Мутация как экологическая проблема

Размещено на http://www.allbest.ru

Курсовая работа по общей экологии

«Мутация как экологическая проблема»

Введение

Мутации (от лат. mutatio -- перемена) -- это изменение генов и хромосом, фенотипически проявляющиеся в изменении свойств и признаков организмов. Впервые их описал в 1901 г. голландский ученый Г. Де Фриз (1848-1935). Он же заложил основы и теории мутаций. Процесс образования мутаций во времени и пространстве называют мутагенезом. Мутации характерны для всех живых существ, включая человека. Определяя мутации и мутагенез, следует также определить и такие понятия, как дикий тип организма или гена и мутантный организм (мутант). Под диким типом понимают организмы со свойствами, находимыми в природе. Диким типом обозначают также наборы генов или отдельные гены, также являющиеся природными для организма. Образно говоря, дикий тип -- это «справочный» тип, своего рода эталон, с которым сравнивают мутантные организмы и мутантные гены.

Мутантные организмы (мутанты) -- это организмы, содержащие в своем геноме одну или несколько мутаций. Мутантные организмы могут отличаться от исходных (организмов дикого типа) по самым различным свойствам -- морфологическим, физиологическим, биохимическим и другим. Например, у микроорганизмов мутации сопровождаются изменением формы колоний, питательных потребностей, отношения к лекарственным веществам и т. д. У высших растений мутации сопровождаются изменениями качественных и количественных признаков . У насекомых мутанты отличаются от исходных организмов по форме и окраске тела, крыльев, конечностей, глаз, реакции на свет, серологическим свойствам и т. д. У млекопитающих мутации также ведут к изменению многих качественных и количественных признаков. У человека мутации приводят к различным отклонениям от нормы и сопровождаются наследственной патологией. В целом можно сказать, что мутации являются вредными, полезными или нейтральными для организмов. Но важно помнить, что мутанты остаются организмом того же вида, что и организм дикого типа, из которого они произошли.

Мутации следует отличать от фенокопий, которые продуцируются факторами среды.

Мутации возникают на всех стадиях индивидуального развития организмов и поражают гены и хромосомы как в половых клетках, причем до оплодотворения и после оплодотворения (после первого деления оплодотворенных яйцеклеток), так и в соматических, причем в любой фазе клеточного цикла. По-этому по типу клеток, в которых возникают мутации, различают генеративные и соматические мутации (соответственно).

Генеративные мутации происходят в генитальных и половых клетках.

Если мутация (генеративная) происходит в генитальных клетках, то мутантный ген могут получить сразу несколько гамет, что увеличит потенциальную способность наследования этой мутации несколькими особями (индивидуумами) в потомстве. Если мутация произошла в гамете, то, вероятно, лишь одна особь (индивид) в потомстве получит этот ген. На частоту мутаций в половых клетках оказывает влияние возраст организма.

Соматические мутации встречаются в соматических клетках организмов. У животных и человека мутационные изменения будут сохраняться только в этих клетках. Но у растений из-за их способности к вегетативному размножению мутация может выйти за пределы соматических тканей. Например, знаменитый зимний сорт яблок «Делишес» берет начало от мутации в соматической клетке, которая в результате деления привела к образованию ветви, имевшей характеристики мутантного типа. Затем следовало вегетативное размножение, позволившее получить растения со свойствами этого сорта.[1]

мутагенез физический загрязнение

2. Типы мутаций

Размещено на http://www.allbest.ru

По характеру изменения генетического аппарата (мутация) делят на геномные, хромосомные и генные, или точковые.

