Выявление источников мутагенов в окружающей среде и оценка их влияния на организм человека

2

Реферат

на тему:

«Выявление источников мутагенов в окружающей среде и оценка их влияния на организм человека»

Выполнил:

Кочнев И.

11«А»

Ступино 2009

Наследственная информация, передающаяся в поколениях живых существ, рассматривается ныне как драгоценнейший, невосполнимый природный ресурс. Успехи современной генетики позволяют подойти к изучению состояния окружающей среды с позиций охраны наследственности, генофонда биосферы.

Такому подходу уделяется специальное внимание в Программе ООН по окружающей среде (ЮНЕП), в деятельности Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и ЮНЕСКО (в программе МАБ «Человек и биосфера», проект 12). По инициативе советских ученых было начато создание центра по генетическому мониторингу, в задачу которого входит и разработка доступных методов для оценки степени воздействия загрязнения окружающей среды на экосистемы и здоровье человека.

Между тем изменения в биосфере, преобразуемой человеком, порождают влияющие на ход генетических процессов неконтролируемые факторы. В числе их и мутационные эффекты, вызываемые загрязнением окружающей среды, приобретающим ныне все большие масштабы.

Генетические последствия существующего загрязнения биосферы еще только предстоит оценить практически, но тенденция появления неблагоприятных изменений наследственности человека под воздействием складывающихся факторов окружающей среды, будучи установленной, выявленной, не получит развития. Суть дела в том, что человечество не может допустить ее реализации, так как речь идет о гарантии продолжения существования самого человека, настоящих и будущих поколений людей. Такую гарантию и призваны обеспечить эффективные меры по контролю, охране и защите природной среды.

Возможность появления эффектов от загрязнения биосферы мутагенными факторами физической, химической и биологической природы диктует необходимость качественно и количественно оценить вероятные последствия, дать прогнозы возможных генетических изменений в растительном и животном мире, вызванных мутагенами окружающей среды, разработать строгую и точную систему оценки мутагенности факторов среды обитания человека.

Для обсуждаемой темы важно прежде всего разобраться в представлениях о сути мутагенных эффектов. Как известно, присущий зародышевым и соматическим (неполовым) клеткам хромосомный аппарат содержит наследственную программу, закодированную в молекулах ДНК, которые служат матрицей как для копирования передающейся из поколения в поколение генетической информации (редупликация ДНК), так и для синтеза различных белков и ферментов, необходимых для построения и жизнедеятельности организма, контроля обмена веществ.

Участки ДНК, кодирующие синтез тех или иных белков, определяющие у растений и животных проявление различных наследственных признаков организма, называются генами (от греческого «генос» -- рождение). Гены отличаются высокой устойчивостью к внешним влияниям и способны оставаться неизменными на протяжении многих поколений. Благодаря этому о наследственности говорят как о сходстве живых организмов в ряду поколений.

Однако сходство это относительно, а изменения наследственной программы развития (генотипа) могут происходить и в результате мутационного (от латинского «мутацио» - изменение, перемена) процесса: замены, потери или добавления в структуре генетического материала (гена, хромосомы). Таким образом, естественные или искусственные факторы, индуцирующие (вызывающие) мутации, называют мутагенными, или просто мутагенами.

Какова роль мутаций в наследственном благополучии организма, биологических видов?

Мутации возникают спонтанно (в силу невыясненных пока причин, возможно, вследствие, «опечаток» в процессе копирования ДНК зародышевых клеток) либо под влиянием внешних факторов, когда мутагены, проникшие в клетку, вызывают грубые повреждения хромосом (видимые под микроскопом разрывы, поломки, выпадения, образования колец) или точковые изменения в их локусах (генные мутации в виде тонких мономолекулярных реакций).

Такие мутации в большинстве случаев в той или иной мере нарушают процессы нормального индивидуального развития. Если, например, нарушается процесс перераспределения хромосом в делящихся клетках, то потомство, в результате такой мутации будет иметь тяжелые наследственные заболевания. Известно также, что в популяциях подавляющее большинство возникающих у особей хромосомных мутаций отсеивается за счет гибели мутантов еще до их рождения или до наступления репродуктивного периода.

