Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 3 - Д. Мецлер 1980

Биохимическая генетика и синтез нуклеиновых кислот и белков
Мутации, рак и генная инженерия
Химические мутагены

Одно из наиболее поразительных свойств живых существ — это высокая степень мутабильности генов. Вредные мутации уносят многие человеческие жизни в раннем возрасте. Считают, что очень высокая частота заболеваний раком у людей старшего возраста обусловлена в какой-то мере накоплением соматических мутаций. Многие мутации могут появляться в результате ошибок репликации ДНК, а также процессов репарации и рекомбинации. Скорость мутирования возрастает в присутствии химических мутагенов, под влиянием физических воздействий, таких, как, например, воздействие ультрафиолетовым излучением и рентгеновскими лучами, а также при случайном включении вирусной ДНК в хромосомы.

Получить такие мутации, как замена GC-пap на АТ-пары, можно простым химическим способом, а именно обработав их азотистой кислотой (HNО₂), которая осуществляет дезаминирование аминогрупп до гидроксильных групп. При этом цитозин превращается в урацил, который спаривается уже не с G, а с А. Таким образом, происходит по существу простое замещение или транзиция (разд. Г, 1). Под влиянием азотистой кислоты аденин превращается в гипоксантин, который (подобно гуанину) имеет тенденцию спариваться не с Т, а с С. (Гуанин также можно превратить в ксантин, однако такая замена не оказывает, по-видимому, существенного влияния на спаривание.) Многие другие химические модификации оснований также мутагенны. Так, например, к атому углерода в шестом положении в пиримидинах может присоединяться гидроксиламин, обладающий слабыми мутагенными свойствами. К наиболее сильным мутагенам относятся алкилирующие агенты. Эти соединения независимо от того, действуют ли они по SN1- или SN2-механизму, склонны избирательно взаимодействовать с атомом азота в седьмом положении гуаниновых остатков. В силу ряда причин алкилирование гуанина приводит к увеличению числа ошибок при спаривании¹⁾.

К числу наиболее токсичных и мощных алкилирующих агентов относятся иприт и его серусодержащие аналоги, например, бис- (2-хлорэтил) сульфид.

¹⁾ Появление положительного заряда в пуриновом кольце в результате метилирования атома азота в седьмом положении облегчает гидролиз N-гликозидной связи и апуринизацию. Однако этот процесс может приводить не к мутациям, а к летальному исходу. Возможно, что для появления мутаций более важным является метилирование кислорода в шестом положении гуанина.

Бифункциональные соединения этого типа очень токсичны и вызывают многочисленные летальные поперечные сшивки цепей ДНК. Монофункциональные «полуиприты» обладают мутагенными свойствами, однако, они менее токсичны. К другому классу сильных мутагенных алкилирующих агентов относятся нитрозоамины:

В лабораторных исследованиях часто используют N-метил-N-нитро- N-нитрозогуанидин — один из наиболее эффективных из известных;

химических мутагенов. Нитрозоамины относятся к числу наиболее сильных канцерогенных агентов; считают, что они могут играть важную роль в развитии рака у людей [245]. Нитрозоамины могут образовываться при взаимодействии любого вторичного амина с азотистой кислотой [уравнение (15-11)]. Эта реакция легко может протекать в желудке, причем образующиеся нитрозоамины будут всасываться и способствовать развитию рака в различных местах. Поскольку во всех растениях содержится определенное количество нитратов, причем в некоторых из них, например в свекле и шпинате, эти количества достаточно велики, вполне возможно, что они могут восстанавливаться до нитритов и взаимодействовать в желудке с вторичными аминами согласно уравнению

В беконе и в других копченостях содержатся как нитриты, так и нитраты. Тот факт, что в состав многих лекарственных препаратов и в состав натуральных пищевых продуктов входят вторичные амины, дает основание считать, что они могут играть важную роль в развитии рака у человека. Значимость этой проблемы возрастает в связи с тем, что сходным образом могут реагировать также и четвертичные амины (утрачивая одну из своих алкильных групп).

Другой способ, при помощи которого химические соединения могут вызывать мутации типа замены оснований, состоит в непосредственном встраивании соединения в молекулу самой ДНК. Так, например, 5-бромодезоксиуридин (или бромоурацил), мощный мутагенный агент, может замещать в ДНК тимидин. Менее эффективные агенты, предположительно действующие таким же образом, — это 2-аминопурин и 2,6-диаминопурин.

В меньшей степени, чем замена пар оснований, распространены мутации со сдвигом рамки (раздел Г, 1). Такие мутанты в отличие от мутантов с заменой оснований не так легко ревертируют, причем реверсия не индуцируется веществами, вызывающими замену оснований.

В то же время реверсия мутаций со сдвигом рамки индуцируется акридинами и другими плоскими соединениями, действующими как интеркалирующие агенты, «внедряющиеся» в спираль ДНК (гл. 2, разд. Г,9). Эти же интеркалирующие вещества способствуют появлению мутаций со сдвигом рамки, причем особенно эффективно они вызывают мутации в участках с многократными повторами одного и того же основания — типа таких, как, например, АААААААА. Реверсия мутанта Salmonella (—1), ауксотрофного по гистидину, может быть индуцирована 2-нитрозофлуореном, вызывающим делению двух пар оснований в «горячей точке» (место с высокой частотой появления мутаций) гистидинового [246] оперона:

Просто интеркалирующие агенты часто не проявляют сильных мутагенных свойств, тогда как соединения, совмещающие в себе свойства как интеркалирующих, так и алкилирующих агентов оказываются особенно эффективными. Примером такого рода соединений может служить сильный мутаген, содержащий интеркалирующее кольцо и боковую цепь полуиприта:

При замене группы СН₂СІ в боковой цепи на группу СН₂ОН мутагенная активность этого соединения уменьшается в 100 раз.