5405-1 (Генотоксические эффекты у детей-подростков из Чебулинского района Кемеровской области)

Генотоксические эффекты у детей-подростков из Чебулинского района Кемеровской области

Дипломная работа

Выполнила Крюкова Ольга Сергеевна

Кемеровский государственный университет

Кафедра физиологии человека и животных и ВАЛЕОЛОГИИ

Кемерово - 2001

Введение

Прогресс генетики человека, как и любой другой фундаментальной медико-биологической дисциплины, может в ближайшем будущем существенно расширить подходы и методы решения задач практической педиатрии и, прежде всего, вопросов профилактики не только наследственных заболеваний, но и различных форм патологии мультифакториального генеза [Бочков, 1995].

Проблема донозологической диагностики заболеваний (или риска их возникновения) имеет особую значимость для промышленных регионов, где неблагоприятному техногенному воздействию подвержены большие группы населения, в том числе - детского. Данные эпидемиологических и экологических исследований однозначно показывают, что к числу таких регионов относится территория Кемеровской области, причем неблагоприятному воздействию загрязнителей окружающей среды подвергаются не только жители промышленных городов, но и население сельскохозяйственных районов.

Известно, что в человеческой популяции существует широкий наследственный полиморфизм порога резистентности к токсическому воздействию факторов среды. Это выражается в дифференциации риска возникновения патологии у разных людей, проживающих в сходных экологических условиях. Так как в сложившихся социально-экономических условиях сложно представить возможность быстрого и коренного улучшения экологических параметров среды, то следует искать иные пути решения проблемы профилактики заболеваемости и прежде всего для тех форм, которые этиологически связаны с воздействием токсических факторов. В этой связи, изучение адаптивных возможностей организма человека в условиях интенсивного загрязнения среды обитания следует проводить на всех уровнях организации: популяционном, организменном, клеточном и молекулярном. Для каждого из этих уровней характерны собственные методические подходы; в частности, клеточный уровень предполагает использование цитогенетического метода, позволяющего выявить степень напряжения генетических систем и, следовательно, оценивать адаптивные резервы на клеточном уровне. Кроме того, цитогенетический метод позволяет экспертировать качество окружающей среды в части загрязнения ее мутагенными факторами химического и лучевого происхождения.

Анализ индивидуальной резистентности к мутагенному воздействию позволяет выявить людей, имеющих повышенный риск возникновения заболеваний различной этиологии. Следует отметить, что отсутствие к настоящему времени научно обоснованной схемы рекомендаций для лиц, относящихся к группам высокого токсико-генетического риска затрудняет использование данных цитогенетического контроля в практической медицине. Вместе с тем, создание, апробация и внедрение такой схемы имеет важное значение, т.к. позволит проводить реальные профилактические и реабилитационные мероприятия в тех случаях, где это действительно необходимо.

На протяжении ряда лет в лаборатории генетики кемеровского государственного университета проводится мониторинг генотоксических эффектов, наблюдаемых в группах детского и подросткового населения Кемеровской области. Представленная дипломная работа включает в себя результаты цитогенетического обследования подростков, проживающих на территории одного из сельскохозяйственных районов области - Чебулинского, осуществленного в рамках этого мониторинга.

Цель работы: изучить степень и характер генотоксического воздействия факторов среды на подростков, проживающих в Чебулинском районе Кемеровской области.

В соответствии с целью в работе решались конкретные задачи:

1, Оценить частоту и качественный спектр хромосомных мутаций в лимфоцитах крови девочек-подростков - жителей сел Усманка и Дмитриевка Чебулинского района.

2. Сопоставить собственные результаты цитогенетического анализа с данными цитогенетического мониторинга подростков пос. Крапивинский Кемеровской области.

3. Оценить вероятные источники загрязнения окружающей среды генотоксическими агентами на территории Чебулинского района.

Глава 1. Обзор литературы. Хромосомный мутагенез и факторы его вызывающие.

1.1. Хромосомы человека и основные типы структурных мутаций человека.

Использование культуры лейкоцитов для изучения хромосом человека начато работами Г.К. Хрущева и соавт. (1931), А.Г. Андерса и М.С. Навашина (1936). Хсу (Hsu, 1952) и Хьюгес (Hughes, 1952) независимо предложили использование гипотонического раствора для обеспечения разбрасывания хромосом, т.е. их отделение друг от друга в метафазах. Использование гипотонического раствора совместно с колхицином (Hsu, Pomerat, 1953) дало возможность получать и накапливать хорошие метафазные пластинки. Благодаря анализу хромосом клеток из культуры фибробластов было показано, что число хромосом у человека равно 46 (Tjio, Levan,1956; Ford, Hamerton, 1956).

