В.И. Иванов - Генетика (1117686), страница 56
Текст из файла (страница 56)
В 1925 г. отечественные ученые ГА. Надсон и ГС. Филиппов обнаружили повреждающее действие лучей радия иа клетки дрожжей. В 1928 г. Г. Меллер разработал методы количественного учета мутаций удрозофилы, что позволило ему перейти от констатации мутагенного эффекта рентгеновских лучей к подробному изучению этого феномена.
В связи с тем, что основные закономерности мутациониого процесса бьии открыты при изучении генетических эффектов ионизирующей радиации, в данной главе сначала будет рассмотрен радиационный и химический мутагенез и только потом — спонтанный мугационный процесс. 14.1. МУТАГЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ К ионизирующим излучениям относят электромагнитные рентгеновские, у- и космические лучи, а также высокоэнергетические гг-,б- и др.
корпускуляриые излучения. Проходя через клетку, они выбивают электроны из внешней оболочки атомов или молекул, превращая их в положительные ионы; освободившиеся электроны продолжают это процесс и выбивают электроны издругих атомов и молекул. Атомы, захватившие такие электроны, приобретают отрицательный заряд. Биологическое действие радиации всех типов зависит от локализации источника по отношению к объекту (внутри или вне), типа излучения, энергии излучения и ряда физико-химических свойств поглощающего объекта (рис. 14.1). Рентгеновские лучи с длиной ~юлпы 0,1 — 1,0 нм обладают высокой ионизирующей активностью, проникают внутрь живых тканей, причем энергии поглощается непосредственно компонентами клетки, в п>м числе — молекулами ДНК.
Мслеку- '!т ть /. Оаитгтн ст ттт тика Энергия Длина п~ниьх Ультракороткие ванны, инфракрасное излучение Г 1О сом < 1еу Видимыи свет, ультрафиолетовое излучение Х 1О-4 ем (УФ) 1-4еН Рентгеновские лучи Х 1О з см — 1О-з см > 32еу Сверхжесткое излучение Х 1Омоем Космическая ~адиация > Змеу > ЗОКеу Нагрев Фото- Ионизация Атомные Распад химичес- реакции атомных кие реак- ядер ции Рис. у 4.у . Зависимость биологнческои активности электромагнитных волн отихдлииы и нм1тгии. 1Из: Фогель и Мотульски, 1989) ли юг ыс механизмы мутагенного действия ионизирующих излучений в общем виде бп тирунпся на разнообразных повреждениях нуклеиновых кислот: разрывается углеч|ттд~ ю-фосфатный скелет молекулы ДНК, разрушаются основания (особенно пиримилиновые), происходят химические перестройки оснований, изменяющие их с~ юсобность к спариванию гнапример, производное пурина спаривается с пурином жс, ц г ~с с пиримидином).
Образуются «сшивки» как в молекулах нуклеиновых кислтп; так и между молекулами ДНК и белками. Более подробное описание событий в облу генной ДН К следует начать с образования сложного макрорадикала с двумя тинцми локализации неспаренных электронов: поврежденные основания и сахарофосфатные цепи. Нуклеотиды повреждаются примерно в 3 раза чаще, чем сахарот1>гтсфатнття часть. Углеродные связи радиоустойчивее, чем фосфодиэфирные в 7,5 р гь Пиримидиновые основания в 2 раза радиочувствительнее пуриновых, причем гюиболее радиочувствителен тимин. Чаще повреждается одна цепь ДНК, при этом ~ ~с1тничные повреждения 1дезаминирование оснований, алкилирование, возникнонсн ис о ко имов цитозина, димеризация или гидратация пи римиди новых оснований) нрицодят к вторичным реакциям — разрыву водородных связей, конфигурацион- ~ и ~ м изменениям надмолекулярных структур ДНК и внутри- и межмолекулярным свивкам полимерных цепей.
Разрушение надмолекулярных структур 1деспирализа~ти н) обусловлено двойными разрывами ДНК, которые возникают, если одиночные ра арьнты цепей ДНК расположены на расстоянии не более 10 пар нуклеотидов друг тп друга. '!астота индуцированных генных мутаций пропорциональна дозе облучения. лйтк, уже в первых экспериментах на дрозофиле при использовании разных доз облучения было установлено, что частота сцепленных с полом рецессивных летальных мутаций находится в линейной зависимости от дозы радиации 1рис.
14.2). Кривые доза-эффект характеризуются отсутствием порога и постепен- Глана !4. Мплекулнрные механизмы мутагет, 16 14 12 1О $6 $6 Рис. т4.2. Линейное увеличение частоты точковых мутациИ у дрозофилы. (Из: Фогель и Мотульски, 1989) 0 2 3 Доза радиации (кило 4 5 6 рентгены) ным нарастанием до насыщения, начиная с самых малыхдоз. Такой характер кривых отражает не усиление степени поражения с возрастанием дозы, а увеличение вероятности поражения: даже самые малые дозы ионизирующей радиации могут привести к возникновению летальных мутаций и гибели клеток, но лишь у небольшого числа особей ! рад — доза радиации, соответствующая поглощению 100 эргов энергии в ! г вещества ! рентген (р) — доза радиации, которая вызывает образование 2,1х 10о пар ионов, проходя через 1 смз сухого вожгуха при г' = 0 *С и давлении 760 мм рт.ст.
