Антимутагенная защита организма

Углубление представлений о роли ДНК — повреждений и мутационных событий в возникновении различных патологий, привело к выводу о необходимости первичной профилактики наследственных патологий [4]. Одна из ее составляющих — охрана окружающей среды, включающая генетический скрининг потенциальных мутагенов и мониторинг генотоксикантов в среде обитания человека, выходят за рамки настоящей работы, другая — антимутагенная защита будет подробно рассмотрена ниже.

Медицинские последствия мутагенеза Бурное техногенное развитие современного общества привело к появлению в окружающей среде огромного количества ксенобиотиков. В настоящее время известно более 40 тысяч соединений синтетического и природного происхождения, которые потенциально опасны для человека, многие из них являются канцерогенами и мутагенами [27].

Возникновение мутаций в зародышевых клетках приводит к увеличению количества лиц с генетически обусловленными патологиями. На сегодняшний день известно около 4 тысяч наследственных заболеваний, такие как синдром Дауна (встречается с частотой 1 пораженный на 400−800 новорожденных), преждевременное старение (синдром Вернера) и многие другие. Широкое распространение получили болезни с генетической предрасположенностью, такие как диабет и шизофрения. Ежегодно в мире рождается около 4−5 млн. детей с дефектами, имеющими генетическую природу. Спонтанные аборты, вызванные возникновением мутаций в зародышевых клетках, представляют серьезную угрозу, так как показано, что до 50% состоявшихся беременностей прерываются на самых ранних стадиях по причине генетических нарушений еще на стадии зиготы [13, 116]. Причинами, имеющими в основе повреждение генома, объясняется увеличение бесплодия у лиц репродуктивного возраста [130].

Индукция мутаций в соматических клетках, лежит в основе развития злокачественных новообразований. В современной литературе приводятся многочисленные сведения о том, что с разрывами ДНК связана активация онкогенов. Это свидетельствует о тесной связи между явлениями канцерогенеза и индуцированного мутагенеза. Худолей В. В. приводит данные о том, что ежегодно примерно у 6 миллионов жителей планеты выявляются злокачественные новообразования [32].

Воздействие мутагенов на генетический аппарат человека, постоянное увеличение «генетического груза» вредных рецессивных мутаций, которые не проявляются у непосредственных потомков, но по достижении определенной концентрации в геноме популяции резко повышают количество лиц с генетически обусловленными патологиями, ставит под угрозу существование человеческой цивилизации [5].

В силу множества причин исключить контакт человека с мутагенами различной природы практически невозможно. Сегодня мутагены обнаруживаются даже в составе женского молока — из 20 исследованных образцов от 6 до 13 в зависимости от использованного метода анализа продемонстрировали ДНК — повреждающую активность [98].

Таким образом, понимание серьезности и опасности последствий индуцированного мутагенеза привело специалистов медико-генетического профиля к необходимости поиска путей защиты, снижения негативного давления мутагенных средовых факторов на геном человека.

Возможности повышение устойчивости организма к мутагенным воздействиям Ключевым фактором в определении устойчивости клеток организма к мутагенным и генотоксическим воздействиям может быть питание. Оно определяет важные метаболитические и детоксицирующие реакции: то есть подверженность клеток влиянию канцирогенных веществ, поступающих в организм, их детоксикацию / активацию, восстановление ДНК, синтез и репарацию ДНК и т. п. Многие микроэлементы действуют как сопутствующие факторы в реакциях поддержания целостности ДНК. Недостаточные уровни содержания в клетке основных микроэлементов приводят к ослабеванию активности ферментов, требуемой для поддержания геномной стабильности, что приводит к увеличению спонтанного и индуцированного мутирования [93, 72, 41, 50, 88].

Примерно 40 микроэлементов (витаминов, минеральных веществ и других эссенциальных соединений) обязательно должны присутствовать в пищевом рационе человека, причем, в строго определенных количествах для обеспечения равновесия в процессах метаболизма [117]. Недостаток даже одного из соединений приводит к искажению метаболитических реакций, что может привести к эндогенным повреждениям ДНК. Однако, оптимальная ежедневная норма потребления микроэлементов для поддержания генетической стабильности неизвестна. Рекомендуемая норма потребления (РНП), разработанная специалистами лечебно-профилактического питания, основывается на результатах изучения сиюминутного влияния соединений на организм человека [136]. Оптимальная доза приема микроэлементов для поддержания геномной стабильности может колебаться в зависимости от возраста, генной конституции, социальных факторов, а также на нее могут оказывать влияние другие компоненты питания [40]. Определение оптимального количества микроэлементов и коррекция их недостаточности для поддержания генетической стабильности на сегодня является актуальной, но мало разработанной проблемой.