Современная цитогенетика в первую очередь опирается на изучение хромосом в лейкоцитах человека. Культура лимфоцитов обладает целым рядом преимуществ по сравнению с другими объектами, используемыми в тест-системах. Большим достоинством исследований по структурной изменчивости хромосом в культуре лейкоцитов человека является возможность не только качественного, но и количественного учета, что обеспечивает наглядную четность выводов и объективности результатов анализа. Лейкоциты крови нормальных людей в культуре, в основном свободные от структурных мутаций, подвергаются различным экспериментальным обработкам для выяснения характера и степени мутагенности того или иного воздействия. Вместе с тем кровь может быть взята у людей, которые подвергались в то или иное время воздействию мутагенных факторов. В этом случае, регистрирую характер и число мутаций, можно вскрыть последствия от таких воздействий, изучая структурные мутации хромосом в метафазах (Дубинина, 1977).

В исследованиях по цитогенетике человека было показано, что основные закономерности индуцированного мутагенеза хромосом, качественная характеристика типов структурных изменений и особенности их проявления по разным фазам клеточного цикла в принципе одинаковы с ранее изученным индуцированным мутагенезом в клетках растений и животных. Тоже касается и спонтанного мутагенеза. Для учета структурных мутаций хромосом необходимо знание кариотипа соматических клеток человека и всех основных категорий структурных мутаций хромосом.

1.1.1. Денверская система классификации хромосом.

Обычно классификация хромосом строиться на учете размера каждой из хромосом в кариотипе, по положению центромеры и по другим особенностям. Решениями конференций по хромосомам человека в Денвере США (Denver conference, 1960), в Лондоне (London conference, 1966) сведены обширные материалы из многочисленных литературных источников в систему, имеющую в настоящее время общепризнанный характер. Согласно этой системе, 22 пары аутосом были перенумерованы от 1 до 22-й номере уменьшения их длинны, пара половых хромосом обозначена символами Х и У. Кариотип мужчины - ХУ, женщины - ХХ. 22 пары аутосом разделены на семь групп, обозначаемых буквами от А до G. Каждая группа хромосом характеризуется следующими особенностями (рис 1):

Группа А содержит 3 пары длинных хромосом (1-3), каждую из которых можно легко индивидуализировать. Хромосомы 1,3 являются метацентриками, аромосома 2 - субметацентрична;

Группа В содержит две пары хромосом (4-5). Они короче хромосом из группы А и являются субметацентриками;

Группа С содержит 6 пар аутосом (6-12), все хромосомы с субмедиальным расположением центромеры, средних размеров, их трудно индивидуализировать. К этой группе по размеру относится Х-хромосома, которая отличается тем, что заканчивает синтез ДНК позднее других;

Группа D содержит 3 пары хромосом (13-15). Хромосомы средних размеров имеют почти терминальное расположение центромеры - акроцентрики. Все они имеют спутники, морфологически похожи;

Группа Е состоит из 3 пар коротких хромосом (16-18). Хромосомы 16-й пары являются метацентриками. Хромосомы 17-й и 18-й пары, похожи между собой и являются субметацентриками;

Группа F имеет 2 пары коротких метацентрических хромосом (19-20), которые неотличимы друг от друга;

Группа G состоит из 2-х пар хромосом (21-22). Это очень короткие акроцентрические хромосомы со спутниками, трудно различимы, хотя несколько отличаются по величине и морфологии. К ним примыкают У-хромосома, которая несколько длиннее и имеет на длинном плече вторичную перетяжку (Дубинина, 1977).

В настоящее время для более тонкой дифференциации каждой из хромосом человека разработаны новые методы. Однако для исследования спонтанного хромосомного мутагенеза достаточно применения методики рутинной окраски хромосом, в результате которой все хромосомы перечисленных выше групп в исследуемой метафазной пластинке равномерно окрашиваются и хорошо идентифицируются.

1.1.2. Основные типы хромосомных перестроек.

Все хромосомные аберрации, возникающие в соматических клетках человека и регистрируемые на стадии метафазы, разделяются на две основные группы: аберрации храматидного типа и аберрации хромосомного типа. Согласно наиболее распространенному мнению, аберрации хромосомного типа отражают повреждение хромосомы в пресинтетической стадии (G1 - фаза), когда хромосома реагирует как однонитчатая структура, тогда как аберрации хроматидного типа возникают при повреждении хромосомы на стадии ее двух нитей (фаза S и G2) (Buckton K., Evans H., 1973).

Аберрации хромосомного типа.

