Генетическая токсикология. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ

БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Х.М. БЕРБЕКОВА»

ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ

Рекомендовано Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению 06.04.01 Биология

НАЛЬЧИК

2015

УДК 615.4 (075.8) ББК 52.84 Я73 Г34

Рецензенты:

кафедра зоотехнии Кабардино-Балкарского государственного аграрного университета им. В.М. Кокова

кандидат биологических наук, доцент кафедры клеточной биологии, морфологии,

микробиологии биолого-химического факультета Чеченского государственного университета

П.М. Джамбетова

Составители: Биттуева М.М., Абилев С.К., Керефова М.К.,

Паритов А.Ю., Хандохов Т.Х., Гидова Э.М., Боготова З.И.

Г34 Биттуева, М. М. Генетическая токсикология [Текст] : учебное пособие / М. М. Биттуева, С. К. Абилев, М. К. Керефова, А. Ю. Паритов, Т. Х. Хандохов, Э. М. Гидова, З. И. Боготова. – Нальчик : Каб.- Балк. ун-т, 2015. – 68 с. – 50 экз.

Издание посвящено вопросам, связанным с наследственностью и изменчивостью живых систем, проблемами мутагенеза и канцерогенеза, историей возникновения генетической токсикологии как научного направления, задачами генетической токсикологии и развитием ее методологии. Кроме того, рассматриваются стратегии и правила тестирования генотоксичных соединений с целью выявления потенциальных канцерогенов для человека и соединений, способных индуцировать наследственные мутации у человека. Отмечены основные достижения генетической токсикологии в XX веке и затронуты ее основные проблемы в XXI веке.

Предназначено для магистрантов, обучающихся по направлению «Биология».

УДК 615.4 (075.8) ББК 52.84 Я73

Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова, 2015

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Дисциплина «Генетическая токсикология» преподается на втором курсе магистратуры и является незаменимым компонентом в преподавании специализированных дисциплин при углубленном изучении общей и молекулярной генетики. В курсе рассматриваются такие важные проблемы генетической токсикологии как тестирование загрязнителей окружающей среды, генетический груз, передающийся из поколения в поколение, основы мутагенеза и антимутагенеза. Подробно рассматриваются вопросы различных теорий канцерогенеза. Кроме того, программа курса включает такие разделы генетической токсикологии как модификационная изменчивость и различные теории мутагенеза, биологическое действие радиации, репарация ДНК, тест-системы и генетический мониторинг.

Особое место отводится в курсе вопросам связи генетической токсикологии с другими биологическими дисциплинами, а также той роли, которую играет сегодня эта наука в развитии охраны окружающей среды и социальных сфер жизни общества.

Дисциплина «Генетическая токсикология» является курсом по выбору в вариативной части профессионального цикла.

5

Глава 1. ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ТОКСИКОЛОГИИ

В1956 г. ботаник Альфред Бартельмес в Мюнхене опубликовал обзорную статью, названную «Мутагенные лекарства», в которой проанализировал многочисленные работы по изучению цитогенетических эффектов самых различных химических соединений, распространенных в окружающей среде, и сделал вывод: если ранее основное внимание исследователей было обращено терапевтическим и токсикологическим свойствам лекарств, стимуляторов, косметических средств, пищевых добавок и других веществ, то результаты генетических исследований последних двух десятилетий призывают обратить внимание на возможные цитогенетические эффекты таких веществ и их последствия.

Позже, в 1962 г., заключение Бартельмеса было подтверждено исследованиями Джозефа Ледерберга, показавшего мутагенную активность на микроорганизмах некоторых химических соединений. Японские ученые в эти же годы обнаружили, что нитрофурановые соединения, широко используемые в производстве мясных и рыбных сосисок в качестве консерванта, являются мутагенами и индуцируют мутации в клетках кишечной палочки. Уже к середине 60-х годов была достигнута критическая масса данных, свидетельствующих о мутагенной активности широко распространенных в окружающей среде веществ. Такие агенты получили название мутагенов среды.

В1969 г. группа ученых во главе с А. Холландером, руководителем биологического отдела Оук-Риджской Национальной лаборатории США, организовала Общество по изучению мутагенов окружающей среды США. Так были заложены организационные основы зарождения нового научного направления – генетической токсикологии, которая впоследствии стала междисциплинарной наукой на стыке генетики, токсикологии, гигиены и биохимии чужеродных соединений.