Недостаточность таких микроэлементов как фолиевая кислота, витамины В12, В6, С, Е, ниацин, железо и цинк вызывает хромосомные повреждения, связанные с одноили двунитевыми разрывами в ДНК. Эти нарушения являются факторами, приводящими к возникновению кардиоваскулярных и онкозаболеваний у человека [48]. В таблице приведены данные, отражающие связь между недостатком в питании основных нутриентов, повреждением ДНК и возникновением различных заболеваний [136].

Недостаточность некоторых микроэлементов и повреждение ДНК.

Рак простаты.

Ames B.N. [39, 40] полагает, что существует взаимозависимость между наиболее часто встречающимися у человека дефицитами микроэлементов и возросшим увеличением раковых заболеваний. Например, включение урацила в ДНК, вызванное низким потреблением фолитов, и окисление ДНК-оснований, вызванное низким содержанием антиоксидантов в пище, может независимо, или в совокупности вызвать повреждения ДНК. Последнее исследование, показывающее возрастание риска рака груди у тех, у кого наблюдается полиморфизм в МпСОД (фермент супероксиддисмутаза) и недостаточное потребление в пище антиоксидантов, еще более обращает внимание на важность проблемы взаимодействия на уровне пища — генная структура [38].

Доказательства роли микроэлементов в различных аспектах поддержания ДНК, помощи в предотвращении рака, сердечных болезней, синдрома Альцгеймера и преждевременного старения, и их роль в поддержании геномной стабильности были получены путем экспериментов на млекопитающих и на человеке, в обоих случаях использовались культуры in vitro и подходы in vivo. Эффективность и необходимая дозировка таких добавок представляется важным направлением исследований фармакогенетики [64, 138, 103, 124, 38].

Рекомендуемая диетическая норма (РДН) микроэлементов традиционно устанавливалась на таких уровнях, которые были необходимы для предотвращения симптомов витаминной недостаточности. Однако, есть много оснований полагать, что более высокие уровни присутствия в организме некоторых биологически активных веществ могут быть необходимы для обеспечения процессов, поддерживающих целостность ДНК, и, следовательно, потребление микроэлементов в рекомендованных РДН дозах может быть недостаточным для обеспечения стабильности генома. Дополнения к обычному рациону питания в виде препаратов витаминов и / или минералов, или отдельных растительных полифенолов становятся все более распространенными среди большой части населения. Однако не существует жесткой нормы по поводу количественного потребления подобных добавок, генотипические индивидуальные различия также не принимаются в расчет.

Теоретическое определение оптимального уровня приема витаминов и минералов в целях поддержания геномной стабильности будет способствовать созданию надежных рекомендаций, нацеленных на профилактику так называемых дегенеративных болезней, вызванных повреждением ДНК. Концепция РДН, направленная на поддержание геномной стабильности, содержит новый подход к определению пищевого рациона, который помог бы предотвратить болезни, вызванные повреждением ДНК [71].

Витамины и другие биологически активные вещества органического происхождения как факторы поддержания стабильности генома Эпидемиологические данные свидетельствуют, что прием пищи, богатой витамином С, связан с сокращением риска сердечно-сосудистых заболеваний, неврологических заболеваний и разных видов рака [79]. В своем исследовании Halliwell B. указывает, что в настоящее время недостаточно проверенных данных, касающихся прооксидантного эффекта витамина С в дозах, превышающих РДН. Однако автор предполагает наличие у данного вещества способности обеспечивать стабильность генных структур именно из-за его антиканцерогенных качеств [79].

Витамин Е — другой витамин антиоксидант, играющий важную роль в предотвращении переокисления липидов. Claycombe R.J. и Meydani S.N. в своем исследовании показали, что витамин Е играет защитную роль против повреждения хромосом и окисления ДНК. Однако только у одного из пяти участников исследования наблюдалось уменьшение повреждения ДНК после дополнительного приема витамина Е [54].

Ниацин — один из немногих витаминов, который выполняет хорошо изученную роль в синтезе ДНК, восстановлении ДНК и гибели клетки. Ниацин — предшественник НАД+, который требуется как субстрат для поли (АБР-рибозы) — полимеразы-1 (PARP). PARP играет решающую роль при восстановлении разрывов в цепи ДНК и при инициации клеточной реакции на повреждение ДНК. Статус ниацина или активность PARP может сыграть решающую роль в определении, может ли клетка, в которой произошло разрушение ДНК, восстановиться или погибнуть. Hageman G.J. и Steiram R.H. в своем исследовании, посвященном определению воздействия добавочного ниацина на человека in vivo, не выявили надежных результатов, которые могли бы определить оптимальную дозу приема этого витамина, но подтвердили его существенную роль в обеспечении стабильности генома.

