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 все обязательно таковыми являются. Все мутагены имеют характерные мутационные сигнатуры , при этом некоторые химические вещества становятся мутагенными через клеточные процессы.
Процесс изменения ДНК называется мутагенезом . Не все мутации вызваны мутагенами: так называемые «спонтанные мутации» происходят из-за спонтанного гидролиза , ошибок в репликации ДНК , репарации и рекомбинации .
Первыми идентифицированными мутагенами были канцерогены , вещества, которые, как было показано, связаны с раком . Опухоли были описаны более чем за 2000 лет до открытия хромосом и ДНК ; в 500 году до нашей эры греческий врач Гиппократ назвал опухоли, напоминающие краба, karkinos (от которого через латынь произошло слово «рак»), что означает краб. [1] В 1567 году швейцарский врач Парацельс предположил, что неопознанное вещество в добытой руде ( в наше время идентифицированное как радоновый газ) вызывает изнуряющую болезнь у шахтеров, [2] а в Англии, в 1761 году, Джон Хилл впервые напрямую связал рак с химическими веществами, отметив, что чрезмерное употребление нюхательного табака может вызвать рак носа. [3] В 1775 году сэр Персиваль Потт написал статью о высокой частоте рака мошонки у трубочистов и предположил, что причиной рака мошонки является сажа из дымоходов. [4] В 1915 году Ямагава и Итикава показали, что многократное нанесение каменноугольной смолы на уши кроликов вызывает злокачественную опухоль. [5] Впоследствии, в 1930-х годах, канцерогенный компонент в каменноугольной смоле был идентифицирован как полиароматический углеводород (ПАУ), бензо[a]пирен . [2] [6] Полиароматические углеводороды также присутствуют в саже, которая, как предполагалось, является возбудителем рака более 150 лет назад.
Связь между воздействием радиации и раком была замечена 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 мутанты грибов под действием ионизирующего излучения в 1925 году . [8] [9] Мутагенное свойство мутагенов было впервые продемонстрировано в 1927 году, когда Герман Мюллер обнаружил, что рентгеновские лучи могут вызывать генетические мутации у плодовых мушек , производя фенотипические мутанты, а также наблюдаемые изменения в хромосомах, [10] [11] видимые из-за наличия увеличенных «политенных» хромосом в слюнных железах плодовых мушек. [12] Его коллега Эдгар Альтенбург также продемонстрировал мутационный эффект УФ-излучения в 1928 году. [13] Мюллер продолжил использовать рентгеновские лучи для создания мутантов Drosophila , которых он использовал в своих исследованиях генетики . [14] Он также обнаружил, что рентгеновские лучи не только мутируют гены у плодовых мушек, [10] но и оказывают влияние на генетический состав людей. [15] [ необходим лучший источник ] Похожая работа Льюиса Штадлера 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 ранее было отмечено в девятнадцатом веке, когда было обнаружено, что сельские рабочие на открытом воздухе и моряки более подвержены раку кожи. [18]
Химические мутагены не были продемонстрированы как вызывающие мутации до 1940-х годов, когда Шарлотта Ауэрбах и Дж. М. Робсон обнаружили, что горчичный газ может вызывать мутации у плодовых мушек. [19] С тех пор было идентифицировано большое количество химических мутагенов, особенно после разработки теста Эймса в 1970-х годах Брюсом Эймсом , который выявляет мутагены и позволяет предварительно идентифицировать канцерогены. [20] [21] Ранние исследования Эймса показали, что около 90% известных канцерогенов могут быть идентифицированы в тесте Эймса как мутагенные (более поздние исследования, однако, дали более низкие цифры), [22] [23] [24] и ~80% мутагенов, идентифицированных 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 не было показано, что он является канцерогенным. [26] Между тем, соединения, которые не являются напрямую мутагенными, но стимулируют рост клеток, что может снизить эффективность восстановления ДНК и косвенно увеличить вероятность мутаций, а следовательно, и рака. [27] Одним из примеров этого могут быть анаболические стероиды , которые стимулируют рост предстательной железы и увеличивают риск рака простаты среди прочего. [28] Другие канцерогены могут вызывать рак посредством различных механизмов, не вызывая мутаций, таких как стимулирование 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 структуры ДНК, которая сама по себе не реплицируется при репликации ДНК . [30] Примерами повреждения ДНК являются химическое добавление или разрушение нуклеотидного основания в ДНК (генерация аномального нуклеотида или нуклеотидного фрагмента) или разрыв одной или обеих цепей ДНК. Когда реплицируется дуплексная ДНК, содержащая поврежденное основание, неправильное основание может быть вставлено в недавно синтезированную цепь напротив поврежденного основания в комплементарной цепи-матрице, и это может стать мутацией в следующем раунде репликации. Также разрыв двухцепочечной ДНК может быть восстановлен неточным процессом, приводящим к измененной паре оснований, мутации. Однако мутации и повреждения ДНК различаются фундаментальным образом: мутации, в принципе, могут реплицироваться 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 мутации, и не все мутации возникают из-за повреждения ДНК. [30] Термин «генотоксичный» означает токсичный (повреждающий) ДНК.