В обычных условиях их значение очень близко: 1 рад = 1,07 рентгена Линейный характер зависимости частоты генных мутаций от дозы указывает, что они образуются одномоментно, те. мутацию вызывает один акт ионизации, возникающий вдоль пути следования вторичных электронов. В радиобиологии такой акт ионизации называют попаданием. Теория попадания (удара), созданная в 20-х годах ХХ в., вскоре была модифицирована и легла в основу теории минтени, в разработке которой приняли участие как физики, так и биологи. Согласно этой теории, возникновение генных мутаций, мелких делеций и одиночных разрывов хромосом поддействием квантов ионизирующей радиации — следствие одиночных попаданий; причем повреждение происходит непосредственно в том месте, где возникает первичная ионизация, а вся реакция протекает внутри определенного обьема (мишени), т.е.
в самом гене либо в непосредственной близости к нему. В основополагающих иссле- дованияхД. Ли, М. Демереца, К Циммера, М. Дельбрюка и Н.В. Тимофеева-Ресовского на разнообразных обьекгах были изучены радиобиологические эффекты в отношении индуцированных мутаций. В частности, исследования надрозофиле показали, что частота индуцированных излучением мутаций пропорциональна только общей дозе облучения (рис, 14 3) и не зависит ни от фактора времени, ни от жесткости излучения, определяемой длиной е~тт волпь1.
Однако в дальнейшем эксперимен т Чаопь!. Г)бикин геиенкики ы на мыкпцх заставили исследователей отказаться от категоричных выводов относительно отсутствия зависимости результатов облучения от мощности дозы, т.е. количества радиации, поступающего за единицу времени. Было сформировано представление о том, что определенная доза, использованная при относительно низкой мощности, приведет к , меньшему числу мушции, чем та же доза (часы) при более высокой мощности.
Максимальная частота генных мута- :. 14.3. Результаты облучения дрозо~ы при разных мощностях дозы. (Из: ций, достигаемая при действии ионизишль и Мотульски, 1989) руюших излучений, обычно от нескольких раз до нескольких десятков раз превосходит частоту их спонтанного возк~ япксния. Спектр их остается практически таким же: гены, сравнительно редко гирующие спонтанно, сравнительно редко изменяются и в результате действия ~ ~изирующих излучений и наоборот.
В отличие от генных мутаций частота хромосомных перестроек под действием пи кирующего облучения возрастает примерно пропорционально квадрату дозы ю, 14.4). При этом кривая одного попадания (одноударная кривая) зависимости ела мушций от дозы облучения меняется на Б-образную, обычно полутора-двух- 12 0,5 1,0 ,5 Доза радиации (кннорантганы) 2,0 ие. 14.4. Во л ~их~ шве пие хромосом вы х аберраций — событий с двумя разрывами. (Из: кокель и Мгиульски, 1989) Пмнл 14.
Молекуляр»»>е мг>ввл >ч>»о п>п;гн 247 уларнунь Теория мишени объясняет это тем, гю указанные виды облучения характери >у>отея низкой величиной линейного переноса энергии (т.е, плотности создаваемой ими ионизации вдоль треков движения электронов). Поэтому акты ионизации вдоль треков редки, и каждый из ннх не зависит отдругого. Отсюда следует, что один акт и он изации (один удар) достаточен для того, чтобы возникла генная мутация или один разрыв хромосомы, иодля двух разрывов хромосомы, ведущих к хромосомным аберрациям, требуются два удара. Поскольку они возникают независимо, вероятность их попадания в одну хромосому является произведением вероятности для каждого из них, что и составляет основу зависимости частоты хромосомных перестроек примерно от квадрата дозы облучения. По сравнению с у-лучами медленные нейтроны эффективнее в 5 раз, быстрые нейтроны — в 100, а тяжелые ионы — в 20 раз.
В отличие от рентгеновских и у-лучей, нейтроны и а-частицы, характеризующиеся высоким значением линейного переноса энергии, дают плотную ионизацню в пределах одного трека. Вероятность возникновения двух разрывов хромосомы значительно увеличивается, поэтому кривые зависимости частоты хромосомных аберраций от дозы облучения соответствуют в этом случае кинетике реакций первого порядка. Дозированив излучения не учитывает фактора времени: одна и та же доза может быть получена при слабой интенсивности облучения в течение длительного времени либо путем кратковременного облучения с высокой интенсивностью, Это верно для генных мутаций и мелких делеций, обязанных своим возникновением единичным актам ионизации, но не вполне справедливо в отношении крупных хромосомных аберраций. Если всядозадается сразу, то в клетках одновременно присугствуютмногочисленные фрагменты, образовавшиеся при разрывах хромосом.
Одни из них будут идентифицированы как большие делеции, а другие могут соединяться в новых сочетаниях, что приведет к появлению инверсий и транслокаций. Если же доза дается в несколько приемов, то крупных перестроек будет обнаружено меньше, так как часть ранее возникших разрывов репарируется за время до следуюшей порции облучения. Коротко суммировать положения классической теории мишени можно в следующих пунктах: 1) частота возникающих в результате одиночных ударов генных мутаций, микроделеций и хромосомных разрывов линейно зависит от дозы и не зависит от мощности дозы и ее распределения во времени; 2) частота крупных перестроек, возникающих при воссоединении фрагментов в случае двух хромосомных разрывов, возрастает пропорционально квадрату дозы после рентгеновского или у-облучения и в соответствии с кннетикой первого порядка — после воздействия нейтронами; 3) снижение мошносги дозы или ее фракционирование уменьшает частоту хромосомных перестроек в случае рентгеновских лучей и не оказывает влияния на частоту перестроек в случае действия нейтронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