Фолиевая кислота — второй витамин, который играет решающую роль в предупреждении включения урацила в ДНК (что ведет к повреждению хромосом) и гипометиляции ДНК. Было показано, что нехватка как фолиевой кислоты, так и витамина В12, вызывает повреждение хромосом и формирование микроядер у человека in vivo. В своем исследовании о влиянии на человека этих двух витаминов in vivo Fenech М. [2001] приходит к выводу, что прием избытка (200 мг) фолиевой кислоты и (2 мг) витамина В12 снижает уровень повреждений хромосом [73]. Исследования Skibola C.J. et al. [1999] и Ames B. N [1999] показали, что оптимальная доза приема с пищей для поддержания геномной стабильности данных микроэлементов зависит от возраста и генотипа [39, 127]. Возрастной фактор особенно важен для фолиевой кислоты и витамина В12, потому что способность всасывания этих витаминов заметно снижается с возрастом.

Список микроэлементов, играющих важную роль в метаболизме ДНК, все возрастает, и одним из последних в него добавился витамин Д. Chaatterjee М. указывает на роль этого соединения в регуляции экспрессии онкогенов, синтеза кальциево-связанных протеинов, а также отмечает антиоксидантную активность витамина Д и его значение для регуляции уровней эндогенных антимутагенов глютатиона и полиаминов в здоровых клетках и процессов апоптоза раковых клеток. Chatterjee М. заключает, что принятая в данное время РДН — 5 мг в день — недостаточна для некоторых людей, и рекомендует пересмотр последней, с учетом возможной роли витамина в профилактике раковых заболеваний [53].

Растительные полифенолы — постоянно присутствуют в пищевом рационе. Они играют решающую роль в модифицировании генной экспрессии, антиоксидантного статуса и, соответственно, риска раковых и сердечно-сосудистых заболеваний у человека. Ferguson L.R. [2001] объясняет биологическую активность различных растительных полифенолов их способностью вызывать и / или предотвращать повреждение ДНК [74].

В группу полифенолов входят флавоноиды, танины, катехины. Большинство сведений о влиянии флавоноидов и других полифенолов на спонтанный и индуцированный мутагенез было получено в экспериментах на микроорганизмах. Исследований, выполненных in vivo или in vitro на эукариотических клетках, особенно ценных с точки зрения экстраполяции на человека, немного. Галангин в экспериментах in vivo и in vitro снижал кластогенный эффект блеомицина в клетках мышей [84], а также уменьшал образование микроядер под влиянием митомицина С в ретикулоцитах периферической крови мышей [85]. Повреждающее ДНК действие блеомицина усиливалось под влиянием кверцетина, мирицитина, госсипола. В то же время госсипол ингибировал индукцию микроядер, образующихся в половых клетках самцов мышей под действием нитрозометилмочевины и фотрина [22]. Также ранее было показано, что рутин и комплекс солей флавоноидов шлемника байкальского с аминокислотами уменьшают кластогенное действие хризотил-асбеста и цеолита в культуре клеток человека. Кроме того, флавоноиды обладали аналогичной активностью по отношению к диоксидину [18]. Однако сегодня, по мнению Ferguson L.R., еще недостаточно данных, чтобы было возможно рекомендовать прием флавоноидов с целью предотвращения мутагенеза [74].

Минеральные вещества и их роль в антимутагенной защите организма Селен рассматривается в качестве важного компонента пищи, играющего ведущую роль в регуляции мутагенеза и канцерогенеза. El;

Bayoumy K. показано, что селенит натрия ингибирует мутагенное действие N — нитрозо-2-ацетиламинофлуорена, регистрируемое методами учета СХО и хромосомных аберраций в культуре клеток китайского хомячка [69]. В то же время другими авторами было показано, что селен обладает мутагенными свойствами и способен усиливать действие ряда химических мутагенов in vivo и in vitro [47].

Медь является кофактором многих ферментов, цитохромов, супероксиддисмутазы Cu/Zn [95], регулирующих реакции окисления-восстановления. Человеку рекомендуется принимать 1 — 3 мг меди в день, и предполагается, что такой дозы достаточно для поддержания стабильности генома. Прием больших доз этого элемента принципиально может привести к геномной нестабильности за счет усиления прооксидантных реакций, однако, существует гомеостатический контроль уровня меди в плазме крови.