Изменения признаков организма, вызываемые мутациями. В результате (мутация) могут изменяться самые различные биохимические, физиологические и морфологические признаки организма. Изменения эти у организмов, претерпевших (мутация), -- мутантов -- могут быть резко выраженными или слабыми, представляющими лишь незначительные отклонения от среднего для данного вида значения признака (с (мутация) илл.). Полиплоидные мутанты обычно характеризуются увеличением размеров клеток и всего организма. Если у полиплоида число наборов хромосом чётное (сбалансированные полиплоиды), то плодовитость обычно сохраняется или понижена не сильно; полиплоиды же, у которых число наборов хромосом нечётное (несбалансированные полиплоиды), бесплодны или обладают низкой плодовитостью (при созревании половых клеток хромосомы распределяются в них беспорядочно, что приводит к образованию анеуплоидных гамет, большей частью неспособных к оплодотворению или дающих нежизнеспособные зиготы). Гаплоидные мутанты имеют мелкие клетки, размеры организма уменьшены по сравнению с диплоидной нормой, наблюдается полное или почти полное бесплодие, т. к. лишь немногие гаметы содержат полный набор хромосо (мутация) Анеуплоиды характеризуются весьма значительными изменениями различных признаков организма, нередко столь сильными, что вызывают его гибель или бесплодие. Обычно менее резкие изменения наблюдаются в случае делеций, нехваток и дупликаций, причём степень изменения признаков в общем пропорциональна длине выпавшего или удвоенного участка хромосомы (крупные делеции могут вызывать гибель организма). Инверсии и транслокации сами по себе не вызывают изменений признаков организма (если не сопровождаются эффектом положения гена, т. е. изменением его фенотипического проявления вследствие соседства с иными, чем прежде, генами), но приводят к существенным генетическим последствиям, т. к. у гетерозигот по инверсиям затруднён обмен участками между нормальной и несущей инверсию хромосомой (с (мутация) Кроссинговер), а гетерозиготы по транслокациям дают частично анеуплоидные, часто нежизнеспособные, половые клетки. Это же происходит в случае фрагментации в результате утери фрагмента хромосомы, оставшегося без центромеры.

Генные мутации заключаются в изменениях индивидуальных генов. Поэтому их еще называют точечными мутациями и классифицируют на односайтовые и многосайтовые.

Односайтовая мутация затрагивает один сайт, многосайтовая -- несколько сайтов генного локуса. Некоторые сайты являются «горячими точками», т. к. в них происходят концентрированные мутации, что связано с наличием в нуклеотидных последовательностях модифицированных оснований. Последние подвергаются частому дезаминированию, а это ведет к изменениям в последовательностях оснований.

Генные мутации классифицируют также на прямые и обратные (реверсивные) мутации, которые одинаково встречаются у организмов всех систематических групп.

Прямые мутации -- это мутации, инактивирующие гены дикого типа, т. е. мутации, которые изменяют информацию, закодированную в ДНК, прямым образом, в результате чего изменение от организма исходного (дикого) типа идет прямым образом к организму мутантного типа.

Обратные мутации представляют собой реверсии к исходным (диким) типам от мутантных. Эти реверсии бывают двух типов. Одни из реверсий обусловлены повторными мутациями аналогичного сайта или локуса с восстановлением исходного фенотипа и их называют истинными обратными мутациями. Другие реверсии представляют собой мутации в каком-то другом гене, которые изменяют выражение мутантного гена в сторону исходного типа, т. е. повреждение в мутантном гене сохраняется, но он как бы восстанавливает свою функцию, в результате чего восстанавливается фенотип. Такое восстановление (полное или частичное) фенотипа вопреки сохранению первоночального генетического повреждения (мутации) получило название супрессии, а такие обратные мутации назвали супрессорными (внегенными). Как правило, супрессии происходят в результате мутаций генов, кодирующих синтез тРНК и рибосом.

Полиплоидия -- это хромосомная мутация в виде увеличения числа полных гаплоидых наборов хромосом. Известны триплоидия (Зп), тетраплоидия (4п), пентаплоидия (5п) и т. д. Наиболее часто полиплоидия встречается у рас-тений, поскольку для них характерны гермафродитизм и апомиксис. Почти третья часть всех видов диких цветковых растений представлена полиплоидами. Типичными полиплоидами являются виды пшеницы, у которых соматические числа 2n = 14,28 и 42, при основном гаметном числе n = 7, картофель, табак, белый клевер, люцерна и другие растения. Родственные виды, наборы хромо-сом которых представляют ряд возрастающего увеличения (кратного) основно-го числа хромосом, составляют полиплоидные ряды.

Гаплоидия -- это мутация в виде уменьшения всего набора хромосом. Она найдена в основном также у растений. Известны гаплоиды свыше 800 видов растений, включая такие культуры, как пшеница и кукуруза. У животных она очень редка, а у человека совсем неизвестна.

