как носителей генетической информации 6 глава

По характеру влияния на активность ферментов различают несколько типов миссенс-мутаций. Мутации, приводящие к образованию менее активных ферментов либо снижающие уровень их синтеза, называют растекающимися или ликовыми (от англ. leaky - пропускающий, неплотный). Некоторые миссенс-мутации приводят к продукции ферментов с нормальной активностью в одних (“пермиссивных”), но слабоактивных в других (“непермиссивных”) условиях. К подобным мутациям относятся все описанные выше условно летальные мутации в генах, кодирующих какую-либо жизненно важную функцию, например, репликацию ДНК.

Отличительная особенность миссенс-мутаций - их способность к внутригенной (межаллельной) комплементации, приводящей к образованию функционально активного фермента в случае комбинации данной мутации с некоторыми другими миссенс-мутациями в том же гене. Наконец, ферменты, инактивированные в результате миссенс-мутации, могут сохранять свою иммунологическую специфичность и вступать в перекрестную иммунологическую реакцию с нормальным ферментом. Перечисленные особенности миссенс-мутаций позволяют отличить их от генных мутаций других типов.

К типу “нонсенс” относят мутации, приводящие к замене пар оснований, при которой кодон, определяющий какую-либо аминокислоту, превращается в один из нонсенс-кодонов, не транслирующихся на рибосомах. Проявление такого кодона не в конце структурного гена, а внутри него, приводит к преждевременной терминации трансляции, т.е. к обрыву полипептидной цепи. Подобная терминация, как правило, сопровождается полным выключением функции фермента.

 

Мутации со сдвигом рамки

 

Мутации со сдвигом рамки (называемые также фрейм-шифт), обусловленные вставками или выпадениями одного из нескольких нуклеотидов, по своим свойствам напоминают нонсенс-мутации: они, как правило, не бывают “ликовыми”, а их проявление не зависит от температуры или других условий внешней среды. Более того, мутации со сдвигом рамки часто представляют собой и нонсенс-мутации, поскольку вставки или выпадения оснований приводят к образованию нонсенс-кодонов, расположенных дистально по ходу транскрипции. В этом случае между мутациями типов “фреймшифт” и “нонсенс” расположена область, кодирующая ошибочную аминокислотную последовательность. Поэтому внутригенные суперсупрессоры, подавляющие обычные нонсенс-мутации, не могут исправить дефект, вызванный мутацией со сдвигом рамки. Эта особенность и используется для различения мутаций обоих типов.

Генные мутации часто оказывают плейотропное (множественное) действие. Плейотропная мутация изменяет сразу несколько признаков организма. Примером плейотропной мутации может служить также точечная мутация, приводящая к образованию гемоглобина S. Следствием ее является не только гемолитическая (серповидноклеточная) анемия, но и ряд нарушений развития различных органов, включая кости, сердце, легкие, почки и селезенку. Вместе с тем внешне здоровые лица, гетерозиготные по мутантной аллели, обозначаемой как Hb^s, отличаются устойчивостью к одному из видов малярии. Поэтому эта мутация в свое время была подхвачена отбором, а лица, гетерозиготные по указанной аллели, составляют до 40% населения в некоторых неблагополучных по данному виду малярии районах Африки. Другой пример мутаций этого типа - мутация по гену, кодирующему биосинтез одного из минорных оснований, входящих в состав различных тРНК у бактерий. В результате такой мутации при повышенной температуре синтезируются дефектные тРНК, что может привести мутантные клетки к гибели вследствие резкого нарушения трансляции.