Мутагены могут вызывать изменения в ДНК и, следовательно, являются генотоксичными . Они могут влиять на транскрипцию и репликацию ДНК, что в тяжелых случаях может привести к гибели клетки. Мутаген вызывает мутации в ДНК, а вредная мутация может привести к аберрантной, нарушенной или утраченной 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, следовательно, то, становятся ли такие мутагены фактически канцерогенными, может зависеть от метаболических процессов организма, и соединение, которое, как было показано, является мутагенным в одном организме, не обязательно может быть канцерогенным в другом. [31]
Различные мутагены действуют на ДНК по-разному. Мощные мутагены могут приводить к хромосомной нестабильности, [32] вызывая хромосомные разрывы и перестройки хромосом, такие как транслокация , делеция и инверсия . Такие мутагены называются кластогенами .
Мутагены также могут изменять последовательность ДНК; изменения в последовательностях нуклеиновых кислот из-за мутаций включают замену пар нуклеотидных оснований и вставки и делеции одного или нескольких нуклеотидов в последовательностях ДНК. Хотя некоторые из этих мутаций являются летальными или вызывают серьезные заболевания, многие имеют незначительные эффекты, поскольку они не приводят к изменениям остатков, которые оказывают значительное влияние на структуру и функцию белков . Многие мутации являются молчаливыми мутациями , не вызывая вообще никаких видимых эффектов, либо потому, что они происходят в некодирующих или нефункциональных последовательностях, либо они не изменяют последовательность аминокислот 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 в тесте используются различные концентрации химического вещества, полученная кривая доза-реакция почти всегда линейна, что говорит о том, что порога для мутагенеза может не быть. Аналогичные результаты получены также в исследованиях с радиацией, что указывает на то, что безопасного порога для мутагенов может не быть. Однако модель без порога оспаривается некоторыми, выступающими за порог мутагенеза, зависящий от мощности дозы . [35] [10] Некоторые предполагают, что низкий уровень некоторых мутагенов может стимулировать процессы репарации ДНК и, следовательно, не обязательно может быть вредным. Более поздние подходы с чувствительными аналитическими методами показали, что могут быть нелинейные или билинейные дозозависимые реакции для генотоксических эффектов, и что активация путей репарации ДНК может предотвратить возникновение мутации, возникающей из-за низкой дозы мутагена. [36]
Мутагены могут быть физического, химического или биологического происхождения. Они могут действовать непосредственно на ДНК, вызывая прямое повреждение ДНК, и чаще всего приводят к ошибке репликации. Однако некоторые могут действовать на механизм репликации и хромосомное разделение. Многие мутагены сами по себе не являются мутагенными, но могут образовывать мутагенные метаболиты через клеточные процессы, например, через активность системы цитохрома P450 и других оксигеназ, таких как циклооксигеназа . [37] Такие мутагены называются промутагенами. [38]
Химические мутагены напрямую или косвенно повреждают ДНК. По этому признаку они бывают 2 типов:
Они напрямую повреждают ДНК, но могут подвергаться метаболизму с образованием промутагенов (метаболитов, которые могут обладать более высоким мутагенным потенциалом, чем их субстраты), а могут и не подвергаться.
Сами по себе они не обязательно являются мутагенными, но в ходе метаболических процессов в клетках они вырабатывают мутагенные соединения — промутагены.