Мутации в виде нарушений нормального количества хромосом из-за добавления или удаления одной или более хромосом в какой-то хромосомной па-ре называют гетероплоидией или анеуплоидией. Среди гетероплоидов известны полисемии, когда какая-то пара хромосом становится большей на один (трипликатом) и более гомологов, моносомии, когда какая-либо хромосомная пара теряет один гомолог, и нулесомии, когда теряется вся хромосомная пара. Эти мутации широко распространены как у животных, так и у растений. В частности трисомии и моносомии обнаружены у человека, собак и других животных, а также у многих плодовых, зерновых и овощных растений. Часто трисомии, как и моносомии, обнаруживают в клетках абортированных эмбрионов или плодов человека. Гетероплоидия сопровождается многими фенотипическими эффектами, которые, например, у человека неблагоприятны для его здоровья.

Мутации, поражающие структуру хромосом, называют хромосомными перестройками или чаще аберрациями. Эти мутации классифицируют на внутрихромосомные и межхромосомные перестройки. Они возникают как у животных, включая человека, так и у растений.

Внутрихромосомными перестройками являются делении (нехватки, дефишенсы), дубликации, инверсии, тогда как межхромосомные перестройки представлены транслокациями. Внутрихромосомные перестройки в зависимости от «разлома» плеч хромосом бывают парацентрическими («разлом» затрагивает одно хромосомное плечо) и перицентрическими («разлом» проходит по обе стороны центромеры, т. е. захватывает оба плеча). Межхромосомные перестройки обычно захватывают две или более негомологичные хромосомы. Степень изменений бывает различной и часто доходит до изменения группы сцепления.

Делеции представляют собой потери сегмента хромосомы, несущего один или несколько генов. Они являются наиболее частой и опасной для человека формой генетических макроповреждений. Большие делеции заключаются в потере одного или нескольких генов или даже блоков генов. У гаплоидных организмов крупные делеции детальны. Эффект делеции у диплоидных организмов зависит от количества делегированных генов, количественных потребностей в продуктах пораженных генов, позиции генов среди функционально координированных групп и других факторов. Гомозиготные делеции для диплоидных клеток или организмов детальны.

Дупликации (добавления) представляют собой добавления (удлинения) какого-либо сегмента хромосомы, несущего один или несколько генов, в результате того, что один и тот же сегмент хромосомы может быть повторен в процессе биосинтеза несколько раз. Этот повтор может быть малым, касаясь одиночного гена, или большим, затрагивая большое количество генов. Дупликации часто безвредны для их носителей. Предполагают, что они способствуют формированию полигенов или являются способом введения новых генов в геномы. Некоторые дупликации, однако, вредны и даже детальны.

Инверсии заключаются в поворотах на 180° сегментов, освобождающихся в результате парных разрывов в хромосомах. Если инвертированный сегмент не содержит центромеру, эту мутацию называют парацентрической инверсией, если же такой сегмент содержит центромеру, такую мутацию называют перицентрической. Инверсии оказывают влияние на мейоз, что приводит к пониженной фертильности гибридов. Описаны отдельные наследственные аномалии, вызываемые этой мутацией.

Транслокация -- это обмен частями (сегментами) гомологичной и негомологичной хромосом, образованными разрывами по длине последних. Транслоцируемые сегменты могут иметь разные размеры -- от небольших до значительных.

Хромосомные перестройки, как и гетероплоидия, также сопровождаются различными фенотипическими эффектами. У человека они ведут к нарушению здоровья. У растений они ведут к изменению их продуктивности.

Однако, обсуждая значение хромосомных перестроек, нельзя не заметить, что для отдельных организмов они безразличны. Например, у пионов, дурмана и других растений присутствие в геноме транслокаций является нормальным явлением.

В зависимости от происхождения различают спонтанные и индуцированные генные и хромосомные мутации, которые возникают у организмов независимо от уровня их организации.

