41. Спонтанные и индуцированные мутации. Их биологическая роль. Факторы мутагенеза. Классификация. Примеры. Оценка и профилактика генетического действия лучистой энергии.

Мутаций делят на спонтанные и индуцированные. Спон­танными называют мутации, возникшие под влиянием неизвестных природ­ных факторов, чаще всего как результат ошибок при репликации ДНК. Ин­дуцированные мутации вызваны специальными направленными воздейст­виями, повышающими мутационный процесс.

Наследственные различия у микроорганизмов, растений, животных и человека, в том числе наследственные болезни и уродства, появились в ре­зультате мутаций. Как уже было сказано, спонтанные мутации — явление довольно редкое (10^-6—Ю-⁷). Применение мутагенных агентов значительно повышает частоту мутаций.

Факторы, способные индуцировать мутационный эффект, получили наз­вание мутагенных. Установлено, что любые факторы внешней и внут­ренней среды, которые могут нарушить гомеостаз, способны вызвать мута­цию. Главнейшими мутагенными факторами являются: химические соедине­ния, различные виды излучений, биологические факторы.

Организм может подвергаться воздействию лучистой энергии в виде электромагнитных волн и корпускулярных частиц (электронов, протонов, нейтронов и др.). В излучении солнечного спектра содержатся инфракрасные и ультрафиолетовые лучи.

Ультрафиолетовые лучи относятся к коротковолновым лучам, обладающим высокой энергией, и поэтому могут вызывать генетические мутации. Интенсивное ультрафиолетовое облучение большой поверхности тела вызывает общее расстройство кровообращения, иногда шок, связанный с солнечным ожогом.

При воздействии радиации на клетки происходит образование химически активных свободных радикалов, которые могут взаимодействовать с липидами клеточных мембран, вызывая их разрушение путём образования цепных реакций с липидами, ДНК и другими макромолекулами. Большие дозы радиации вызывают гибель клетки, нарушая обменные процессы и разрушая мембраны. Умеренные и малые дозы вызывают генеративные или соматические мутации. Генеративные мутации могут вызвать генетические болезни, передающиеся детям, а соматические мутации могут вызвать нарушения тканевого роста в виде доброкачественных или злокачественных опухолей. Страдает также тканевая строма, сосуды. Вначале повышается проницаемость капилляров, клеточные элементы и жидкая часть крови поступает в ткань, вызывая отёк. Позднее возникает артериолосклероз и атрофия тканей.

В результате ионизирующего излучения, при несоблюдении режимов допустимого облучения во время работы в атомных центрах, подводных лодках, или во время медицинских воздействий, при массивном облучении всего организма возникает лучевая болезнь.

При облучении больше всего страдают быстро обновляющиеся клетки. Их хромосомный аппарат оказывается более чувствительным к облучению по сравнению с покоящимися клетками. Поэтому в коже в первую очередь страдают волосяные луковицы, возникает облысение, в желудочно-кишечном тракте и мочевыводящих путях наблюдается поражение эпителия слизистых оболочек, соответственно с диспепсическими и дизурическими явлениями. Значительно повреждаются быстро делящиеся клетки костного мозга и других кроветворных органов, что выражается в малокровии, нарушении свёртывания крови, иммунодефиците с развитием септических осложнений. При облучении яичек у мужчин и яичников у женщин страдает репродуктивная функция. У мужчин эндокринная функция яичек более устойчива по сравнению со сперматогенезом, который может полностью прекратится при обучении, возникает бесплодие. При облучении яичников у женщин полностью может прекратиться детородная функция, а при малых дозах облучения возрастает вероятность генетических дефектов у новорождённых. У беременных облучение повышает вероятность мертворождений и выкидышей. Отдалёнными последствиями облучения малыми дозами являются развитие солидных опухолей и лейкозов. Так, у людей, получивших облучение тимуса, увеличивается вероятность раковой опухоли щитовидной железы, а количество лейкозов у рентгенологов выше, чем у врачей других специальностей. Сейчас общепризнано, что беременным нельзя проводить рентгеновское исследование органов малого таза, а аналогичное рентгеновское исследование женщин можно проводить только в первые 10 дней после менструации, чтобы исключить облучение эмбриона.

42. Репарация генетического материала. Фотореактивация. Темновая репарация. Мутации, связанная с нарушением репарации, и их роль в патологии.

