Виды мутагенных факторов

В настоящее время различают три группы мутагенных факторов: физические, химические и биологические.

К физическим мутагенам относят все виды ионизирующих излучений (гаммаи рентгеновские лучи, протоны, нейтроны и другие), ультрафиолетовое излучение, высокие и низкие температуры. Источники излучения — солнечный свет, ртутные лампы, рентгеновское излучение, радиоактивные элементы.

Химические мутагены — химические вещества, способные вызывать мутации. К химическим мутагенам относятся многие алкилирующие соединения, аналоги азотистых оснований нуклеиновых кислот, производные акридина, некоторые биополимеры (чужеродные ДНК или РНК), алкалоиды и многие другие. Также среди химических мутагенов выделяют супермутагены, увеличивающие частоту возникновения мутаций в 5−50 раз по сравнению с природной. Супермутагенами являются: диметилсульфат, иприт, этиленимин, уретан и др.

К биологическим факторам мутагенеза относят старение, иммунные, нейроэндокринные конфликты в организме, а также последствия воздействия на организм факторов инфекционной природы. Биологические факторы играют колоссальную роль не только в мутационных поражениях клеток растений, животных и человека, но и способны изменить последствия радиационного и химического мутагенеза.

Кроме того, несомненно, что биологические факторы мутагенеза стоят у истоков эволюции жизни на Земле. Совершенно очевидно, что, в большинстве случаев, при биологическом мутагенезе возникновение изменений происходит опосредованно.

В организме и в клетках имеются факторы которые могут индуцировать структурные хромосомные нарушения или же вызвать нарушения течения деления клеток, что в свою очередь приводит к появлению клеток с измененной плоидностью ядра.

Рис. 1. — Внутриклеточные факторы инфекционного мутагенеза:

Особое внимание привлекают лизосомы, в которых имеются ферменты — способные вызвать нарушение структуры хромосом, это, в основном, ДНК-азы и протеазы. Разрушение мембран лизосом или повышение их проницаемости может вызвать выход лизосомальных ферментов и, при воздействии на ядро, они могут индуцировать деструкцию хроматина. В настоящее время показано, что таким способом могут вызывать мутации некоторые вирусы.

В случае инфекционного процесса при размножении возбудителя внутри клетки, как правило, наблюдается конкуренция между инфектом и клеткой за предшественники нуклеиновых кислот. Поскольку инфект размножается очень быстро, то клетка-хозяин может недополучать «строительный материал». При вступлении в стадию синтеза ДНК инфицированная клетка испытывает дефицит структурных компонентов ДНК, и это также может обусловить появление ошибок при биосинтезе наследственных молекул. Известно, что в ликвидации инфекта принимают активное участие лейкоциты — макрофаги, нейтрофилы, Ти В — лимфоциты.

Эти клетки стремятся уничтожить проникший паразитарный агент или инфицированную им клетку, при этом образуются самые разнообразные «активные» молекулы — перекиси, синглентный кислород, а также некоторые ферменты, которые могут способствовать возникновению поломок в генетическом аппарате клеток инфицированного организма. Внимание привлекают антинуклеарные антитела, которые образуются при многих аутоиммунных конфликтах, а также при инфекционных заболеваниях. Показано, что они способны проникать и соединяться с хроматином ядра. Некоторые из них специфичны, например, при склеродермии образуются антитела против кинетохоров хромосом, что может обусловить неверное расхождение хромосом при делении клеток.

Миллиарды лет эволюции жизни на Земле привели к появлению и развитию систем призванных защищать клетки организма от самых разнообразных мутагенных факторов. К наиболее древним следует, по-видимому, отнести системы, способные устранять потенциально мутагенные соединения, например активные формы кислорода. Это, в основном, специальные ферменты, разрушающие перекиси и стабилизирующие их. Кроме того, на заре эволюции появились и системы ДНК-репарации, способные обнаруживать и устранять дефекты в молекуле ДНК. Эти системы имеются у очень примитивных организмов — прокариот (бактерий, сине-зеленых водорослей), имеющих несовершенное ядро без ядерной оболочки. С появлением эукариот, имеющих, как правило, много хромосом, возникают системы способные снизить мутагенный эффект окружающей среды на уровне всего генома. По-видимому, к первым таким приобретениям следует отнести способность клеток увеличивать геном — полиплоидизироваться. Дело в том, что в полиплоидных клетках, когда ген представлен многими копиями, поражение одной из копий ни к каким особым генетическим последствиям не приведет, поскольку зачастую мутантные аллели рецессивны, а нормальная аллель гена доминантна.

В связи с этим обращает на себя внимание то, что большинство одноклеточных эукариот полиплоидны. К таким суперполиплоидам следует отнести, например, амебу. На границах ареала (области) существования вида у растений часто встречаются полиплоиды. Они растут в пустынях, в Арктике и высоко в горах. Зачастую, именно здесь и сталкивается организм с природными мутагенами — ультрафиолетовой и космической радиацией, резкими перепадами температур, наличием озона и т. п.

Полиплоидизация, как способ защиты, по-видимому, используется и клетками печени у человека и животных. Печень — орган, призванный разрушать и удалять потенциально ядовитые вещества как образующиеся в процессе метаболизма в организме, так и поступающие в этот организм извне. Таким образом, именно здесь особенно часта встреча клеток организма с мутагенными факторами. Известно, что генетически измененные клетки при ухудшении способности к нормальной жизнедеятельности способны к автолизу, когда в клетке срабатывают системы приводящие к ее саморазрушению. У многоклеточных организмов автолиз приводит к «безболезненному» очищению организма от таких дефектных клеток. Кроме того, в многоклеточном организме клетки как бы следят друг за другом. Они, по-видимому, должны быть наделены способностью устранять генетически измененных «соседок» (рис. 2).

Рис. 2. — Гипотетические модели механизмов поддержания генетической стабильности клеток организма:

Особым этапом эволюции следует считать появление систем, призванных следить за генетической «благонадежностью» сочленов данного организма. Уже на ранних этапах эволюции многоклеточного организма начинают появляться особые клетки — иммуноциты, способные защищать организм от всего генетически чужого. Клеточный иммунитет был открыт русским ученым И. И. Мечниковым. Как оказалось иммуноциты — основа защиты организма от проникновения большинства чужеродных субстанций. Исследованиями знаменитого ученого иммунолога Ф. Бернета было доказано, что иммунная система призвана не только защищать организм от инфекции, но и способна обнаруживать и устранять генетически измененные клетки внутри собственного организма, поскольку совершенно очевидно, что дефектное функционирование генетически аномальных клеток приводит к снижению жизнеспособности данной особи.

Ингибирование (подавление) систем, призванных следить за генетическим гомеостазом организма, как правило, приводит к накоплению в организме числа мутантно измененных клеток. Большинство вирусных инфекций способствуют снижению способности клеток к репарации ДНК, кроме того, некоторые вирусы снижают активность естественных клеток — киллеров. Совершенно очевидно, что на этом фоне любые мутагенные как экзогенные, так и эндогенные мутагенные факторы, даже очень слабые, индуцируют мутации, и они не устраняются из организма и постепенно накапливаются. Накопление же генетически дефектных соматических клеток — путь к дисфункциональным изменениям, старению и болезням организма.