Менее грубые мутации, в основном генные, передаются в поколениях и также становятся материалом для естественного (и искусственного) отбора. За редким исключением (когда мутация обусловливает положительное приспособительное свойство у особи), основная масса их носит отрицательный характер, в связи с чем в популяциях растет число генетических жертв отбора. И за исключением человека, биологическая приспособленность всех живых существ связана с удалением (элиминацией) из популяций генетических жертв путем естественного отбора, с накоплением положительных мутаций и размножением прогрессивных биологических форм.

В целом для биологического вида баланс между частотой появления мутаций в популяциях и действием отбора, тяжестью дефектов у особи и оставлением потомства определяет размер так называемого генетического груза, создающегося в основном за счет генных мутаций.

Вследствие постоянного давления мутагенов ряд хромосомных аномалий и всегда проявляющихся (доминантных) генных дефектов (например, ахондроплазия -- карликовость) входят в состав генетического груза в каждом поколении заново, так как после своего появления выбрасываются из популяции путем отбора. Но вредные рецессивные генные мутации составляют устойчивый компонент генетического груза. Такие скрытые наследуемые вредные изменения (а проявляется та или иная рецессивная мутация в потомстве только в случае, если ею отягощены оба родителя) накапливаются в популяциях и могут в них широко распространяться.

За предшествующую историю своего развития человечество накопило (главным образом за счет естественного мутационного процесса) так называемый генетический груз, проявляющийся в наследственных, генетически обусловленных заболеваниях. Здоровье нынешних и будущих поколений людей в значительной степени зависит от того, какой генетический груз получен в наследство от предыдущих, какое количество мутаций накоплено человечеством.

Известно около 2 тысяч генетических дефектов, затрагивающих только часть общего числа локусов в геноме (Ю5), а так как считается, что за поколение естественно возникает немногим более одной генной мутации (в геноме), частота их в среднем мала (10~5--10_6 на локус за поколение) и не может угрожать существованию популяций. При этом примерно четверть общего объема мутаций обусловлена энергией естественного фона радиации. Вместе с тем генные мутации, обусловливающие небольшие биохимические аномалии в организме, возможно, более часты.

Суть проблемы заключается в том, что ускорение частоты мутаций ведет к увеличению числа особей с врожденными дефектами и вредными отклонениями, передающимися по наследству, причем мутации в неполовых (соматических) клетках, как правило, могут вызывать рост злокачественных новообразований (спонтанный рак). Расчеты показывают, что удвоение частоты мутаций настолько увеличивает объем генетического груза, что это может стать опасным для существования популяций.

Конечно, выход из такого кризисного состояния существует -- это путь эволюционных изменений, однако приспособление к мутагенам в процессе отбора требует от популяции огромного числа генетических жертв и времени. В особенности видам, представленным сравнительно малым числом особей, с медленной сменяемостью поколений, труднее было бы приспособиться к высокому мутагенному фону среды.

Значительно больше шансов на выход из генетического кризиса, обусловленного ростом мутагенных загрязнений (повышением темпа мутаций), имеют биологические виды с высокой численностью особей, с быстрой сменяемостью поколений, например микроорганизмы. Хорошо известно явление резистентности их к широко распространенным антибиотикам, сульфаниламидным препаратам, так же как и появление устойчивых к пестицидам рас бактерий, грибов, насекомых.

Значит ли это, что неконтролируемое загрязнение биосферы мутагенами чревато угрозой возможного генетического кризиса для человека и ущербом генофонду видов животных и растений?

Основная опасность загрязнения окружающей среды мутагенами, как полагают генетики, заключается в. том, что вновь возникающие мутации, не «переработанные» эволюционно, отрицательно повлияют на жизнеспособность любых организмов. И если поражение зародышевых клеток может привести к росту числа носителей мутантных генов и хромосом, то при повреждении генов соматических клеток возможно возрастание числа раковых заболеваний. Более того, существует глубокая связь различных на первый взгляд биологических эффектов.

В частности, мутагены окружающей среды влияют на величины рекомбинаций наследственных молекул, являющихся также источником наследственных изменений. Возможно и влияние на функционирование генов, что может быть причиной, например, тератологических отклонений (уродств), наконец, вероятны поражения ферментных систем, что изменяет различные физиологические особенности организма, вплоть до деятельности нервной системы, а следовательно, сказывается и на психике. Генетическая адаптация популяций человека к возрастающему загрязнению биосферы мутагенными факторами принципиально невозможна.