Различают 3 системы репарации генетического материала: эксци-зионная репарация (репарация путём «вырезания»), фоторепарация и пострепликативная репарация. Механизм эксцизионной репарации заключается в ферментативном разрушении изменённого участка молекулы ДНК с последующим восстановлением на этом отрезке нормальной последовательности нуклеотидов. Такой механизм включает следующие этапы разрыв спирали ДНК у места повреждения при участии эндонуклеаз; б) удаление поврежденного участка с запасом в обе стороны с помощью эндонуклеаз; в) синтез при участии ДНК-полимеразы на месте дефекта нормального участка ДНК; г) «сшивание» последнего с образовавав-шимися концами спирали ДНК при помощи фермента ДНК-лигазы (восстановление непрерывности ДНК). Например, под действием УФ-лучей у человека нарушается комплементар-ность пар нуклеотидов в двойной спирали ДНК (появляются пары Т-Т, Ц-Ц и т.п.). Они устраняются вышеописанным способом.

Пострепликативная репарация «включается» тогда, когда эксци-зионная репарация «не справляется» с устранением всех повреждений, возникших в ДНК до её репликации. При репликации во второй спирали ДНК возникают бреши - однонитевые пробелы, соответствующие изменённым нуклеотидам первой спирали. Бреши заполняются участками цепи с нормальной последовательностью нуклеотидов уже в ходе пострешгикативной репарации при участии ДНК-полимеразы. Фоторепарация заключается в расщеплении ферментом (дезоксирибо-пиримидинфотолиазой), активируемым видимым светом, циклобутановых димеров, возникающих в ДНК под действием ультрафиолетового излучения. Механизмам репарации свойственны нарушения и «сбои», которые приводят к повышению чистоты мутаций. Известны специфические мутации, блокирующие механизмы репарации и вызывающие наследственные заболевания (пигментная ксеродерма и др.).

Репарация представляет эволюционно выработанные приспособления, повышающие помехоустойчивость генетической информации и ее стабильность в ряду поколений. Механизм репарации основан на том, что каждая молекула ДНК содержит два полных набора генетической информации, записанной в комплементарных друг другу полинуклеотидных нитях. Это обеспечивает сохранение неискаженной информации в одной нити, даже если другая повреждена, и по неповрежденной нити исправит дефект.

В настоящее время известно три механизма репарации: фотореактивация, темновая репарация, пострепликативная репарация.

Фотореактивация заключается в устранении видимым светом димеров тимина, особенно часто возникающих в ДНК под влиянием УФ-лучей. Замена осуществляется особым фотореактивирующим ферментом, молекулы которого не обладают сродством с неповрежденной ДНК, но опознают димеры тимина и связываются с ними сразу после их образования. Этот комплекс остается стабильным, пока не подвергнется действию видимого света. Видимый свет активирует молекулу фермента, она отделяется от димера тимина и одновременно разъединяет его на два отдельных тимина, восстанавливая исходную структуру ДНК.

Темновая репарация не требует света. Она способна исправлять очень разнообразные повреждения ДНК. Темновая репарация протекает в несколько этапов при участии нескольких ферментов:

1. Молекулы эндонуклеазы постоянно обследуют молекулу ДНК, опознав повреждение, фермент разрезает вблизи него нить ДНК;

2. Эндо- или экзонуклеаза делает в этой нити второй надрез, иссекая поврежденный участок;

3. Экзонуклеаза значительно расширяет образующуюся брешь, отсекая десятки или сотни нуклеотидов;

4. Полимераза застраивает брешь в соответствии с порядком нуклеотидов во второй (неповрежденной) нити ДНК.

Световая и темновая репарации наблюдаются до того, как произошла репликация поврежденных молекул. Если же не происходит репликация поврежденных молекул, то дочерние молекулы могут подвергнуться пострепликативной репарации. Механизм ее пока не ясен. Допускается, что при ней бреши в дефектах ДНК могут застраиваться фрагментами, взятыми от неповрежденных молекул.

Предельно важное значение принадлежит генетическим различиям в активности репарирующих ферментов. Подобные различия имеются и у человека. У человека известно заболевание пигментная ксеродерма. Кожа у таких людей чувствительна к солнечным лучам и при их интенсивном воздействии покрывается крупными пигментированными пятнами, изъязвляется и может перерождаться в рак кожи. Пигментная ксеродерма вызывается мутацией, нарушающей механизм репарации повреждений, вызываемых в ДНК кожных клеток УФ-лучами солнечного света.

Явление репарации ДНК распространено от бактерий до человека и имеет большое значение для сохранения стабильности генетической информации, передаваемой из поколения в поколение.