Исследования соматических клеток в метафазе показало, что цитологически можно различить 7 видов хромосомных аберраций. Типы аберраций, указанных на рисунке 2 в пунктах а - д, образуются в одной хромосомы и могут быть названы внутрихромосомными обменами, а аберрации, указанные в пунктах е и ж, сопровождаются обменом участками между различными хромосомами и называются межхромосомными обменами.

а) Ацентрические фрагменты (терминальные делеции) представляют собой спаренные хроматиды, которые располагаются параллельно друг другу, но не имеют центромеры.

б) Малые фрагменты (интерстициальные, изодиаметрические делеции) - спаренные хроматиды меньшего размера, чем ацентрические фрагменты, имеющие характерный вид спаренных хроматиновых шариков.

в) Ацентрические кольца - спаренные хроматиды в форме кольца, не содержащие центромеры. Различия между малыми фрагментами и кольцами часто бывают произвольными, поскольку они основаны лишь на длине не достигающего интерстициального участка хромосомы.

г) Центрические кольца - спаренные хроматиды в форме кольца, имеющие центромеру.

д) Перецентрические инверсии - результат инверсии сегмента, содержащего центромеру, с последующим его включением в ту же хромосому.

е) Симметрические межхромосомные обмены (реципроктные транслоказы) - аберрации, возникающие в результате обмена между двумя хромосомами, причин дистальные участки двух хромосом транслоцируются от одной к другой.

ж) Асимметричные межхромосомные отмены (дицентрические, полицентрические аберрации). Возникают в результате обмена между двумя или несколькими хромосомами, происходящие таким образом, что проксимальные участки хромосом соединяются, образуя дицентрическую или полицентрическую структуру с сопутствующим ацентрическим пробелом.

Аберрации хроматидного типа.

Аберрации хроматидного типа представлены на рисунке 3. К ним относятся хроматидные разрывы (фрагменты хроматид) и хроматидные обмены. Фрагменты могут быть концевыми интерстициальными и точковыми. Если произошли изохроматидный разрыв и поврежденные концы сестринских хроматид соединились, то из-за притяжения сестринских хроматид на остальной части они остаются лежать параллельно и потому имеют вид дуги. Хроматидные фрагменты, малоудалённые от места повреждения, необходимо дифференцировать от ахроматических пробелов, представляющих собой неокрашенные участки хромосом (частки локальной деспирализации хромосом). О фрагментах говорят в трех ситуациях:

1. Фрагмент сдвинут по длине. 2. Перевернут. 3. Сдвинут по оси.

Обмены хроматидного типа крайне многообразны. Они могут быть между хроматидами одной хромосомы, двух и более хромосом. Кроме того, различают полные и неполные, симметричные и ассиметричные обмены. Все это создает возможность образование большого числа форм обменов. При межхромосомных обменах образуются фигуры три-, квадри-, и мультирадианов, или неправильных форм. Структура обменной аберрации зависит от величины обмениваемых участков, гомологичности хромосом, идентичности плеч, симметричности (эуцентричности) и полноты (рецепроктности) обмена.

1.1.3. Механизмы возникновения хромосомных перестроек

Хромосомные перестройки - это обширный и гетерогенный класс наследственных изменений, включающий выпадение (потери). Добавления (удвоение, умножение) участков хромосом, а также их перемещения в пределах одной хромосомы или между хромосомами.

Исторически эксперименты и теоретически построения по индуцированному мутагенезу значительно опередили работы по выяснению природы генетического материала хромосом. Однако после 1953, когда в работе Д. Уотсона и Ф. Крика (D. Watson, F. Crick,1953) было сделано предположение о структуре молекулы ДНК, о полуконсервативном характере об репликации и о возможной молекулярной природе мутаций, открылась возможность для конкретных исследований как характера повреждений в ДНК, индуцируемых различными мутагенами, так и реальных механизмов репарации этих повреждений. В монографии Н.П. Дубинина (1978) приведены сведения о повреждениях ДНК различными мутагенами.

Обширный класс алкилирующих соединений может производить алкилирование (присоединение метильной или этильной группы) в некоторых позициях к азотистым основаниям (чаще всего к гуанину) или к фосфатным группам полинуклиотидной нити. Алкилированные азотистые основания за счет гидролиза выщепляются из цепочки ДНК, в следствии чего появляются апуриновые или апиримидиновые сайты. В таких сайтах далее может идти гидролиз нестабильных дезоксирибозидных остатков, и в результате возникают однонитевые разрывы в ДНК. Разрывы могут быть и следствием гидролиза после алкилирования фосфатных групп.

Бифункциональные алкилирующие соединения (серный и азотный иприт,митомицин C) своими двумя алкильными группами могут алкилировать сразу два гуанина из двух комплементарных нитей ДНК, образуя при этом внутримолекулярную сшивку.