Диссертация (1145828), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Наоснове этих экспериментальных данных для объяснения механизмов возникновениямутаций М. Е. Лобашев предложил новую гипотезу, согласно которой в основемутационных изменений лежат некоторые обратимые повреждения клетки, которыеявляются выражением реакции живой системы на неблагоприятную перемену условийсреды. Мутации возникают при крайних отклонениях условий существования организмаот оптимума, выводящих его за пределы возможности адаптивных реакций на переменуусловий [33]. Частота возникновения мутаций зависит не только от глубины наносимогоклетке повреждения, но и от способности клетки к репарации, под которой понимаетсяскорость восстановительных процессов после прекращения действия агента [33].Основные положения гипотезы М.
Е. Лобашева изложены в его диссертации на соисканиестепени доктора биологических наук "О природе действия внешних условий на динамикумутационного процесса" и в статье "Физиологическая (паранекротическая) гипотезамутационного процесса" [33, 37].Таким образом, в физиологической гипотезе мутационного процесса впервые былисвязаны два понятия мутация и репарация. Появление физиологической гипотезынаправило развитие представлений о механизме возникновения мутаций как процесса.15Стало понятно, что само по себе повреждение генетического материала в результатедействия мутагена еще не мутация.
Появление мутации – это сложный физиологическийпроцесс, при котором становление мутации осуществляется в процессе репарации ДНК сповреждением по принципу нетождественного восстановления. Репарация ДНК сповреждением может быть неточной и тогда она приводит к мутационному изменению,либо точной, что приведет к восстановлению исходной структуры генетическогоматериала.
Несмотря на то, что физиологическая гипотеза исходила из представления обелковой природе генетического материала, общий принцип денатурации-репарациимакромолекул оказался применимым и к ДНК как основе генетического материала.Мировая наука пришла к пониманию связи возникновения мутаций и репарации лишь в60-е гг. прошлого века [38].1.3. Современные представления о мутационном процессеСовременные представления о причинах возникновения и становления мутацийсформировались в 60-х годах XX в. и возникли благодаря овладению методамииндуцированного мутагенеза, расшифровке структуры ДНК, открытию систем репарации,репликации и рекомбинации генетического материала.
Согласно современной теориимутационного процесса, основы которой были заложены в физиологической гипотеземутационного процесса Лобашова, мутации возникают в два этапа. На первом этапевозникает первичное повреждение ДНК, которое существует в клетке некоторое время. Навтором этапе происходит превращение первичных повреждений в наследуемые изменениягенетического материала в результате нетождественной репарации. Таким образом,любому мутационному изменению, спонтанному или индуцированному различнымифакторами, предшествует первичное повреждение генетического материала.Первичные повреждения ДНК, представляющие собой временные модификациигенетического материала, возникают спонтанно в результате естественной химическойнестабильности молекулы ДНК или под действием ультрафиолетового и ионизирующегоизлучений,активныхформкислорода,промежуточныхпродуктовметаболизма,экзогенных химических веществ, при ошибках в ходе репликации и нетождественнойрепарации, а также других экзогенных или эндогенных факторов [2, 4, 39, 40].Повреждаться могут как азотистые основания, так и сахаро-фосфатный остов ДНК(рисунок 1).
Азотистые основания ДНК могут быть модифицированы посредством ихдезаминирования, метилирования, образования аддуктов и пиримидиновых димеров.Например, дезаминирование цитозина, аденина и гуанина приводит к их превращению вурацил, гипоксантин и ксантин соответственно. При спонтанном гидролизе N-16гликозидных связей происходит потеря оснований с образованием апуриновых иапиримидиновых сайтов (АП-сайтов). При повреждении сахаро-фосфатного остовавозникают одно- и двунитевые разрывы, а также могут возникать поперечные сшивкицепей ДНК [2, 39, 41].Рисунок 1. Типы первичных повреждений, механизмы их устранения и стадииклеточного цикла, на которых активны соответствующие системы репарации по [42].Первичные повреждения ДНК нарушают матричные процессы, затрудняярепликацию генетического материала и экспрессию генетической информации.
Они могутснижатьточностьрепликации,служитьсигналамизапускасистемрепарации,существенным этапом которых служит гомологичная и негомологичная рекомбинация,могут приводить к остановке клеточных делений [4, 39]. Первичные повреждения ДНКвносят вклад в процессы старения и развитие многих болезней, таких как рак,нейродегеративные заболевания и внутриутробные дефекты плода [3, 40, 43-45]. Поэтомуу про- и эукариотических организмов развились разнообразные механизмы репарации ивременной устойчивости к повреждениям (рисунок 1). Процесс устранения повреждений17ДНК происходит поэтапно и может включать стадии взаимопревращения повреждений,которые в разной степени могут влиять на экспрессию поврежденных генов.