Для человека естественный или искусственный отбор потерял свою эволюционную роль: люди с любым генотипом обладают огромной социальной ценностью вне зависимости от своей биологической приспособленности. Возможности приспособления, обеспечиваемые социальным развитием, увеличиваются, а элементы отбора сохранились лишь в отдельных случаях, проявляясь в сдерживании распространения мутаций, обусловливающих наследственные аномалии, особенно на эмбриональной стадии индивидуального развития (несостоявшиеся беременности, спонтанные аборты, преждевременные роды, мертворождения).

Это обстоятельство означает, прежде всего, что увеличение генетического груза в популяциях человека несовместимо с прогрессивным социальным развитием, с принципами гуманизма. И вполне закономерно, что в нашей стране усилия генетиков своевременно направлены на разработку методов выявления мутагенов окружающей среды, а также генетического мониторинга для постоянного слежения за изменениями в наследственной отягощенности человеческих популяций вредными мутациями.

Подходы к научному обоснованию принципов популяционного мониторинга обсуждаются теперь в различных странах. В СССР разрабатываются методы обнаружения индуцированного мутагенеза человека, предложены уже модели регистрации генных мутаций (Ю. Алтухов, 1976; Н. Дубинин, Ю. Алтухов, 1977; Ю. Алтухов, 1980) и хромосомных аберраций {Н. Бочков, 1977, 1980).

Здесь хотелось отметить, что в отличие от грубых хромосомных повреждений наследственного материала точковые генные мутации, обладающие способностью накапливаться в поколениях, представляют основную трудность для обнаружения в популяциях. Выявление их важно именно потому, что такие мутации будут в значительной мере ответственны за проявления генетического груза в ближайших поколениях.

Определенные перспективы прямой регистрации генных точковых мутаций создает возможность слежения за изменениями в строении редких и мономорфных белков {Н. Дубинин, Ю. Алтухов, 1975). Как показано Ю. Алтуховым, спонтанные мутации приводят к изменению таких белков, и метод улавливает скрытые (в гетерозиготе) вновь возникшие мутации у особей. А это необходимо как для выявления новых мутаций, вызванных загрязнением окружающей среды, так и для оценки изменений темпов мутирования, объема генетического груза, а тем самым и генетических последствий.

Для обсуждаемой темы важно то, что в генетическом мониторинге сами популяции становятся индикаторами состояния окружающей среды. Но ведь можно, пожалуй, и дождаться сведений о наступлении возможных неблагоприятных генетических изменений в результате мутагенного загрязнения среды, если не попытаться выявить действующие и потенциальные мутагены, чтобы исключить или ослабить их воздействие своевременно.

Очевидно, прежде всего, необходимо оценить мутагенность различных загрязнений на высокочувствительных биологических тест-системах, в том числе и тех, которые могут поступить в биосферу, и если риск для человека доказан, то принимать меры для борьбы с ними.

Так возникает задача скрининга -- просеивания загрязнений с целью выявления мутагенов и выработки специального законодательства для регулирования их поступления в окружающую среду. И таким образом, контроль генетических последствий загрязнения в комплексе содержит в себе две задачи: испытание на мутагенность факторов среды различной природы (скрининг) и мониторинг популяций.

Итак, речь идет о возможности предотвращения генетических последствий загрязнения биосферы. Здесь возникает ряд вопросов. Имеются ли уже приемлемые для массового скрининга тест-системы? Что показывают испытания? Как проявляются мутагенные эффекты на тест-системах?

В настоящее время в мире уже имеется большое число квалифицированных лабораторий, в которых проводятся достаточно точные испытания. Только за последнее десятилетие предложено свыше трех десятков тест-систем, часть которых предназначена для выявления точковых (генных) мутаций.

Задача состоит в разработке комплексных тест-систем, которые могли бы давать ответ на вопрос, в каких условиях потенциально мутагенные факторы могут стать действующими -- в зависимости от каких путей попадания в организм и особенностей внутриклеточного обмена веществ (метаболизма), активирующего или, наоборот, подавляющего мутагенный эффект.

