В генетике мутаген — это физический или химический агент, который постоянно изменяет генетический материал , обычно ДНК , в организме и, таким образом , увеличивает частоту мутаций выше естественного фонового уровня. Поскольку многие мутации могут вызывать рак у животных, такие мутагены могут быть канцерогенами , хотя не обязательно все они таковы. Все мутагены имеют характерные мутационные признаки, при этом некоторые химические вещества становятся мутагенными в результате клеточных процессов.
Процесс модификации ДНК называется мутагенезом . Не все мутации вызваны мутагенами: так называемые «спонтанные мутации» возникают вследствие спонтанного гидролиза , ошибок репликации , репарации и рекомбинации ДНК .
Первыми выявленными мутагенами были канцерогены – вещества, которые, как было доказано, связаны с раком . Опухоли были описаны более чем за 2000 лет до открытия хромосом и ДНК ; в 500 г. до н.э. греческий врач Гиппократ назвал опухоли, напоминающие краба, каркинос (от которого на латыни происходит слово «рак»), что означает краб. [1] В 1567 году швейцарский врач Парацельс предположил, что неопознанное вещество в добытой руде (идентифицированное в наше время как газ радон ) вызывает истощение у шахтёров, [2] а в Англии в 1761 году Джон Хилл установил первую прямую связь рака на химические вещества, отметив, что чрезмерное употребление нюхательного табака может вызвать рак носа. [3] В 1775 году сэр Персиваль Потт написал статью о высокой заболеваемости раком мошонки у трубочистов и предположил, что причиной рака мошонки является дымовая сажа . [4] В 1915 году Ямагава и Итикава показали, что неоднократное применение каменноугольной смолы к ушам кролика приводит к злокачественному раку. [5] Впоследствии, в 1930-х годах, канцерогенный компонент каменноугольной смолы был идентифицирован как полиароматический углеводород (ПАУ), бензо[а]пирен . [2] [6] Полиароматические углеводороды также присутствуют в саже, которая более 150 лет назад считалась возбудителем рака.
Связь воздействия радиации и рака наблюдалась еще в 1902 году, через шесть лет после открытия рентгеновских лучей Вильгельмом Рентгеном и радиоактивности Анри Беккерелем . [7] Георгий Надсон и Герман Филиппов были первыми, кто создал грибы-мутанты под действием ионизирующей радиации в 1925 году. [8] [9] Мутагенные свойства мутагенов были впервые продемонстрированы в 1927 году, когда Герман Мюллер обнаружил, что рентгеновские лучи могут вызывать генетические мутации. у плодовых мух , вызывая фенотипические мутанты, а также наблюдаемые изменения в хромосомах, [10] [11] видимые из-за присутствия увеличенных «политенных» хромосом в слюнных железах плодовых мух. [12] Его сотрудник Эдгар Альтенбург также продемонстрировал мутационный эффект УФ-излучения в 1928 году. [13] Мюллер продолжал использовать рентгеновские лучи для создания мутантов дрозофилы , которые он использовал в своих исследованиях генетики . [14] Он также обнаружил, что рентгеновские лучи не только мутируют гены плодовых мух, [10] но также влияют на генетический состав человека. [15] [ нужен лучший источник ] Аналогичная работа Льюиса Стадлера также показала мутационный эффект рентгеновских лучей на ячмень в 1928 году, [16] и ультрафиолетового (УФ) излучения на кукурузу в 1936 году. [17] Влияние солнечного света было ранее было отмечено в девятнадцатом веке, когда выяснилось, что сельские рабочие на открытом воздухе и моряки более склонны к раку кожи. [18]