Некоторые химические мутагены для своего мутагенного эффекта дополнительно требуют активации ультрафиолетом или видимым светом . Этофотомутагены , в том числе фурокумарины и лиметтин . [46]
Многие металлы, такие как мышьяк , кадмий , хром , никель и их соединения, могут быть мутагенными, но они могут действовать, однако, через ряд различных механизмов. [47] Мышьяк, хром, железо и никель могут быть связаны с производством ROS, и некоторые из них могут также 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 несоответствий ДНК и репарация эксцизии оснований и нуклеотидов . [48]
Антиоксиданты — важная группа антиканцерогенных соединений, которые могут помочь удалить ROS или потенциально вредные химические вещества. Они могут быть найдены в природе во фруктах и овощах . [51] Примерами антиоксидантов являются витамин A и его предшественники каротиноидов , витамин C , витамин E , полифенолы и различные другие соединения. β-каротин — это красно-оранжевые соединения, содержащиеся в овощах, таких как морковь и помидоры . Витамин C может предотвращать некоторые виды рака, ингибируя образование мутагенных N-нитрозосоединений (нитрозаминов). Флавоноиды , такие как EGCG в зеленом чае , также оказались 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 более продолжительной продолжительностью жизни, [52] однако эффективность антиоксидантных добавок в профилактике рака в целом все еще является предметом некоторых дискуссий. [52] [53]
Другие химические вещества могут снижать мутагенез или предотвращать рак с помощью других механизмов, хотя для некоторых точный механизм их защитного свойства может быть неопределенным. Селен , который присутствует в овощах как микроэлемент, является компонентом важных антиоксидантных ферментов, таких как глутатионпероксидаза. Многие фитонутриенты могут противодействовать эффекту мутагенов; например, было показано, что сульфорафан в овощах, таких как брокколи, защищает от рака простаты . [54] Другие, которые могут быть эффективны против рака, включают индол-3-карбинол из крестоцветных овощей и ресвератрол из красного вина. [55]
Эффективной мерой предосторожности, которую может предпринять человек, чтобы защитить себя, является ограничение воздействия мутагенов, таких как ультрафиолетовое излучение и табачный дым. В Австралии, где люди с бледной кожей часто подвергаются воздействию сильного солнечного света, меланома является наиболее распространенным видом рака, диагностируемым у людей в возрасте 15–44 лет. [56] [57]
В 1981 году эпидемиологический анализ человека, проведенный Ричардом Доллом и Ричардом Пето, показал, что курение является причиной 30% случаев рака в США. [58] Также считается, что диета является причиной значительного числа случаев рака, и было подсчитано, что около 32% случаев смерти от рака можно было бы избежать, изменив диету. [59] Мутагены, обнаруженные в пище, включают микотоксины из пищи, загрязненной грибковыми образованиями, такие как афлатоксины , которые могут присутствовать в загрязненном 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 злаках; [60] и нитрозамины, образующиеся из нитритов, используемых в качестве пищевых консервантов в вяленом мясе , таком как бекон ( однако аскорбат , который добавляется в вяленое мясо, снижает образование нитрозаминов). [51] Чрезмерно поджаренная крахмалистая пища, такая как хлеб, печенье и картофель, может генерировать акриламид , химическое вещество, которое, как показали исследования на животных, вызывает рак. [61] [62] Чрезмерное употребление алкоголя также связано с раком; возможные механизмы его канцерогенности включают образование возможного мутагена ацетальдегида и индукцию системы цитохрома P450 , которая, как известно, производит мутагенные соединения из промутагенов. [63]
Для контроля некоторых мутагенов, таких как опасные химикаты и радиоактивные материалы, а также инфекционных агентов, вызывающих рак, необходимы государственные законы и регулирующие органы. [64]
Было разработано много различных систем для обнаружения мутагена. [65] [66] Животные системы могут более точно отражать метаболизм человека, однако они дороги и требуют много времени (на их завершение может уйти около трех лет), поэтому их не используют в качестве первого скрининга на мутагенность или канцерогенность.
Системы, подобные тесту Эймса, были разработаны на дрожжах. Обычно используется Saccharomyces cerevisiae . Эти системы могут проверять прямые и обратные мутации, а также рекомбинантные события.