Такие 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 (генных) мутаций, способных накапливаться в поколениях, они к тому же наиболее распространены в окружающей среде.

Теперь применяются различные испытания, позволяющие с помощью соответствующих тест-систем судить о возможности проявления того или иного мутагенного фактора на разных уровнях организации живого -- от микроорганизмов до высших позвоночных и человека, выявлять потенциальные мутагены среды. Это и оценка частоты мутаций, вызываемых испытываемым потенциальным мутагеном у бактерий, грибов, водорослей, высших растений. И оценка мутагенности на тест-системах, имитирующих метаболизм млекопитающего, в которых индикаторными организмами для выявления мутагенов служат бактерии. Такие модели создаются in vivo (прижизненно) в полости тела животных, подвергаемых действию испытываемого мутагенного фактора (метод среды реципиента), и in vitro в бактериальной культуре, в которую добавляют метаболически активные тканевые экстракты, (микросомальные фракции печени грызунов, например).

На этих моделях и выясняется, может ли активироваться и стать мутагенным в организме млекопитающего испытуемый фактор, безвредный, например, для бактерий, или, наоборот, потеряет ли мутаген свою активность в таких условиях. Бактериальные тест-системы в сочетании с метаболической активацией используются как первая проба для оценки возможного эффекта мутагенов в случае попадания их в организм человека, позволяют установить лишь потенциальную мутагенность для человека различных факторов среды.

Применяется и цитогенетическая методика тестирования на культуре ткани растений, животных, лимфоцитах человека. Также и тест с использованием метода доминантных леталей (выявление мутаций, которые вызывают гибель эмбрионов на самых ранних стадиях развития) на млекопитающих, в особенности на мышах. Наконец, используется и прямое тестирование мутаций в клетках млекопитающих и человека как в культуре ткани, так и in vivo.

Результаты таких испытаний на тест-системах важны и для оценки влияния потенциальных мутагенов окружающей среды на организменные формы в экосистемах -- на микроорганизмы, растения, включая лесные породы, на животных. В этом смысле использование в тест-системах организмов различных по уровню организации, имеет самостоятельное значение для решения природоохранных задач, а в комплексе они позволяют качественно оценивать риск мутаций для человека.

Безусловно, тест-системы должны быть достаточно экспрессивными (быстрыми), дешевыми, давать надежные, воспроизводимые результаты. Еще в 1975 году в нашей стране к практическому использованию были допущены в качестве основных -- бактериальная тест-система (с использованием метаболитов тканей млекопитающих) для анализа генных мутаций и цитогенетический тест (на лейкоцитах периферической крови человека) для анализа структурных мутаций хромосом.

Практика показывает, что во многих случаях такая информация может быть достаточной для выявления мутагенов среды и получена быстрее. Для создания комплексных тест-систем (наборов) совершенствуются методы испытаний на клетках млекопитающих в культуре, менее трудоемкие, чем в случае использования самих животных (in vivo), когда требуется оборудовать огромные виварии и создавать все условия для их содержания.

Развиваются и новые варианты тест-систем на основе тонких аналитических методов электрофореза белков, разных по локализации и по функции, позволяющих выявлять генные мутации, как уже говорилось, у человека и высших млекопитающих. Десятки и сотни их можно исследовать в небольшом по объему образце взятой на анализ крови или в тканевом экстракте.

Если мутация произошла, это может быть установлено по изменению структуры исследуемой белковой молекулы, так как каждый из индивидуальных белков находится под контролем по крайней мере одного гена, способного мутировать. Такого рода структурное нарушение (путем замещения или утраты отдельных аминокислотных остатков в полипептидной цепи) удается обнаружить по изменению электрической подвижности исследуемой белковой молекулы, ее активности.

Как же оценивается мутагенность различных факторов окружающей среды? Что можно сказать о вкладе мутагенов различной природы (физической, химической и биологической) в загрязнение окружающей среды?

Конечно, мутагены являются частью общих загрязнений среды и масштабы их распространения в биосфере определяются социально-экономическими условиями развития. К сожалению, пока еще невозможно указать, какая часть вновь возникающих мутаций обусловлена именно химическими или физическими (радиационными) и биологическими факторами, но несомненно то, что вклад мутагенов химической природы в настоящее время наиболее значителен в нарастающем загрязнении окружающей среды.