Химические мутагены не вызывали мутаций до 1940-х годов, когда Шарлотта Ауэрбах и Дж. М. Робсон обнаружили, что горчичный газ может вызывать мутации у плодовых мух. [19] С тех пор было идентифицировано большое количество химических мутагенов, особенно после разработки Брюсом Эймсом в 1970-х годах теста Эймса , который позволяет выявить мутагены и предварительно идентифицировать канцерогены. [20] [21] Ранние исследования Эймса показали, что около 90% известных канцерогенов могут быть идентифицированы с помощью теста Эймса как мутагенные (однако более поздние исследования дали более низкие цифры), [22] [23] [24] и ~ 80% мутагенов. выявленные с помощью теста Эймса, также могут быть канцерогенами. [24] [25]
Мутагены не обязательно являются канцерогенами, и наоборот. Например , азид натрия может быть мутагенным (и высокотоксичным), но его канцерогенность не доказана. [26] Между тем, соединения, которые не являются напрямую мутагенными, но стимулируют рост клеток, могут снизить эффективность восстановления ДНК и косвенно увеличить вероятность мутаций и, следовательно, рака. [27] Одним из примеров этого могут быть анаболические стероиды , которые, среди прочего, стимулируют рост предстательной железы и повышают риск рака простаты . [28] Другие канцерогены могут вызывать рак посредством различных механизмов, не вызывая мутаций, таких как продвижение опухоли , иммуносупрессия , которая снижает способность бороться с раковыми клетками или патогенами, которые могут вызывать рак, нарушение эндокринной системы (например, при раке молочной железы), тканеспецифическая токсичность и воспаление (например, при колоректальном раке). [29]
Агент , повреждающий ДНК, — это агент, который вызывает изменение в структуре ДНК, которое само не реплицируется при репликации ДНК . [30] Примеры повреждения ДНК включают химическое добавление или разрушение нуклеотидного основания в ДНК (с образованием аномального нуклеотида или нуклеотидного фрагмента) или разрыв одной или обеих цепей ДНК. Когда реплицируется дуплексная ДНК, содержащая поврежденное основание, неправильное основание может быть вставлено во вновь синтезированную цепь напротив поврежденного основания в комплементарной цепи матрицы, и это может стать мутацией в следующем раунде репликации. Кроме того, двухцепочечный разрыв ДНК может быть исправлен с помощью неточного процесса, приводящего к изменению пары оснований, т. е. мутации. Однако мутации и повреждения ДНК фундаментально различаются: мутации в принципе могут воспроизводиться при репликации ДНК, тогда как повреждения ДНК не обязательно реплицируются. Таким образом, агенты, повреждающие ДНК, часто вызывают мутации как вторичное последствие, но не все повреждения ДНК приводят к мутациям, и не все мутации возникают в результате повреждения ДНК. [30] Термин генотоксичный означает токсичный (повреждающий) ДНК.
Мутагены могут вызывать изменения в ДНК и поэтому являются генотоксичными . Они могут влиять на транскрипцию и репликацию ДНК, что в тяжелых случаях может привести к гибели клеток. Мутаген вызывает мутации в ДНК, а вредная мутация может привести к отклонению, нарушению или потере функции определенного гена, а накопление мутаций может привести к раку. Поэтому мутагены могут быть также канцерогенами. Однако некоторые мутагены оказывают свое мутагенное действие через свои метаболиты, и поэтому то, станут ли такие мутагены действительно канцерогенными, может зависеть от метаболических процессов организма, и соединение, оказывающее мутагенное действие в одном организме, не обязательно может быть канцерогенным в другом. [31]
Разные мутагены действуют на ДНК по-разному. Мощные мутагены могут привести к хромосомной нестабильности, [32] вызывая хромосомные поломки и перестройки хромосом, такие как транслокация , делеция и инверсия . Такие мутагены называются кластогенами .