Спонтанными называют те мутации, которые возникают у организмов в нормальных (природных) условиях на первый взгляд без видимых причин, тогда как индуцированными называют те мутации, которые возникают в результате обработки клеток (организмов) мутагенными факторами. Главное отличие спонтанных мутаций от индуцированных заключается в том, что мутация может возникнуть в любой период индивидуального развития. Что касается случайного характера мутаций в пространстве, то это означает, что спонтанная мутация произвольно может поразить любую хромосому или ген.

Длительное время считали, что спонтанные мутации являются беспричинными, однако теперь по этому вопросу существуют другие представления, сводящиеся к тому, что спонтанные мутации не являются беспричинными, что они являются результатом естественных процессов, протекающих в клетках. Они возникают в условиях природного радиоактивного фона Земли в виде космического излучения, радиоактивных элементов на поверхности Земли, радио-нуклидов, инкорпорированных в клетки организмов, которые вызывают эти мутации или в результате ошибок репликации ДНК. Факторы естественного радиоактивного фона Земли вызывают изменения в последовательности оснований или повреждения оснований подобно тому, как это имеет место в случае индуцированных мутаций (см. ниже).[2]

2. Общие закономерности мутагенеза

Мутагенез - это процесс возникновения наследственных изменений -- мутаций, появляющихся естественно (спонтанно) или вызываемых (индуцируемых) различными физическими или химическими факторами -- мутагенами.

Мутации - это качественные изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма.

Организм, во всех клетках которого обнаруживается мутация, называется мутантом. Это происходит в том случае, если данный организм развивается из мутантной клетки (гаметы, зиготы, споры). В ряде случаев мутация обнаруживается не во всех соматических клетках организма; такой организм называют генетической мозаикой. Это происходит, если мутации появляются в ходе онтогенеза - индивидуального развития. И, наконец, мутации могут происходить только в генеративных клетках (в гаметах, спорах и в клетках зародышевого пути - клетках-предшественницах спор и гамет). В последнем случае организм не является мутантом, но часть его потомков будет мутантами.

В основе мутагенеза лежат изменения в молекулах нуклеиновых кислот, хранящих и передающих наследственную информацию. Эти изменения выражаются в виде генных мутаций или хромосомных перестроек.

Мутации возникают не мгновенно. Вначале под воздействием мутагенов возникает предмутационное состояние клетки. Различные репарационные системы стремятся устранить это состояние, и тогда мутация не реализуется. Основу репарационных систем составляют различные ферменты, закодированные в генотипе клетки (организма). Таким образом, мутагенез находится под генетическим контролем клетки; это - не физико-химический, а биологический процесс.

Механизм мутагенеза для разных мутагенов неодинаков.

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 (антимутагены). 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.

Мутагены, физические и химические факторы, вызывающие стойкие наследственные изменения -- мутации.

Было установлено, что мутагены при определенных условиях оказывают канцерогенное и тератогенное действие.

Канцерогены - это факторы, провоцирующие развитие онкологических заболеваний; тератогены - это факторы, провоцирующие развитие различных аномалий, уродств. Наряду с тератами - уродствами - часто встречаются морфозы - изменения, которые не ведут к утрате органом его функций.

Отличить мутагенное действие от тератогенного сравнительно легко: тераты (уродства) являются модификациями, они предсказуемы (направлены) и не сохраняются в последующих поколениях. Например, серая окраска тела у дрозофилы - это нормальный признак. В то же время известна мутация yellow - желтое тело. Эту мутацию легко получить искусственно, обрабатывая родительских особей различными мутагенами (разные мутагены могут давать одинаковый фенотипический эффект). Если личинкам дрозофилы добавлять в корм азотнокислое серебро, то все эти личинки разовьются в мух с желтым телом. Но, если от этих желтых мух получить потомство и выращивать его на обычной питательной среде, то все потомки вновь станут серыми. Таким образом, в данном случае «пожелтение» тела мух - это не мутация, а модификация, или фенокопия (модификация, по фенотипу копирующая мутацию).