В1977 г. была создана Международная комиссия по защите от мутагенов и канцерогенов окружающей среды (ICPEMC – International Commission for the Protectionagainst Environmental Mutagensand Carcinogens). При поддержке ICPEMC в 80-х годах XX в. были опубликованы результаты углубленных исследований генотоксичности, включая эпидемиологические, пестицида дихлофоса, промышленных соединений эпихлоргидрина, винилхлорида, изониазида – лекарственного средства для лечения туберкулеза и других широко распространенных в окружающей среде химических соединений (Тарасов, 1994).

6

Возникли национальные и международное общества по изучению мутагенов среды. В СССР исследования по генетической токсикологии развивались в рамках Секции генетических аспектов проблемы «Человек и биосфера» Государственного комитета по науке и технике, руководимой академиком Н.П. Дубининым, директором Института общей генетики АН СССР. В рамках работы Секции ежегодно проводились научные конференции, издавались различные сборники научных трудов по актуальным проблемам генетической токсикологии, разрабатывались методические рекомендации по изучению генотоксических эффектов химических соединений. Решения секции носили рекомендательный характер, однако во многих случаях они принимались к исполнению различными государственными органами (Алтухов, 2003).

Основной проблемой генетической токсикологии является оценка риска возникновения мутаций в соматических и половых клетках при действии химических веществ – загрязнителей окружающей среды.

В настоящее время генетическая токсикология решает следующие за-

дачи.

1.Тестирование химических соединений. Накопление в среде мутаге-

нов получило резкое ускорение в последние 60–70 лет. За это время в огромных масштабах увеличилось использование пестицидов, развилась индустрия красителей, полимеров и многих других синтетических материалов. После 1945 г. заметно возросло влияние нефтехимии на окружающую среду. Химическая промышленность синтезирует множество разнообразных химических мутагенов, среди которых главными являются различные галогенизированные углеводороды и алкилирующие соединения.

Показано, что мутагены в подавляющем числе случаев одновременно являются и канцерогенами. Это связало проблему мутаций (мутационное изменение ДНК в зародышевых и соматических клетках) с проблемами злокачественного роста клеток (последствия специфического изменения ДНК в соматических клетках).

Принято ряд принципов тестирования.

Первоочередность проверки на мутагенность лекарств, пищевых добавок, пестицидов, гербицидов, инсектицидов, косметических средств, наиболее широко распространенных загрязнителей воды и воздуха, а также производственных вредностей.

Выборочность тестирования, означающая, что вещество анализируется на мутагенность при наличии двух обязательных условий: распространенности в среде обитания человека и наличии структурного сходства с известными мутагенами или канцерогенами.

7

Комплексность тестирования, то есть тестирование с использованием комплекса методов, позволяющих регистрировать различные категории мутаций в половых и соматических клетках.

Ступенчатость тестирования. Этот принцип берет начало от одной из первых и наиболее известных схем, предложенной в 1973 г. Б. Бриджесом и предусматривавшей три последовательных этапа исследования. На первом этапе мутагенные свойства вещества изучают простыми и быстро выполнимыми методами (например, с использованием микроорганизмов и клеточных культур в качестве тест-объектов) для определения его способности индуцировать генные мутации и хромосомные аберрации. Выявление мутагенной активности предполагает запрет на применение данного вещества. В случае особой медицинской или экономической значимости вещества, показавшего мутагенную активность, его тестируют на млекопитающих in vivo. Вещества, проявившие мутагенность, либо запрещают для использования, либо, если они относятся к категории особо значимых, или незаменимых, проводят дополнительные исследования. На заключительном этапе проводят тестирование для установления количественных закономерностей мутагенного действия таких специфических веществ и оценку риска применения их человеком (Тарасов, 1994; Цаценко, 2007).

2.Разработка новых тест систем. В системы тестирования на генотоксичность, в основном, включены методы, оправдавшие себя при изучении сотен и тысяч соединений с различной структурой. Для них определены такие характеристики, как чувствительность и специфичность. Они имеют хорошо проработанный протокол тестирования и оптимальные характеристики по быстроте проведения эксперимента и экономичности.

Разработаны методы регистрации повреждений ДНК, основанные на учете модифицированных оснований ДНК, которые могут быть зарегистрированы самыми разными способами. К ним относятся SOS-хромотест, позволяющий регистрировать повреждения ДНК у E.coli, и метод щелочного гельэлектрофореза единичных клеток (метод комет) для определения повреждений ДНК в клетках различных органов млекопитающего. Разработаны тест-системы с использованием трансгенных мышей для учета индукции генных мутаций.