Мутагены также могут изменять последовательность ДНК; изменения последовательностей нуклеиновых кислот в результате мутаций включают замену пар нуклеотидных оснований , а также вставки и делеции одного или нескольких нуклеотидов в последовательностях ДНК. Хотя некоторые из этих мутаций летальны или вызывают серьезные заболевания, многие из них имеют незначительные последствия, поскольку не приводят к изменениям остатков, которые оказывают существенное влияние на структуру и функцию белков . Многие мутации являются «тихими» мутациями , вообще не вызывающими видимых эффектов, либо потому, что они происходят в некодирующих или нефункциональных последовательностях, либо потому, что они не меняют аминокислотную последовательность из-за избыточности кодонов . [33] Некоторые мутагены могут вызывать анеуплоидию и изменять количество хромосом в клетке. Они известны как анеуплоидогены. [34]
В тесте Эймса, где используются различные концентрации химического вещества, полученная кривая доза-эффект почти всегда линейна, что позволяет предположить, что порога для мутагенеза может отсутствовать. Аналогичные результаты получены и в исследованиях с радиацией, что указывает на то, что безопасного порога для мутагенов может не быть. Однако беспороговая модель оспаривается, некоторые утверждают, что порог мутагенеза зависит от мощности дозы . [35] [10] Некоторые предполагают, что низкий уровень некоторых мутагенов может стимулировать процессы восстановления ДНК и, следовательно, не обязательно может быть вредным. Более поздние подходы с использованием чувствительных аналитических методов показали, что может существовать нелинейная или билинейная реакция на дозу генотоксических эффектов и что активация путей репарации ДНК может предотвратить возникновение мутаций, возникающих в результате низкой дозы мутагена. [36]
Мутагены могут иметь физическое, химическое или биологическое происхождение. Они могут действовать непосредственно на ДНК, вызывая прямое повреждение ДНК и чаще всего приводят к ошибке репликации. Однако некоторые из них могут воздействовать на механизм репликации и разделение хромосом. Многие мутагены сами по себе не являются мутагенными, но могут образовывать мутагенные метаболиты посредством клеточных процессов, например, за счет активности системы цитохрома P450 и других оксигеназ , таких как циклооксигеназа . [37] Такие мутагены называются промутагенами. [38]
Химические мутагены прямо или косвенно повреждают ДНК. По этому признаку они бывают 2-х типов:
Они напрямую повреждают ДНК, но могут подвергаться или не подвергаться метаболизму с образованием промутагенов (метаболитов, которые могут иметь более высокий мутагенный потенциал, чем их субстраты).
Они не обязательно являются мутагенными сами по себе, но они продуцируют мутагенные соединения промутагенов посредством метаболических процессов в клетках.
Некоторые химические мутагены дополнительно требуют активации УФ или видимым светом для достижения мутагенного эффекта. Этифотомутагены , к которым относятся фурокумарины и лиметтин . [45]
Многие металлы, такие как мышьяк , кадмий , хром , никель и их соединения, могут быть мутагенными, однако они могут действовать по ряду различных механизмов. [46] Мышьяк, хром, железо и никель могут быть связаны с выработкой АФК, а некоторые из них также могут изменять точность репликации ДНК. Никель также может быть связан с гиперметилированием ДНК и деацетилированием гистонов , в то время как некоторые металлы, такие как кобальт , мышьяк, никель и кадмий, могут также влиять на процессы репарации ДНК, такие как репарация несоответствия ДНК , а также репарация вырезания оснований и нуклеотидов . [47]
Антиоксиданты представляют собой важную группу антиканцерогенных соединений, которые могут помочь удалить АФК или потенциально вредные химические вещества. Их можно найти в природе во фруктах и овощах . [50] Примерами антиоксидантов являются витамин А и его предшественники каротиноиды , витамин С , витамин Е , полифенолы и различные другие соединения. β-каротин — это соединения красно-оранжевого цвета, содержащиеся в овощах, таких как морковь и помидоры . Витамин С может предотвратить некоторые виды рака, ингибируя образование мутагенных N-нитрозосоединений (нитрозаминов). Также было доказано, что флавоноиды , такие как EGCG в зеленом чае , являются эффективными антиоксидантами и могут обладать противораковыми свойствами. Эпидемиологические исследования показывают, что диета, богатая фруктами и овощами, связана с более низкой заболеваемостью некоторыми видами рака и большей продолжительностью жизни, [51] однако эффективность антиоксидантных добавок в профилактике рака в целом все еще остается предметом некоторых споров. [51] [52]