К плейотропным мутациям иного типа относятся полярные мутации в генах, входящих в состав одного оперона. Такие мутации инактивируют не только тот ген, в котором они возникают, но и все другие гены, расположенные дистально от первого по отношению к промотор-операторной регуляторной области. Подобные эффекты вызываются нонсенс-мутациями, причем степень их полярности выражена тем сильнее, чем ближе нонсенс-триплет к регуляторной зоне. Полярные мутации могут быть вызваны не только мутациями типа замены оснований и сдвига рамки, но и вставками мигрирующих генетических элементов. Механизм возникновения полярности связан с терминацией полицистронной иРНК, внутри которой возник нонсенс-кодон. Вместе с тем мутации в регуляторной промотор-оперативной области, блокирующие саму возможность образования такой иРНК, также обусловливают полярный эффект.

 

Обратные мутации и супрессоры

 

Мутации гена “дикого типа”, приводящие к изменению признака, т.е. к мутантному фенотипу, называют прямыми. Многие прямые мутации способны ревертировать. Это означает, что какая-то другая мутация восстанавливает исходный дикий фенотип мутанта, вызванный первой мутацией. Такие мутации называют обратными или реверсиями. Восстановление дикого фенотипа может произойти за счет истинной обратной мутации в том же сайте гена, что и прямая мутация. Это приводит к восстановлению исходной нуклеотидной последовательности. Другая возможность образования реверсий состоит в том, что вторая мутация локализуется в другом месте генома и каким-то образом компенсирует дефект, обусловленный первой мутацией. Мутации такого типа называют супрессорными, поскольку они супрессируют (подавляют) действие исходных мутаций. Для того чтобы отличить истинные обратные мутации от супрессорных, используют метод анализирующих скрещиваний, при которых ревертанты скрещивают с исходным диким фенотипом. Если образование ревертанта связано с истинной обратной мутацией, все потомство от такого скрещивания должно иметь дикий фенотип. Если же анализируемый организм несет две мутации - прямую и супрессорную, то в результате рекомбинации возникает потомство дикого либо мутантного фенотипа. Частота возникновения последнего зависит от того, насколько сцеплены прямая и супрессорная мутации. В случае тесного сцепления вероятность образования рекомбинантного потомства с мутантным фенотипом снижается. Вместе с тем потомство, несущее только супрессорную мутацию, может иметь дикий фенотип по признаку, контролируемому исходной мутацией, но мутантный по другому признаку, контролируемому самой супрессорной мутацией. Описанные результаты анализирующих скрещиваний наиболее четко выявляются у гаплоидных организмов. У диплоидов в таких скрещиваниях участвуют гемозиготный организм дикого типа и гомозиготный фенотипически нормальный ревертант. Далее для выявления особей с мутантным фенотипом проводят скрещивания между гетерозиготами из F₁.

Частота истинных мутаций существенно ниже частоты прямых мутаций, поскольку последние могут возникнуть в различных сайтах одного гена. Большинство обратных мутаций (или реверсий) - супрессорные. Супрессия может быть внутригенная и внегенная. Внутригенная супрессия мутаций с заменой основания была продемонстрирована Яновским (1967), показавшим, что активность мутантного фермента триптофансинтетазы у E. coli восстанавливается, если в том же мутантном триплете возникает вторая мутация, в результате которой в полипептид, кодируемый мутантным геном, включается более подходящая аминокислота. Так, замена в 210-ом положении глицина (ЦГА) на аргинин (АГА) в результате миссенс-мутации trpА23 инактивирует фермент. Вторая мутация, вызывающая замену кодона АГА на АГУ (или АГЦ), приведет к включению в белок серина вместо аргинина, что, хотя и не будет истинной реверсией, приведет к восстановлению каталитической функции мутантного фермента. Возможность подобной внутрикодонной супрессии продемонстрирована также в случае нонсенс-мутаций в локусе rII фага Т4. Наряду с этим, эффект мутаций с заменой оснований в одном сайте может супрессироваться за счет реверсии в другом сайте. В этом случае замена оснований в одном триплете супрессируется второй заменой в другом триплете того же гена. Предполагается, что подобная супрессия связана с возможностью взаимной компенсации обеих мутаций в результате образования третичной структуры фермента, при которой его активность восстанавливается.