Антимутагены - это вещества, понижающие частоту мутаций, препятствующие мутагенному действию химических или физических агентов. Антимутагены условно можно разбить на 3 группы:

1) блокирующие действие автомутагенов, естественно возникающих в клетках в процессе метаболизма (антиавтомутагены), например фермент каталаза, который разрушает обладающую мутагенным действием перекись водорода. Эти антимутагены обеспечивают сохранение определенного уровня спонтанных мутаций;

2) снижающие действие внешних, искусственных физических (ионизующей радиации и др.) или химических мутагенов. Такими антимутагенами являются сульфгидрильные соединения, сильные восстановители типа Na2S2O, некоторые спирты и углекислые соли. Антимутагены этих двух групп могут разрушать мутагены или конкурировать с важными в генетическом отношении структурами за взаимодействие с мутагеном, действовать как восстановители и т. д.;

3) ферментные системы, действующие непосредственно на уровне наследственных структур, то есть «исправляющие» поврежденные мутагеном участки хромосомы. Мутационный эффект может быть также снят физическим воздействиями определенной интенсивности (светом, высокой и низкой температурой и др.).

Автомутаген (от авто..., лат. muto -- изменяю и ...ген), вещество, возникающее в клетке или организме в процессе жизнедеятельности (например, при старении) и вызывающее наследственные изменения. Автомутагены могут вызывать как хромосомные перестройки, так и генные мутации.[3]

2.1 Особенности действия физических мутагенов

В настоящее время известно множество самых разнообразных мутагенов. Рассмотрим механизм действия некоторых из них.

К физическим мутагенам относятся: все виды ионизирующее излучение (альфа-, бета-, гамма-, нейтронное и рентгеновское излучение, протоны, нейтроны и др.), коротковолновое ультрафиолетовое излучение, СВЧ-излучение, действие экстремальных температур.

Действие ионизирующего излучения основано на ионизации компонентов цитоплазмы и ядерного матрикса. При ионизации возникают высокоактивные химические вещества (например, свободные радикалы), которые различным образом действуют на клеточные структуры. Рассмотрим наиболее изученные механизмы мутагенного воздействия ионизирующего излучения.

1. Непосредственное воздействие частиц с высокой энергией на ДНК, которое приводит к ее разрывам: одиночным (под воздействием гамма-квантов, рентгеновских лучей) или множественных (под воздействием альфа-частиц, нейтронного излучения). Это универсальный механизм возникновения хромосомных перестроек на всех стадиях клеточного цикла, но он действует очень грубо - обычно клетки теряют способность к нормальному делению и погибают. К разрывам ДНК приводит и ультрафиолетовое облучение.

2. Опосредованное воздействие ионизирующих факторов связано с нарушением структуры ферментов, контролирующих репликацию, репарацию и рекомбинацию ДНК. Этот механизм наиболее эффективно действует на синтетической стадии интерфазы. При больших дозах мутагенов клетки погибают. (Поскольку раковые клетки делятся непрерывно, то облучение является универсальным средством подавления развития метастазов при онкологических заболеваниях - непрерывно делящиеся раковые клетки более уязвимы, чем медленно пролиферирующие или непролиферирующие нормальные клетки.)

Опосредованное воздействие ионизирующих факторов индуцирует самые разнообразные генные и хромосомные мутации. При опосредованном действии ионизирующих факторов их мутагенный эффект может быть снижен с помощью специальных веществ - радиопротекторов. К радиопротекторам относятся различные антиоксиданты, взаимодействующие с продуктами ионизации. В то же время, мутагенный эффект может быть усилен, например, высокая температура повышает мутагенный эффект радиации.

3. Особенности мутагенного действия ультрафиолетовых лучей. ДНК интенсивно поглощает жесткий ультрафиолет с длиной волны ? 254 нм. Основным продуктом является образование нуклеотидных димеров: два нуклеотида, расположенных рядом в одной цепи ДНК, «замыкаются» сами на себя, образуя пары «тимин-тимин» и «тимин-цитозин». При репликации ДНК напротив такой пары в достраивающейся цепи могут стать два любых нуклеотида, то есть принцип комплементарности не выполняется. Ультрафиолетовый свет - это сравнительно мягкий мутаген, поэтому его широко используют в селекции растений, облучая проростки.