Другие химические вещества могут снижать мутагенез или предотвращать рак с помощью других механизмов, хотя для некоторых точный механизм их защитных свойств может быть неопределенным. Селен , который присутствует в овощах в качестве микроэлемента, является компонентом важных антиоксидантных ферментов, таких как глутатионпероксидаза. Многие фитонутриенты могут противодействовать действию мутагенов; например, было показано, что сульфорафан в овощах, таких как брокколи, защищает от рака простаты . [53] Другие препараты, которые могут быть эффективны против рака, включают индол-3-карбинол из крестоцветных овощей и ресвератрол из красного вина. [54]
Эффективной мерой предосторожности, которую человек может предпринять, чтобы защитить себя, является ограничение воздействия мутагенов, таких как УФ-излучение и табачный дым. В Австралии, где люди с бледной кожей часто подвергаются воздействию яркого солнечного света, меланома является наиболее распространенным раком, диагностируемым у людей в возрасте 15–44 лет. [55] [56]
В 1981 году эпидемиологический анализ человека, проведенный Ричардом Доллом и Ричардом Пето, показал, что курение является причиной 30% случаев рака в США. [57] Также считается, что диета является причиной значительного числа случаев рака, и, по оценкам, около 32% смертей от рака можно избежать, изменив диету. [58] Мутагены, выявленные в пищевых продуктах, включают микотоксины из пищевых продуктов, зараженных грибковыми наростами, такие как афлатоксины , которые могут присутствовать в зараженном арахисе и кукурузе; гетероциклические амины , образующиеся в мясе при приготовлении при высокой температуре; ПАУ в обугленном мясе и копченой рыбе, а также в маслах, жирах, хлебе и крупах; [59] и нитрозамины, образующиеся из нитритов, используемых в качестве пищевых консервантов в копченом мясе , таком как бекон ( однако аскорбат , который добавляется в копченое мясо, снижает образование нитрозаминов). [50] Чрезмерно подрумяненные крахмалистые продукты, такие как хлеб, печенье и картофель, могут выделять акриламид — химическое вещество, которое, как показали исследования на животных, вызывает рак. [60] [61] Чрезмерное употребление алкоголя также связано с раком; возможные механизмы его канцерогенности включают образование возможного мутагенного ацетальдегида и индукцию системы цитохрома P450 , которая, как известно, производит мутагенные соединения из промутагенов. [62]
Для контроля над некоторыми мутагенами, такими как опасные химические вещества и радиоактивные материалы, а также инфекционные агенты, которые, как известно, вызывают рак, необходимо государственное законодательство и регулирующие органы. [63]
Разработано множество различных систем обнаружения мутагена. [64] [65] Системы животных могут более точно отражать метаболизм человека, однако они дороги и отнимают много времени (может занять около трех лет), поэтому они не используются в качестве первого скрининга на мутагенность или канцерогенность.
Системы, подобные тесту Эймса, были разработаны на дрожжах. Обычно используют Saccharomyces cerevisiae . Эти системы могут проверять прямые и обратные мутации, а также рекомбинантные события.
Связанный с полом рецессивный летальный тест . В этом тесте используются самцы линии с желтыми телами. Ген желтого тела лежит в Х-хромосоме. Плодовых мух кормят диетой, состоящей из тестируемых химикатов, а потомство разделяют по полу. Выживших самцов скрещивают с самками того же поколения, и если во втором поколении самцов с желтыми телами не обнаружено, это будет указывать на то, что произошла летальная мутация в Х-хромосоме.
Такие растения, как Zea mays , Arabidopsis thaliana и Tradescantia , использовались в различных тестах на мутагенность химических веществ.
Линии клеток млекопитающих, такие как клетки V79 китайского хомячка, клетки яичника китайского хомячка (CHO) или клетки лимфомы мыши, можно использовать для тестирования на мутагенез. Такие системы включают анализ HPRT на устойчивость к 8-азагуанину или 6-тиогуанину и анализ устойчивости к уабаину (OUA) .
Первичные гепатоциты крысы также можно использовать для измерения восстановления ДНК после повреждения ДНК. Мутагены могут стимулировать незапланированный синтез ДНК, что приводит к более окрашиванию ядерного материала в клетках после воздействия мутагенов.
Эти системы проверяют наличие крупномасштабных изменений в хромосомах и могут использоваться с культурой клеток или в испытаниях на животных. Хромосомы окрашивают и наблюдают за любыми изменениями. Обмен сестринскими хроматидами представляет собой симметричный обмен хромосомным материалом между сестринскими хроматидами, который может быть связан с мутагенным или канцерогенным потенциалом химического вещества. В микроядерном тесте клетки исследуются на наличие микроядер, которые представляют собой фрагменты или хромосомы, оставшиеся в анафазе, и, следовательно, это тест на наличие кластогенных агентов, вызывающих разрывы хромосом. Другие тесты могут проверить наличие различных хромосомных аберраций, таких как хроматидные и хромосомные разрывы и делеции, транслокации и плоидность.