Железо, подобно меди, также вовлечено в прооксидантные реакции, и его высокий уровень, скорее всего, усиливает окислительные процессы [63]. Клетки и живые организмы имеют механизмы уменьшения концентрации ионов железа, например, регулируемую межмембранную транспортировку ионов этого металла. Кроме того, существенную роль в предотвращении его негативных эффектов играют ферменты, утилизирующие оксиданты, возникающие при участии железа [63].

Цинк — активный центр фермента супероксиддисмутазы, и это определяет его роль в предупреждении эндогенных и экзогенных повреждений генома, опосредованных через интенсификацию образования АФК и ПОЛ. Однако, уровень его оптимального с точки зрения генетической стабильности поступления в организм еще не определен [65].

Таким образом, на сегодня имеется большое количество сведений о влиянии диетических факторов на генную стабильность, однако их количество и качество недостаточно для того, чтобы окончательно определить необходимый для поддержания здоровья человека уровень поступления того или иного микроэлемента или их комплексов. Пробелы в знаниях по этим вопросам могут быть ликвидированы только путем проведения соответствующих экспериментов с различными типами пищевых ингибиторов мутагенеза, что приведет к более глубокому пониманию связей между концентрацией микроэлементов и повреждением ДНК.

Фармакологическая защита генома Наиболее продвинутым направлением в области антимутагенной защиты организма человека является разработка фармакологических средств защиты генома.

На сегодня имеется достаточно большое сведений о соединениях различной природы, способных в условиях эксперимента снижать или подавлять индуцированный мутагенез. Антимутагенные свойства в различных тест-системах демонстрируют фармакологические средства различного назначения, такие как бензодиазепиновые транквилизаторы (диазепам, феназепам и другие), актопротекторы — производные 2-меркаптобензимидазола (бемитил и другие), сульфаниламиды (стрептоцид, норсульфазол и другие), индукторы синтеза эндогенных интерферонов, соединения, являющиеся производными 1,4 — дигидропирина, 3-оксипиридина, дигидрохинона, фенотиазина, а также тиреоидные гормоны [1, 11, 21, 18, 80, 81, 75]. Эти антимутагены по своим физико-химическим характеристикам и функциональным назначениям весьма различны и имеют разные механизмы действия антимутагенной защиты.

Среди соединений психотропного ряда и актопротекторов, диазепам вызывал снижение хромосомных аберраций, индуцированных циклофосфаном, в клетках костного мозга мышей, проявляя тем самым антимутагенные свойства. Феназепам предотвращал цитогенетические последствия эмоционального стресса, снижал выход генных мутаций, индуцируемых фопурином у дрозофилы, редуцировал уровень хромосомных аберраций, индуцированных фотрином и фопурином в клетках костного мозга мышей [17].

Актопротектор бемитил, снижающий потребление кислорода клетками [2] и антигипоксант томерзол также продемонстрировали в разных тест-системах антимутагенные свойства [17]. По мнению авторов, антимутагенная активность этих соединений сопряжена с их антирадикальными свойствами. Этими же авторами описаны антимутагенные свойства производного 3-оксипиридина мексидола. В культуре цельной крови человека мексидол ослабляет цитогенетический эффект фотрина, но усиливает цитогенетический эффект диоксидина. По отношению к алкилирующим агентам фотрину и фопурину антимутагенные свойства мексидола были подтверждены в экспериментах на мышах.

Фармакологические средства защиты генома обладают высокой специфичностью и за счет этого большой эффективностью. Так, в ряде случаев удается полностью устранить мутагенное действие ксенобиотиков [17, 12]. Использование антимутагенных компонентов в составе лекарственных форм позволяет разрабатывать генетически безопасные лекарства на основе потенциально мутагенных субстанций. Например, лекарственная форма фурадонина в отличии от нативной субстанции не обладает мутагенными свойствами из-за протекторного эффекта глицирама, входящего в ее состав [17].

Однако, применение фармакологических антимутагенов осложнено ограниченной возможностью их назначения здоровым людям для профилактики вероятностных последствий индуцированного мутагенеза.

В этом случае целесообразнее применение веществ, то есть антимутагенных соединений, которые можно использовать одновременно в качестве лекарств и пищевых добавок лечебно-профилактической направленности. Особое внимание в этой связи привлекают такие соединения как каротиноиды, аспартам и некоторые другие пищевые добавки. В рамках настоящей работы важно подчеркнуть, что часто вещества двойного назначения, в том числе и упомянутые аспартам и бета-каротин употребляются в качестве вспомогательных в составе лекарственных форм. Пример успешного совместного использования глицирама и фурадонина указывает на перспективу использования с аналогичной целью указанных соединений.

мутагенез геном раковый.