ГЕНЕТИКА - Підручник - А.В. Сиволоб - 2008

РОЗДІЛ 4. Мінливість генетичного матеріалу

МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ МУТАЦІЙНОЇ МІНЛИВОСТІ

Індукція мутацій мутагенними факторами

За своєю природою мутагени поділяють на фізичні, хімічні та біологічні. Коли мутагенний фактор безпосередньо взаємодіє з ДНК і викликає пошкодження, говорять про пряму дію мутагену. Мутаген може не взаємодіяти з ДНК, але запускати каскад процесів, які в кінцевому наслідку приводять до появи пошкоджень (або до інгібування їхньої репарації). У цьому випадку йдеться про опосередковану дію мутагену. Більшість мутагенних факторів, незалежно від їхньої природи, мають як пряму, так і опосередковану дію. Майже всі мутагени є одночасно й канцерогенами, тобто вони здатні стимулювати розвиток пухлин.

Хімічні мутагени за своєю структурою та механізмами дії являють собою дуже різноманітну групу сполук. Хімічні мутагени можуть бути нормальними метаболітами клітини - аутомутагени, або потрапляти в організм (клітину) ззовні - ксенобіотики Найчастіше хімічні мутагени класифікують за хімічною структурою або за типом реакції з ДНК.

Деякі хімічні мутагени є аналогами азотистих основ. Вони за структурою подібні до нормальних основ і можуть використовуватися ферментами, які забезпечують процеси синтезу нуклеїнових кислот. Наприклад, 5-бромурацил є аналогом тиміну і, відповідно, може включатися замість нього в ДНК. Проте, на відміну від тиміну, 5-бромурацил значно легше піддається таутомерізації: у результаті в наступному реплікаційному циклі напроти 5-бромурацилу до ДНК часто включається гуанін.

Ароматичні сполуки, здатні до інтеркаляції (вбудовування) між сусідніми парами основ подвійної спіралі ДНК, належать до інтеркалюючих мутагенних чинників. Прикладами є бромистий етидій і дауноміцин (рис. 4.9, а, б), профлавін, актиноміцин D тощо - планарні молекули, які за розміром наближаються до пурин-піримідинової пари. Вбудовуючись у подвійну спіраль, інтеркалятор удвічі збільшує відстань між сусідніми парами основ (рис. 4.9, в). Під час реплікації відбувається інсерція додаткового нуклеотиду в місці інтеркаляції, що призводить до мутації - зсуву рамки зчитування.

Рис. 4.9. Хімічні формули бромистого етидію (а) і дауноміцину (б) і структура комплексу інтеркальованої похідної дауноміцину (червона) з ДНК (в, зображення створено за допомогою програми PyMOL, код структури у Protein Data Bank 1NAB)

Різноманітні природні та синтетичні речовини, взаємодіючи з ДНК, викликають хімічні модифікації азотистих основ. Скажімо, сильні окисники, такі як азотиста кислота або біхромат калію, викликають окисне дезамінування основ. Алкілуючі агенти (нітрозометилсечовина, тіофосфамід та інші) приєднують алкільні радикали як екзоциклічні групи азотистих основ.

Деякі хімічно інертні молекули, що потрапляють в організм, набувають мутагенних властивостей тільки внаслідок їхніх метаболічних перетворень - метаболічної активації. Такі хімічні речовини називають промутагенами - це, наприклад, гідрофобні поліциклічні ароматичні вуглеводні, афлотоксин (токсин, що синтезується багатьма мукоровими цвілевими грибами).

Узагалі, пошкодження ДНК хімічними речовинами далеко не завжди спричиняється безпосередньою взаємодією мутагену з азотистими основами чи цукрофосфатним остовом. Часто хімічні речовини вступають у складні внутрішньоклітинні реакції, що супроводжуються появою вільних радикалів, які пошкоджують ДНК. Генераторами вільних радикалів можуть виступати сильні окисники, солі металів, деякі антибіотики, наприклад блеоміцин. Хімічними мутагенами, які не взаємодіють з ДНК, є також інгібітори ферментів метаболізму нуклеїнових кислот і репарації. Так, сильним інгібітором систем репарації ДНК є алкалоїд кофеїн. Аналог тиміну - 5-фторурацил - сам у ДНК не вбудовується, а є інгібітором ферменту тимідилатсинтетази. Результатом є нестача тимінових нуклеотидів у клітині, що може бути причиною утворення одноланцюгових прогалин при реплікації ДНК.

Фізичні мутагенні фактори представлені електромагнітним випромінюванням із довжиною хвилі менше 300 нм і корпускулярними випромінюваннями. Іонізуюче випромінювання (рентгенівські та у-промені, а- і в-частинки) викликає іонізацію молекул - втрату чи приєднання електронів, унаслідок чого утворюються позитивно чи негативно заряджені радикали компонентів нуклеїнових кислот. Хімічні реакції між цими радикалами викликають руйнування різноманітних ковалентних зв'язків: фосфодіефірних, глікозидних, зв'язків усередині азотистих основ і цукрів. Подібні процеси індукують як точкові, так і хромосомні мутації всіх типів. Крім прямої дії на ДНК, іонізуюче випромінювання індукує появу вільних гідроксильних і пероксидних радикалів, які підсилюють пряму мутагенну дію іонізуючої радіації.

Серед неіонізуючого випромінювання найбільшу мутагенну активність мають ультрафіолетові промені короткохвильового діапазону (100-280 нм). Саме в цій спектральній області знаходяться максимуми поглинання світла азотистими основами. Поглинання енергії ультрафіолетових променів веде до збудження електронів - їхнім переходам на вищі енергетичні рівні, що дає можливість проходженню фотохімічних реакцій між азотистими основами. Найчастіше продуктами таких реакцій є піримідинові димери, наприклад, між сусідніми (по одному ланцюгу) тимінами (див. рис. 1.18). Довгохвильовий максимум поглинання основ припадає на 260 нм: світло з довжиною хвилі понад 280 нм практично не поглинається ДНК. Певна мутагенна активність довгохвильового ультрафіолету пояснюється поглинанням енергії іншими хромофорами (наприклад, деякими коферментами) із подальшою передачею електронного збудження на ДНК. Крім того, поглинута енергія може також бути причиною генерації вільних радикалів деякими молекулами (скажімо, рибофлавіном).

До біологічних мутагенних факторів відносяться віруси, бактерії, паразити. Основною причиною мутагенної активності вірусів (ретро- вірусів і вірусів, що містять ДНК, див. розділ 5) є інтеграція їхніх ДНК у геном хазяїна. Інтеграція в межах кодуючої або регуляторної ділянки гена може викликати мутацію або вплинути на нормальну експресію. Мутацію може спричинити екзогенна ДНК, штучно введена в клітину. Подібний механізм мутагенезу є цілком подібним до ефектів переміщення мобільних елементів (розділ 6). Крім того, причиною збільшення загального рівня мутацій у клітинах, оброблених екзогенною ДНК або заражених вірусами, є "конкуренція" чужорідної ДНК із клітинною за молекулярну машинерію систем репарації.

Зростання рівня мутацій різного типу, що спостерігається в соматичних клітинах організмів, які піддалися вірусним, бактеріальним та іншим інфекціям, носить назву інфекційного мутагенезу. Інфекційний мутагенез пояснюється комплексом процесів, що відбуваються при взаємодії організму хазяїна з інфекційним агентом або паразитом. Причиною мутацій можуть бути, наприклад, токсини, які виділяють бактерії та паразити, токсичні метаболіти й речовини, синтезовані організмом при реакціях імунної відповіді.