Для испытаний на животных обычно используются грызуны . Испытуемые химические вещества обычно вводятся в пищу и в питьевую воду, но иногда и путем накожного применения, через желудочный зонд или ингаляционно, и применяются на протяжении большей части жизни грызунов. В тестах на наличие канцерогенов сначала определяют максимально переносимую дозу, затем диапазон доз вводят примерно 50 животным в течение предполагаемой продолжительности жизни животного в два года. После смерти животных исследуют на наличие признаков опухолей. Однако различия в метаболизме между крысой и человеком означают, что человек может реагировать на мутаген по-разному, а дозы, которые вызывают опухоли в тестах на животных, также могут быть неоправданно высокими для человека, т.е. эквивалентное количество, необходимое для образования опухолей у человека. может значительно превосходить то, с чем человек может столкнуться в реальной жизни.
Мышей с рецессивными мутациями видимого фенотипа также можно использовать для проверки на наличие мутагенов. Самки с рецессивной мутацией, скрещенные с самцами дикого типа, будут давать тот же фенотип, что и дикий тип, и любое наблюдаемое изменение фенотипа будет указывать на то, что произошла мутация, вызванная мутагеном.
Мышей также можно использовать для испытаний на доминантную летальность , при которых отслеживают раннюю эмбриональную гибель. Самцов мышей обрабатывают тестируемыми химическими веществами, спаривают с самками, а затем самок умерщвляют перед родами, а раннюю смертность плода подсчитывают в рогах матки .
Еще одним методом тестирования мутагенов является анализ трансгенных мышей с использованием штамма мышей, инфицированного вирусным челночным вектором . Животных сначала обрабатывают предполагаемым мутагеном, затем выделяют ДНК мыши, извлекают сегмент фага и используют для заражения E. coli . При использовании метода, аналогичного сине-белому экрану , бляшки, образующиеся с ДНК, содержащей мутацию, становятся белыми, а бляшки без нее — синими.
Многие мутагены высокотоксичны для пролиферирующих клеток, и их часто используют для уничтожения раковых клеток. Алкилирующие агенты, такие как циклофосфамид и цисплатин , а также интеркалирующие агенты, такие как даунорубицин и доксорубицин, могут использоваться в химиотерапии . Однако из-за их воздействия на другие клетки, которые также быстро делятся, они могут иметь побочные эффекты, такие как выпадение волос и тошнота. Исследования более целенаправленной терапии могут уменьшить такие побочные эффекты. Ионизирующие излучения используются в лучевой терапии .
В научной фантастике мутагены часто представляют как вещества, способные полностью изменить форму реципиента или наделить его сверхспособностями. Мощное излучение является агентом мутации для супергероев комиксов Marvel «Фантастическая четверка» , « Сорвиголова » и «Халк» , в то время как во франшизе «Черепашки-ниндзя» мутагеном является химический агент, также называемый «ил», а для нелюдей мутаген — это Терриген Мист . Мутагены также присутствуют в таких видеоиграх, как Cyberia , System Shock , The Witcher , Metroid Prime: Trilogy , Resistance: Fall of Man , Resident Evil , Infamous , Freedom Force , Command & Conquer , Gears of War 3 , StarCraft , BioShock , Fallout . , Underrail и Maneater . В фильмах о «ядерных монстрах» 1950-х годов ядерная радиация мутирует людей и обычных насекомых, часто до огромных размеров и агрессивности; в число этих фильмов входят «Годзилла» , «Они!» , Атака 50-футовой женщины , Тарантула! и «Удивительный колоссальный человек» .
Bereits kurz nach der Entdeckung der Möglichkeit einer Auslösung von Mutationen durch ionisierende Strahlen (Надсон у. Филиппов 1925, 1928; Мюллер 1927)
{{cite web}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка ){{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )