникла не в зрелой половой клетке, а на более ранней стадии ее дифференцировки, то она будет присутствовать не в одной гамете, а в определенном проценте зародышевых клеток.  Такое явление в генетике называется гонадным мозаицизмом. Мутации могут возникать не только в половых клетках, но и в соматических. В этом случае они могут приводить к соматическому мозаицизму. В частности, если мутация возникла в раннем эмбриогенезе в одной из клеток, из которых в дальнейшем происходило развитие какого-то органа, то ее следствием может быть то, что она будет присутствовать во всех или в части клеток только этого органа. Например, если у ребенка один глаз карий, а другой голубой, или один глаз разноцветный, мы можем с определенной долей уверенности утверждать, что мутация в гене, контролирующем окраску глаз,  возникла de novo в период эмбриогенеза в одной из клеток зародыша, участвующей в формировании глаза. А ее фенотипическое проявление  зависит от того, на какой стадии развития и в какой клетке произошла мутация.

Соматические мутации в специфических генах, участвующих в контроле клеточного деления, дифференцировки, пролиферации, являются причиной развития многих онкологических заболеваний. Эти гены делятся на два класса: доминантные и рецессивные онкогены. Последние чаще называются антионкогенами или генами супрессоров опухолей. Продукты  доминантных онкогенов участвуют в позитивном контроле деления клеток, тогда как  супрессоры опухолей являются негативными регуляторами клеточного роста. Таким образом, рак – это болезнь генов, обусловленная мутациями, чаще всего возникающими de novo в тех соматических клетках и тканях, которые затем вовлекаются в процесс неоплазии. Во второй части учебника мы еще раз более подробно обсудим эти вопросы.

В связи с обсуждаемой проблемой необходимо подчеркнуть, что в процессе эволюции были выработаны очень мощные системы, направленные на стабилизацию генетического материала и предотвращение распространения мутации, возникшей в какой-то одной клетке. Это (1)  репарация ДНК, то есть исправление дефектов, возникающих в процессе комплементарного синтеза ДНК, то есть репликации,  (2) задержка деления клетки в ответ на повреждение ДНК для того чтобы прошла репарация этого дефекта и (3) направление клетки к апоптозу, то есть программированной гибели, в том случае, если дефект не удается репарировать.