4. Особенности мутагенного действия экстремальных температур. Собственный мутагенный эффект экстремальных температур не доказан. Однако очень низкие или очень высокие температуры нарушают деление клетки (возникают геномные мутации). Экстремальные температуры усиливают действие других мутагенов, поскольку снижают ферментативную активность репарационных систем. [3]

2.2 Особенности действия химических мутагенов

К химическим мутагенам относятся самые разнообразные вещества. К химическим мутагенам принадлежат многие алкилирующие соединения (например, иприт, диметилсульфат, нитрозометилмочевина), аналоги азотистых оснований нуклеиновых кислот (например, 5-бромурацил, 2-аминопурин), акридиновые красители, азотистая кислота, некоторые алкалоиды, формальдегид, перекись водорода и некоторые органические перекиси, некоторые биополимеры (чужеродная ДНК, а также, по-видимому, чужеродная РНК) и многие другие вещества, число которых возрастает по мере обнаружения мутагенного действия соединений, ранее в этом отношении не изученных. Наиболее сильные химические мутагены, увеличивающие частоту мутаций в сотни раз, называются супермутагенами.

Рассмотрим мутагенное действие некоторых из химических мутагенов.

Алкилирующие агенты. Вызывают алкилирование ДНК (например, метилирование, этилирование и т.д.). В результате при репликации ДНК нарушается принцип комплементарности, и происходит замена нуклеотидных пар:

ГЦ > АТ; ГЦ > ЦГ; ГЦ > ТА

Некоторые из алкилирующих агентов в природе не встречаются, их не распознают ферменты защитных систем. Такие вещества называются супермутагенами (например, N-метил-N-нитрозомочевина). Супермутагены применяются в селекции растений для получения индуцированных мутаций; их используют также как стимуляторы роста (в сверхмалых концентрациях).

Гидроксиламин. Избирательно аминирует цитозин, что также нарушает принцип комплементарности при репликации ДНК. В результате происходит замена ГЦ > АТ.

Нитриты. Осуществляют окислительное дезаминирование гуанина, аденина, цитозина. Также нарушается принцип комплементарности при репликации ДНК. В результате происходит замена АТ > ГЦ.

Аналоги оснований. Это вещества, сходные с «обычными» азотистыми основаниями. Однако они способны образовывать комплементарные пары с разными «нормальными» основаниями. Например, при репликации ДНК напротив гуанина вместо цитозина достраивается 5-бромурацил (аналог тимина). В дальнейшем напротив 5-бромурацила достраивается аденин, а напротив аденина - обычный тимин. Этот же процесс может идти и в противоположную сторону. В результате происходят замены: ГЦ > АТ или АТ > ГЦ.

К химическим мутагенам условно можно отнести и ряд вирусов (мутагенным фактором вирусов являются, видимо, их нуклеиновые кислоты - ДНК или РНК). По-видимому, мутагены универсальны, то есть могут вызывать мутации у любых форм жизни -- от вирусов и бактерий до высших растений, животных и человека, но чувствительность организмов разных видов к действию мутагенов - их мутабильность - различна. Для всех известных мутагенов не существует нижнего предела их мутагенного действия, но с уменьшением дозы любого мутагена падает частота вызываемых ими мутаций (она сравнивается с частотой естественно возникающих мутаций в отсутствии данного мутагена).

Существует множество иных химических факторов, обладающих мутагенным, канцерогенным и тератогенным действием. Например, ионы тяжелых металлов, связываясь с ферментами репликации, репарации и рекомбинации, снижают их ферментативную активность. Таким образом, не являясь собственно мутагенами, ионы тяжелых металлов способствуют появлению мутаций.

Физические и химические мутагены широко используются в селекции сельскохозяйственных растений и полезных микроорганизмов с целью получения мутаций, служащих материалом для искусственного отбора.

Факторы, вызывающие мутации на генном уровне. В естественных условиях мутация появляется под влиянием факторов внешней и внутренней среды и обозначается термином «естественные (или спонтанные) мутации».

Причиной генных, или так называемых точечных, мутаций является замена одного азотистого основания в молекуле ДНК на другое, потеря, вставка, или перестановка азотистых оснований в молекуле ДНК. Отсюда следует - ген мутирующий у человека могут развиться патологические состояния, патогенез которого различен.