Помимо супрессии мутации с заменой оснований, внутригенная супрессия касается также мутаций со сдвигом рамки. Обнаружение такой супрессии способствовало установлению триплетности кода.

Внегенная супрессия также присуща как миссенс- и нонсенс-мутациям, так и мутациям со сдвигом рамки. Внегенная супрессия миссенс-мутаций - результат изменений в структуре тРНК, затрагивающих специфичность взаимодействий между кодоном и антикодоном и между тРНК и аминокислотой. В любом случае мутантная тРНК может включить в синтезирующую полипептидную цепь другую аминокислоту вместо той, которая кодируется триплетом с миссенс-мутацией. Как правило, такая миссенс-супрессия не слишком эффективна, поскольку изменения в тРНК в большинстве случаев небезразличны для организма. Очевидно, подобные изменения не должны затрагивать возможность правильной трансляции иРНК. Это ограничение компенсируется различными многократными повторами генов тРНК в геномах, что относится как к про-, так и к эукариотам. Например, у дрозофилы обнаружено более 700 структурных генов, кодирующих 60 тРНК. Внегенная супрессия нонсенс-мутаций также связана с процессом трансляции. Суть ее состоит в появлении тРНК, антикодон которых распознает терминирующие нонсенс-кодоны как значимые. В результате эти кодоны считываются и в соответствующем месте полипептидной цепи не происходит обрыва. Подстановка напротив нонсенс-кодона определенной аминокислоты часто приводит к образованию активного фермента. Один из наиболее изученных примеров такой супрессии - изменение нуклеотидов в антикодоне тирозиновой тРНК у E.coli, приводящее к тому, что тРНК, у которой в результате супрессорной мутации антикодон АУГ сменился на АУУ, приобретает способность взаимодействовать с амбер-кодоном УАА и подставляет тирозин в соответствующее место растущей полипептидной цепи. Однако подобная супрессия удается лишь в том случае, если подставленная напротив нонсенс-кодона аминокислота не нарушит нормального функционирования фермента. Следует подчеркнуть, что для нонсенс-супрессоров характерна кодон-специфичность, но не ген-специфичность. Это означает, например, что амбер-супрессор способен восстановить активность различных генов с амбер-мутациями независимо от того, где локализованы мутантные гены, но не обусловливает реверсии к дикому типу у тех же генов, если они несут не амбер-, а какую-то иную мутацию. Вследствие такой плейотропности действия нонсенс-супрессоров их часто называют суперсупрессорами. Суперсупрессия обнаружена не только у бактерий и фагов, но и у эукариот (грибов, дрожжей).

Помимо внутри- и внегенной известны и некоторые другие типы супрессии. Один из них - фенотипическая супрессия, примером которой служит способность стрептомицина подавлять проявление мутаций к ауксотрофности у E. coli. Показано, что этот эффект осуществляется на уровне трансляции и связан с тем, что стрептомицин, воздействуя на рибосомы, повышает вероятность ошибок при считывании иРНК. Некоторые такие ошибки приводят к подстановке “неправильной” аминокислоты, восстанавливающей, однако, функцию фермента, обеспечивающего прототрофность бактерий по данному признаку (например, потребности для роста в определенной аминокислоте). Ясно, что подобная супрессия не должна наследоваться, поскольку не затрагивает генотип мутанта.

Рассмотренные возможности образования прямых и обратных мутаций относятся как к спонтанным, так и к индуцированным мутациям. Вместе с тем каждый из этих типов мутаций имеет свои закономерности и особенности, более подробно изученные в случае индуцированного мутагенеза.

 

Индуцированный мутагенез

 

Открытие мутационного процесса в начале ХХ века положило начало всестороннему изучению причин и механизмов наследственной изменчивости как общебиологического явления, присущего всем живым организмам. Естественным было желание воздействовать на этот процесс для повышения его эффективности. Успеху искусственного получения мутаций способствовали три обстоятельства: 1) выявление мутагенного действия рентгеновских лучей на хромосомы половых клеток; 2) обнаружение систем, позволяющих отличить хромосомные мутации от повреждений митотического аппарата клеток либо каких-то компонентов цитоплазмы; 3) разработка методов количественного учета вновь возникающих мутаций.