Различныесистемы репарации устраняют различные по своей природе повреждения. В общем видена первом этапе репарации происходит вырезание участка цепи ДНК с повреждением ипоследующее застраивание образовавшейся бреши, возможны также гомологичнаярекомбинация и негомологичное воссоединение концов двух молекул ДНК. В ходепроцесса репарации происходит генерация промежуточных продуктов незавершеннойрепарации, которые представляют собой повреждения ДНК другого типа, служащиесубстратомнапоследующихэтапахрепарации.Например,приустранениимодифицированных оснований в ходе эксцизионной репарации ДНК-гликозилазавырезает поврежденные основания с образованием АП-сайтов, время жизни которых прифизиологических температуре и рН может достигать 190 часов, как было показано набактериальных фагах PM2 в экспериментах in vitro [46].
АП-сайты приводят к остановкевилки репликации и должны быть устранены во избежание гибели клетки. ПриустраненииАП-сайтоввозникаютоднонитевыеразрывы,которыестимулируютпоявление двунитевых разрывов и рекомбинацию [47, 48]. Двунитевые разрывы могутприводить к потерям хромосом или их участков, а в случае ошибочной репарации ДНК сдвунитевыми разрывами посредством рекомбинационной репарации или прямоговоссоединения концов могут возникать генные мутации и перестройки хромосом (рисунок2) [4, 49, 50]. Участие той или иной системы репарации в процессе восстановленияструктуры ДНК зависит не только от типа повреждения, но и от стадии клеточного цикла.Например, репарация двунитевых разрывов путем воссоединения негомологичных концовработает только на стадии G1, гомологичная рекомбинации – на стадии S или G2,эксцизионная репарация оснований или нуклеотидов – на стадии G1.18Рисунок 2.
Взаимопревращение первичных повреждений ДНК.Таким образом, в зависимости от типа повреждения ДНК и стадии клеточногоцикла первичные повреждения могут быть направлены по одному из нескольких путейрепарации, при этом возможны два альтернативных результата репарации поврежденнойДНК. В ходе репарации повреждение либо устраняется безошибочно, при этом первичныеструктура и последовательность ДНК полностью восстанавливаются, либо в случаенетождественной репарации повреждения превращаются в генные мутации или приводятк аберрациям хромосом, т.е. к событиям, лежащим в основе развития наследственных ионкологических заболеваний [3, 4]. Таким образом, при обсуждении механизмовмутагенеза необходимо помнить, что первичные повреждения – это повреждения19химической структуры молекулы ДНК, а мутации – изменения последовательности иликоличества ДНК, которые возникают в результате нетождественной репарации ДНК спервичными повреждениями.Ежедневно в каждой клетке может возникать около миллиона первичныхповреждений, например, у млекопитающих в одной клетке возникает 50 000-200 000 АПсайтов и от 10 000 до 86 000 окислительных повреждений [5, 43].
Тем не менее,наблюдаемая скорость мутирования значительно меньше значений, ожидаемых при такомвысоком уровне повреждений. В генах бактерий она составляет от 1 × 10–8 до 1 × 10–10 наклеточное деление, а у млекопитающих от 1× 10–5 до 1 × 10–6 на гамету, т.е. от 1 до 10мутаций на миллион гамет [10]. Это говорит о том, что только небольшая частьпервичных повреждений превращается в наследуемые изменения, в то время как до 90%первичных повреждений ДНК бесследно устраняется системами репарации [16, 51].Генетические последствия первичных повреждений ДНК хорошо известны, рольмутаций (генных, хромосомных и геномных) в изменении фенотипических признаковдоказана и не вызывает сомнений [2-4, 10]. Гораздо меньше известно о влияниипервичных повреждений на фенотип организмов еще до того, как они закрепились в виденаследуемых изменений.
Связь между конкретным повреждением определенного гена сизменением конкретного признака слабо изучена. Можно предположить, что первичныеповреждения генетического материала могут приводить к фенокопиям мутаций, нарушаяэкспрессию генетической информации. Например, наличие двунитевого разрыва илидругого повреждения в структурной или регуляторной части какого-либо гена должнопрепятствовать экспрессии этого гена и естественным образом отражаться на фенотипеорганизма. Особенно часто такая ситуация может иметь место в неделящихсядифференцированных клетках, в них повреждения могут существовать длительное время,поскольку в неделящейся клетке не происходит репликация и фиксация повреждения ввиде мутации происходит гораздо реже, чем в делящихся клетках.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