Хотя радиация остается на сегодняшний день наиболее полно изученным мутагенным фактором, обладающим исключительной генетической активностью, помимо радиации, человек теперь сталкивается буквально с лавиной новых химических соединений, широко используемых в народном хозяйстве, медицине и быту. «Учитывать только радиационную опасность -- значило бы игнорировать подводную часть айсберга», -- писал известный генетик Дж. Кроу, подчеркивая важность изучения проблемы химических мутагенов.

Сотни тысяч разнообразных химических соединений ежегодно поступают в окружающую среду в дополнение к имеющимся, зачастую в огромных количествах,, причем число их растет (в США, например, оно удвоилось за последнее десятилетие). Среди них немало чужеродных с точки зрения эволюции, не имевшихся в природе, и биологические эффекты многих из них полностью еще не изучены или изучены недостаточно полно, И по крайней мере часть этих веществ, так же как и радиация, оказывается фактически или потенциально мутагенной.

Представление о том, что значительная часть поступающих в окружающую среду химических загрязнений является мутагенной, возникло только в 70-е годы, с появлением бактериальных тест-систем Эймса, позволивших проводить массовый скрининг, хотя исторически сложилось так, что химический мутагенез был открыт еще в 40-х годах нашего столетия (И. Рапопорт, 1946; Ауэр-бах, 1946; Элкерс, 1943; Робсон, 1946). С тех пор выяснилось, что химических мутагенов больше, чем радиационных, что мутагены эти высокоспецифичны -- разные химические вещества могут вызывать различные мутационные эффекты: от точковых мутаций (генов) до хромосомных и геномных.

Другой особенностью является комплексность мутагенного потенциала химических соединений. Будучи активными по своей химической природе, такие мутагены взаимодействуют с другими химическими веществами (в том числе и мутагенными) до и после попадания в организм. Исход этого взаимодействия и определяет их фактическую или потенциальную мутагенность, сильный или слабый генетический эффект.

Выясняется, что масштабы генетического вреда определяются не абсолютной величиной воздействия химического вещества (сильная или слабая интенсивность), а его длительностью. При этом оценка суммарного эффекта от соединений, обладающих слабой и средней мутагенной активностью, имеет особый смысл. Дело в том, что такие соединения человек использует, как правило, широко, и содержание их в окружающей среде довольно велико. Поэтому значение их суммарного эффекта превосходит таковой сильных мутагенных соединений, контакт с которыми обычно ограничен. Более того, сильнодействующие вещества могут и сразу привести живую клетку к гибели.

Химические мутагены действуют на фоне огромного числа токсических веществ, которые существенно меняют протекание мутационного процесса, вызываемого любыми факторами, тем самым сказываясь на частоте появления мутаций. Известно, что острая и хроническая интоксикация организма как таковая может выражаться в форме наибольших отклонений от нормы до серьезных заболеваний, вплоть до летального исхода, -- как у новорожденных (и во внутриутробном периоде), так и у детей и взрослых людей. Несомненно, испытания на мутагенную активность должны рассматриваться как составная часть полного токсикологического исследования химических загрязнений.

С начала прошедшего десятилетия вещества, вызывающие рак, начали испытывать на мутагенность благодаря высокочувствительным бактериальным тест-системам. В этих условиях обнаруживается связь между мутагенными и канцерогенными эффектами химических соединений. Такая корреляция обнаруживается в 90 процентах случаев: практически все химические канцерогены обладают мутагенным эффектом, хотя сильные мутагены не всегда вызывают злокачественный рост.

Что касается биологических факторов окружающей среды, то нельзя не считаться с возможностью биологического мутагенеза. Известно, что чужеродная ДНК обладает мутагенными свойствами, а вирусы, способность которых индуцировать мутации меняется под влиянием факторов окружающей среды (в том числе и мутагенных), создают поток ее в клетки растений, животных и человека. При этом мутагенная роль вирусов, а в ряде случаев канцерогенная, по существу, очевидна; они могут менять темп мутаций в клетках хозяина за счет поражения систем защиты ДНК от повреждений.