 

Мутагенное действие ионизирующих излучений

 

Первая успешная попытка изменить наследственность под действием радиации была предпринята Г.А. Надсоном и Г.С. Филипповым (1925), облучавших дрожжи препаратом радия. Поскольку генетика дрожжей в то время была совершенно не изучена, авторы этой работы не смогли доказать, что в основе отобранных ими новых форм лежит индукция наследуемых мутаций. Однако вскоре Г. Меллер (1927) на дрозофиле, а затем Л. Стадлер (1928) на ячмене и кукурузе убедительно продемонстрировали мутагенное действие рентгеновского излучения. Этому способствовала разработка надежных методов выявления сцепленных с полом летальных мутаций, а также видимых мутаций и крупных делеций.

Для идентификации летальных мутаций Меллер вывел такую линию D. melanogaster, самки которой содержали одну нормальную, а другую мутантную Х-хромосому. Мутантную хромосому он обозначил символом CIB. Она представляет собой протяженную инверсию, блокирующую кроссинговер между Х-хромосомами (“запиратель кроссинговера”). Отсутствие кроссинговера, с одной стороны, сохраняет все особенности хромосомы CIB, а с другой - препятствует переходу гена, в котором индуцирована летальная мутация, в хромосому CIB. I - рецессивная летальная мутация, которая может проявиться практически только в гемизиготном состоянии. В - сигнальная мутация (полосковидные глаза), по которой опознают самок-носительниц хромосомы CIB. Меллер облучал рентгеновскими лучами нормальных самцов и скрещивал их с самками CIB. Половина самок, полученных от такого скрещивания, будет нести хромосому CIB, тогда как другая половина - нормальную Х-хромосому. Вторая Х-хромосома у всех самок - облученная Х-хромосома самца-родителя. Для получения потомства F₂ скрещивают самок CIB с нормальными самцами. В результате половина самцов F₂ получают хромосому CIB, а вторая половина - облученную Х-хромосому. Если эта хромосома содержит рецессивную летальную мутацию, то в F₂ вообще не будет самцов. Напротив, отсутствие летальной мутации приводит к появлению в F₂ потомства с соотношением самцов и самок 1:2. Таким образом, присутствие или отсутствие индуцированных облучением рецессивных, сцепленных с полом мутаций можно легко распознать по присутствию или отсутствию самцов в потомстве от второго скрещивания.

Другой разработанный Меллером метод (Меллер-5) позволяет учитывать как летальные, так и видимые мутации. Хромосома Меллер-5 (М5) не содержит летальных мутаций, и поэтому самки могут быть гомозиготны по этой хромосоме. Кроме того, хромосома М5 содержит две инверсии, которые более надежно, чем в случае CIB, запирают кроссинговер. В хромосоме М5 также имеется ряд сигнальных генов: y, sc, w^ap. В случае индукции в Х-хромосоме самцов рецессивных летальных мутаций в F₂ соотношение самок и самцов становится 2:1.

Учет рецессивных видимых мутаций, возникающих в Х-хромосоме самцов, проводится методом сцепленных Х-хромосом. Линия дрозофил с такими Х-хромосомами была получена Т. Морганом. Самки этой линии имеют сцепленные Х-хромосомы и дополнительно Y-хромосому. Обычно сцепленные Х-хромосомы в гомозиготном состоянии несут рецессивную аллель у (от англ. yellow - желтый). Благодаря этому все самки со сцепленными Х-хромосомами имеют желтое тело, тогда как самцы - нормальную серую окраску. Гаметы таких самок содержат либо две сцепленные Х-хромосомы, либо одну Y-хромосому. При оплодотворении их облученным самцом возникают следующие комбинации: ХХХ - нежизнеспособные “сверхсамки”, XY - самцы, получившие Y-хромосому от матери, а Х - от отца, XXY - самки со сцепленными Х-хромосомами, YY - леталь. Если в Х-хромосоме облученного отца возникает видимая мутация, ее легко выявить по появлению в F₁ самца с необычным признаком среди массы нормальных самцов, легко отличимых от самок по окраске тела.