На факторы вызывающие мутации на генном уровне оказало соответствующее влияние окружающей среды (подагру, некоторые формы сахарного диабета). Подобные заболевания чаще проявляются при постоянном воздействии неблагоприятных или вредных факторов окружающей среды (нарушение режима питания и др.). Мутация гена может повлечь за собой нарушение синтеза белков, выполняющих пластические функции.

Генные мутации могут быть причиной нарушения транспорта различных соединений через клеточные мембраны. Они связаны с нарушением функций мембранных механизмов и с дефектами в некоторых системах.

Если мутация на генном уровне возникает при действии различных физических, химических, биологических факторов, то это называют мутагенезом.[3]

2.3 Мутагены окружающей среды

Человек в своей повседневной деятельности сталкивается с множеством химических веществ, используемых в огромном количестве в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и в быту.

Вещества, применяемые в промышленности

Мономер винилхлорида производится промышленностью более 50 лет. Свыше 95% его используется для производства синтетических смол. Мутагеном является не сам винилхлорид, а его метаболиты, в первую очередь, хлорэтиленоксид. Последний обладает сильнейшими мутагенными и канцерогенными свойствами для млекопитающих. Мутагенной активностью обладает стирол, использующийся в производстве полиэфирных пластмасс, и хлорпрен, применяемый в производстве полихлорпреновых эластомеров.

Установлена мутагенная активность соединений свинца, цинка, ртути, хрома и других металлов.

Вещества применяемые в сельском хозяйстве

Интенсивная химизация сельского хозяйства привела к повышению урожайности и одновременно к загрязнению окружающей среды пестицидами и другими химическими соединениями. Цитогенетические нарушения обнаружены и у лиц, контактировавших с беномилом, полихлорпреном, полихлоркамфеном, котораном, а также комплексом фосфорорганических и других пестицидов.

Лекарственные препараты

Наиболее выраженным мутагенным действием обладают цитостатики и антиметаболиты, используемые для лечения онкологических заболеваний и как иммунодепрессанты

Мутагенными для микроорганизмов оказались многие нитроимидазолы, которые обычно используются для лечения заболеваний, вызванных трихомонадами, амебами и анаэробными бактериями.

можно отнести противосудорожные препараты , психотропные (клозепин), гормональные, смеси для наркоза. Эти препараты индуцируют хромосомные аберрации у людей, регулярно принимающих или контактирующих с ними.

Компоненты пищи

Ряд веществ, содержащихся в пище, обладает мутагенной активностью. К ним можно отнести нитрозамины, тяжелые металлы, микотоксины, алкалоиды, некоторые пищевые добавки, а также гетероциклические амины и аминоимидазоазарены, образующиеся в процессе кулинарной обработки мясных продуктов. Считают, что около 80% нитратов, поступающих в организм, - растительного происхождения. Из них около 70% содержится в овощах и картофеле, а 19% - в мясных продуктах. С пищей человек получает всреднем около 100 мг нитратов в день.

Компоненты табачного дыма

Результаты эпидемиологических исследований показали, что в этиологии рака легкого наибольшее значение имеет курение. В настоящее время большое внимание уделяется изучению мутагенной активности табачного дыма и его компонентов . Большинство исследователей связывали мутагенную активность табачного дыма с содержанием в нем высокомутагенных продуктов пиролиза белков и аминокислот, а также нитрированных ароматических углеводородов. Кроме того, в табачном дыму обнаружены специфичные нитрозамины, представляющие собой нитрозированные производные алкалоидов табака.

Природные мутагены

В эту группу входят метаболиты растений и микроорганизмов - алкалоиды, микотоксины, антибиотики, флавоноиды. Наиболее сильными мутагенами являются афлатоксины - токсины грибов Aspergillus flavus Link и A.parasitucus speare. Афлатоксины отличаются среди микотоксинов своими токсическими свойствами и широким распространением. По химической структуре они представляют собой фурокумарины .

Немаловажное значение имеют результаты изучения влияния флавоноидов на активность известных мутагенных загрязнений окружающей среды. Совместное поступление их в организм человека имеет место в повседневной жизни. [4]

3. Какова роль мутаций в наследственном благополучии организма?

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.

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).[5]

3.1 Методы выявления мутагенов

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.[3]

3.2 Вклад мутагенов различной природы в загрязнение окружающей среды

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.