Защита от мутаций

Все виды мутаций имеют большое значение для обогащения генофонда вида и служат резервом изменчивости в эволюции, но в то же время мутации и приводят к гибели большого числа особей каждого вида. Против губительного действия мутаций существуют защитные механизмы организмов.

Репарация ДНК

Уже в 1949 г. стало известно, что на свету идут процессы, которые предотвращают возникновение мутаций: если облучить ультрафиолетовыми лучами (УФ) культуру дрожжей, разделить ее на две части, одну оставить на свету, а вторую поместить в темноту, то оказывается, что на свету снимается до 85% мутаций.

Это явление получило название фоторепарации, или фотореактивации — восстановления ДНК. В 1960;е годы было установлено, что мутаген УФ вызывает не мутацию, а только предмутационное состояние гена. Процесс возникновения мутации растянут во времени. Предмутационное состояние гена вызывается тем, что в одной из цепочек ДНК рядом стоящие два пиримидиновых основания — ТТ; ЦЦ; ТЦ — образуют димер. Чаще всего образуются димеры тимина. Схематично это выглядит так, как показано на рис. 41.

Рис. 41. Процесс образования димеров тимина (по В. Н. Сойферу, 1970).

На свету (с использованием энергии света) активизируется строго специфичный фермент фотореактивации (узнает димеры тимина), который расщепляет димеры, возвращая их в мономерное состояние.

Вскоре было установлено, что в темноте тоже идет процесс репарации. Такая репарация получила название темновой. Идет она сложнее, чем световая, в несколько этапов, с участием нескольких ферментов (рис. 42):

• — надрезание нити ДНК вблизи повреждения;
• — выщепление пораженного участка из молекулы;
• — расширение бреши;
• — застройка бреши;
• — соединение концов и полное восстановление исходной структуры нуклеиновой кислоты.

Темновая репарация описана у прокариотов, высших растений, млекопитающих, человека. Репарационные процессы приводят к тому, что лишь одно на тысячу повреждений ДНК приводит к возникновению мутации.

Антимутагены

В 1950;е годы было обнаружено, что некоторые вещества обладают способностью значительно снижать действие мутагенов (на 60—70%).

Такие вещества получили название антимутагены, а сам процесс — антимутагенез. К настоящему времени выделено более 200 природных и синтетических соединений, обладающих антимутагенной активностью: это некоторые аминокислоты (аргинин, гистидин, метионин и др.), витамины, провитамины и ферменты, многие комплексные соединения растительного и животного происхождения.

Рис. 42. Этапы вырезания и репарации поврежденного участка ДНК.

(по Айала, 1988).

Установлено, что антимутагены достаточно эффективны для человека.

Наряду с мутагенами пища содержит и антимутагены, которые нейтрализуют эффект мутагенов.

Соотношение мутагенов и антимутагенов в продуктах зависит от сроков их хранения, способов консервирования, способов приготовления.

Сильные пищевые антимутагены — витамины и провитамины:

• — витамин С (аскорбиновая кислота) — высокое содержание отмечено в зеленом и красном перце, черной смородине, петрушке, апельсиновом, лимонном и грейпфрутовом соках, помидорах, огурцах, клюкве, крыжовнике и др.;
• — витамин Е (а-токоферол) в растительных продуктах: маслах, семенах, и проростках злаковых, облепихе, паслене, семенах шиповника;

• — витамин А, его синтетические аналоги и его провитамин каротин;
• — витамин В₄ (фолиевая кислота) — много в дрожжах, печени, зеленых листовых растениях;
• — витамин К (филлохинон) — им богаты листовые овощи, корнеплоды моркови, плоды тыквы.

Антимутагенами могут быть не только компоненты, но и пищевые продукты в целом: экстракты крестоцветных растений, среди которых наиболее активны различные виды капусты, уменьшали уровень мутаций в экспериментах с различными мутагенными компонентами пищи в 8—10 раз, экстракт яблок — в 8 раз, мятного листа — в 11 раз, зеленого перца — в 10 раз, баклажана — в 10 раз, винограда — в 4 раза.

Лопушник (семейство сложноцветных) оказался рекордсменом среди естественных антимутагенов — более чем в 20 раз снижает действие мутагенов.

Для каждого конкретного мутагена антимутагенная активность разных веществ специфична.

Каждый человек в силу специфичности своего генотипа специфично реагирует на разные воздействия внешней среды, в том числе и на мутагены и антимутагены.

Основные пути действия антимутагенов:

• 1) нейтрализация мутагена до его взаимодействия с ДНК;
• 2) предотвращение образования в процессе метаболической активности мутагенов из нетоксичных предшественников;
• 3) активация защитных ферментных систем организма;
• 4) предотвращение ошибок в процессе репликации ДНК;
• 5) активация световой и темновой репарации ДНК.

Несмотря на то, что в природе постоянно присутствуют мутагены, мутации возникают не всегда. Существуют механизмы, которые обеспечивают устойчивость генетического материала у эукариот:

• — диплоидный набор хромосом, даже летальная мутация может долго существовать в гетерозиготе;
• — двуцепочечность ДНК;
• — вырожденность генетического кода;
• — повторы некоторых генов;
• — экзон-интронная структура генов;
• — антимутагены;
• — репарация молекул ДНК.