3.Учет фармакокинетики генотоксиканта. Генотоксиканты, как любой ксенобиотик, чтобы осуществить свое действие, должны тем или другим путем поступить в организм, распределиться по тканям, достичь клеток, в которых вызывают повреждение ДНК, и выделиться из организма. Все эти процессы происходят при участии различных систем самого организма. Многие химические соединения сами по себе не проявляют генетической активности, однако они образуют генотоксичные производные под действием ферментных систем организма. Многие вещества, так называемые промута-

8

гены, активируются в организме млекопитающих при действии цитохрома P450. Этот фермент, синтезируемый в печени и в других органах человека, относится к классу неспецифических монооксигеназ и предназначен для перевода липофильных органических соединений в гидрофильные, чтобы облегчить и ускорить процесс выведения их из организма. Однако в ряде случаев, в результате монооксигеназных реакций происходит образование генотоксичного метаболита, то есть активация соединения.

4.Экстраполяция экспериментальных данных на человека. Наи-

больший интерес представляет генетическая активность исследуемых агентов для человека. Поскольку прямое исследование их действия на человека невозможно, приходится ограничиваться результатами, получаемыми на модельных объектах. Полученные при этом результаты экстраполируются на человека. При экстраполяции учитываются не только экспериментальные данные, но и такие сведения, как распространенность вещества и продолжительность и способы контакта человека с ним (Тарасов, 1994).

Тематика рефератов

1.Генетическая токсикология как научное направление.

2.Мутагенная активность пестицидов.

3.Мутагенная активность тяжелых металлов.

4.Мутагенная активность фармакологических средств.

5.Мутагенная активность химических факторов окружающей среды.

Контрольные вопросы и задания

1.Назовите задачи генетической токсикологии.

2.Что такое мутагены среды?

3.Какие принципы тестирования существуют?

4.Что такое тест-система?

5.Что такое экстраполяция экспериментальных данных на человека?

6.Какие красители проявляют мутагенную активность?

7.Что такое генотоксичность?

8.Как фармакокинетика влияет на мутагенную активность вещества в организме млекопитающего?

9.Содержатся ли в выхлопных газах автомобильных двигателей мутагенные вещества?

9

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИЗМЕНЧИВОСТИ ЖИВЫХ СИСТЕМ

2.1. Модификационная изменчивость

Изменчивость – это свойство живых организмов приобретать в процессе онтогенеза признаки, отличающие их от родителей и зависит от возраста, индивидуальных особенностей и от условий среды, в которой развивается и существует организм. Реализация генетической информация, полученной от родителей, зависит от определенных условий. Одинаковая генетическая информация в разных условиях может проявляться по-разному.

Любая наблюдаемая изменчивость является фенотипической и состоит из двух главных компонентов – модификационной и наследственной (генетической) (Грин, Стаут, Тейлор, 1990).

Модификационная изменчивость

Модификационная изменчивость (или модификация) связана с изме-

нением фенотипа, без изменения структуры генотипа – изменяется проявление генов. Поэтому модификации не наследуются и происходят под действием факторов окружающей среды. Такие изменения можно предсказать для целой группы особей. Как правило, модификации носят адаптивный (приспособительный) характер). Современное понятие «адаптивные модификации» соответствует понятию «определенной изменчивости», которое ввел в

науку Чарльз Дарвин.

Пределы проявления модификационной изменчивости зависит от нормы реакции, которая контролируется генотипом и наследуется. По размаху норма реакции может быть узкой, изменяться незначительно (характерно для качественных признаков) и широкой, изменяться в широких пределах (характерно для количественных признаков). Норма реакции генотипа – это спектр возможных уровней экспрессии генов, из которых проявляется наиболее подходящий уровень экспрессии для данных условий окружающей среды. Таким образом, характер модификационной изменчивости определяется генотипом и реализуется при соответствующих условиях внешней среды (Алиханян, 1985).

Типы модификационной изменчивости. Наиболее известны адаптив-

ные модификации, которые полезны для организма и способствуют его выживанию при изменившихся условиях. Так, у пушных зверей при понижении температуры густеет мех, загар на коже человека придает устойчивость к действию солнечных лучей (рис. 1).

10