Используя метод CIB, Меллер обнаружил, что рентгеновское облучение самцов стократно увеличивает частоту образования рецессивных летальных мутаций. С помощью методов сцепленных Х-хромосом и Меллер-5 было установлено, что рентгеновское облучение индуцирует не только летальные, но и видимые мутации, а также большие делеции. Вслед за работами Меллера на дрозофиле и Стадлера на ячмене и кукурузе, Н. В. Тимофеев-Ресовский, К. Циммер, Дж. Ли, М. Демерец, К. Штерн, А. С. Серебровский и другие исследователи начали интенсивное изучение мутагенного действия радиации на дрозофиле, различных растениях и микроорганизмах. Эти работы положили начало радиационной генетике.

Разработка методов количественной оценки мутаций, индуцированных рентгеновскими лучами, и выявление мутагенности их действия на разных объектах позволили понять общие черты мутационного процесса, вызванного облучением. Были установлены следующие факты: 1) действие ионизирующей радиации как мутагенного фактора имеет универсальный характер и проявляется на всех биологических объектах; 2) мутационный процесс, вызванный ионизирующим облучением, ненаправленный, т.е. может затрагивать любые признаки организма и носит статистический характер; 3) радиация индуцирует те же типы мутаций, которые возникают и при спонтанном мутагенезе.

К ионизирующим относятся рентгеновские, g- и космические лучи. Рентгеновские лучи с длиной волны 0,1-1 нм обладают высокой энергией, позволяющей им проникнуть внутрь живых тканей. При этом энергия этих лучей и других типов ионизирующих излучений поглощается непосредственно компонентами клетки, с которыми они сталкиваются, в том числе молекулами ДНК.

Существенно, что дозирование излучения не учитывает фактора времени. Это означает, что одна и та же доза может быть получена при слабой интенсивности облучения в течение длительного времени либо путем кратковременного облучения с высокой интенсивностью.

Как было установлено с помощью методов количественного учета мутаций у дрозофилы, кривые “доза-эффект” для сцепленных с полом рецессивных леталей и видимых (морфологических) мутаций носят линейный характер. Это означает, что частота индуцированных генных мутаций пропорциональна дозе облучения. Своеобразие радиобиологических кривых зависимости эффекта от дозы - отсутствие порога и постепенное нарастание до насыщения начиная с самых малых доз. Такой характер кривых отражает не только усиление степени поражения с возрастанием дозы, но и увеличение вероятности поражения: даже самые малые дозы ионизирующей радиации могут привести к гибели клетки и возникновению летальных мутаций, но лишь у небольшого числа особей. Этот вывод имеет важное значение при оценке допустимых доз радиации и опасностей, связанных с облучением.

Линейный характер зависимости частоты генных мутаций от дозы указывает, что они образуются одномоментно, т.е. один акт ионизации, возникающий вдоль пути следования вторичных электронов, вызывает мутацию. В радиобиологии такой акт ионизации называют “ударом”. Теория “удара”, созданная в 20-х годах, вскоре была модифицирована и легла в основу теории “мишени”, согласно которой возникновение генных мутаций, мелких делеций и одиночных разрывов хромосом под действием ионизирующей радиации - следствие одиночных ударов, причем повреждение происходит непосредственно в том месте, где возникает первичная ионизация, а вся реакция протекает внутри определенного объема (“мишени”), т.е. в самом гене либо в непосредственной близости к нему. Частота указанных изменений линейно зависит от дозы и не зависит от ее мощности (т.е. количества радиации в единицу времени) и от жесткости излучения (определяемой длиной волны).