Тест на сцепленный с полом рецессивный летальный ген – в этом тесте используются самцы из штамма с желтыми телами. Ген желтого тела находится на Х-хромосоме. Плодовых мушек кормят на диете из тестового химиката, 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 означать, что произошла летальная мутация на Х-хромосоме.
Такие растения, как Zea mays , Arabidopsis thaliana и Tradescantia, использовались в различных тестах на мутагенность химических веществ.
Клеточные линии млекопитающих, такие как клетки V79 китайского хомячка, клетки яичника китайского хомячка (CHO) или клетки лимфомы мыши, могут быть использованы для проверки на мутагенез. Такие системы включают анализ HPRT на устойчивость к 8-азагуанину или 6-тиогуанину и анализ на устойчивость к уабаину (OUA) .
Первичные гепатоциты крысы также могут быть использованы для измерения восстановления ДНК после повреждения ДНК. Мутагены могут стимулировать незапланированный синтез ДНК, что приводит к более окрашенному ядерному материалу в клетках после воздействия мутагенов.
Эти системы проверяют крупномасштабные изменения хромосом и могут использоваться с клеточной культурой или в испытаниях на животных. Хромосомы окрашиваются и наблюдаются на предмет любых изменений. Обмен сестринскими хроматидами представляет собой симметричный обмен хромосомным материалом между сестринскими хроматидами и 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, являются тестом на кластогенные агенты, вызывающие разрывы хромосом. Другие тесты могут проверять различные хромосомные аберрации, такие как хроматидные и хромосомные пробелы и делеции, транслокации и плоидность.
Грызуны обычно используются в испытаниях на животных . Тестируемые химикаты обычно вводятся в пищу и питьевую воду, но иногда путем нанесения на кожу, через зонд или путем вдыхания и проводятся в течение большей части жизни грызунов. В испытаниях, которые проверяют на канцерогены, сначала определяется максимально переносимая доза, затем диапазон доз дается примерно 50 животным в течение условной 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 не реагировать на мутаген точно так же, и дозы, которые вызывают опухоли в испытаниях на животных, также могут быть неоправданно высокими для человека, то есть эквивалентное количество, необходимое для образования опухолей у человека, может намного превышать то, с чем человек может столкнуться в реальной жизни.
Мыши с рецессивными мутациями для видимого фенотипа также могут быть использованы для проверки на мутагены. Самки с рецессивной мутацией, скрещенные с самцами дикого типа, дадут тот же фенотип, что и дикий тип, и любое наблюдаемое изменение фенотипа будет указывать на то, что произошла мутация, вызванная мутагеном.
Мыши также могут использоваться для доминантных летальных анализов , где отслеживаются ранние эмбриональные смерти. Самцов мышей обрабатывают исследуемыми химикатами, спаривают с самками, а затем самок умерщвляют до родов, и ранние эмбриональные смерти подсчитывают в рогах матки .
Трансгенный анализ мышей с использованием штамма мышей, инфицированных вирусным челночным вектором, является еще одним методом тестирования мутагенов. Сначала животных обрабатывают предполагаемым мутагеном, затем выделяют ДНК мыши, а сегмент фага извлекают и используют для заражения E. coli . При использовании метода, аналогичного сине-белому экрану , бляшки, образованные с ДНК, содержащей мутацию, белые, а без нее — синие.
Многие мутагены очень токсичны 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. Ионизирующее излучение используется в лучевой терапии .
В научной фантастике мутагены часто представляются как вещества, способные полностью изменить форму получателя или предоставить ему сверхспособности. Мощные излучения являются агентами мутации для супергероев в комиксах Marvel Comics «Фантастическая четверка» , «Сорвиголова» и «Халк» , в то время как в франшизе « Черепашки-ниндзя » МУТАГЕН «ил» для Нелюдей мутагеном является Туман Терригена . Мутагены также представлены в видеоиграх, таких 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 ядерное излучение мутирует людей и обычных насекомых, часто до огромных размеров и агрессии; К этим фильмам относятся «Годзилла» , «Они!» , «Атака 50-футовой женщины» , «Тарантул!» 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=проигнорировано ( помощь )