В отличие от генных мутаций и простых делеций частота обменных перестроек хромосом под действием рентгеновского и g- облучения возрастает примерно пропорционально квадрату дозы. При этом одноударная кривая зависимости числа мутаций от дозы облучения меняется на S-образную, многоударную. Теория мишени объясняет это тем, что указанные виды облучения характеризуются низкой величиной линейного переноса энергии (т.е. плотности создаваемой ими вдоль треков движения луча). Поэтому акты ионизации вдоль треков редки и каждый из них не зависит от другого. Отсюда следует, что акт ионизации (один “удар”) достаточен для того, чтобы возникла генная мутация или один разрыв хромосомы, но для двух разрывов хромосомы, ведущих к хромосомным аберрациям, требуется два “удара”. Поскольку они возникают независимо, вероятность их попадания в одну хромосому является произведением вероятностей для каждого из них, что и составляет основу зависимости частоты хромосомных перестроек от квадрата дозы облучения. В отличие от рентгеновских и g-лучей нейтроны и a-частицы, характеризующиеся высоким значением линейного переноса энергии, дают плотную ионизацию в пределах одного трека. Вероятность возникновения двух разрывов хромосомы значительно увеличивается, поэтому кривые зависимости частоты хромосомных аберраций от дозы облучения соответствует кинетике первого порядка.

Теория мишени сыграла значительную роль в развитии радиационной генетики. Вместе с тем был получен ряд новых фактов, для объяснения которых одной этой теории оказалось недостаточно. Выяснилось, что радиационные повреждения генетического материала являются не прямыми, а лишь потенциальными источниками возникновения мутаций, поскольку процесс индуцированного мутагенеза непосредственно связан с метаболизмом поврежденной клетки, в которой действуют различные системы репарации, т.е. восстановления интактной структуры ДНК. С репарацией связан, в частности, не вполне объяснимый теорией мишени факт, заключающийся в том, что фракционирование дозы рентгеновского облучения уменьшает частоту хромосомных перестроек, но, как отмечалось выше, не влияет на образование генных мутаций и мелких делеций. Очевидно, что если одна и та же доза радиации дается не сразу, а в несколько приемов, то часть индуцированных облучением разрывов хромосом успеет отрепарироваться с восстановлением интактной структуры ДНК до того, как очередной акт ионизации приведет к возникновению новых одиночных разрывов. Это вызовет уменьшение числа множественных разрывов и, следовательно, снизит вероятность крупных перестроек хромосом.

Вторая группа фактов, не учитываемых теорией мишени, по крайней мере, в ее первоначальной форме, связано с возможностью не только прямого, но и непрямого действия радиации. Коррективы в теорию мишени пришлось внести после обнаружения того факта, что в присутствии воды рентгеновские лучи не только прямо “ударяют” по чувствительным к ним генетическим структурам, но и действуют на них косвенно за счет разложения воды - радиолиза. Этот процесс приводит к образованию реакционноспособных короткоживущих свободных радикалов - водорода Н и гидроксила ОН, объединяющихся с образованием воды, атомарного кислорода О₂ либо химически активной перекиси водорода Н₂О₂.

Поэтому облучение молекул-мишеней в присутствии соединений, способных взаимодействовать со свободными радикалами, защищает молекулы-мишени от непрямого действия радиации. К ним, в частности, относятся соединения серы, действующие как “ловушки” радикалов и различные антиоксиданты, обуславливающие восстановление радикалов.

Наиболее важный способ воздействия на радиационное повреждение биологических объектов - изменение парциального давления кислорода. Так называемый кислородный эффект носит универсальный характер в том смысле, что при низком парциальном давлении кислород действует как радиопротектор, т.е. снижает число повреждений, вызванных радиацией. Вместе с тем, если кислород присутствует в момент облучения, он служит радиосенсибилизатором, т.е. усиливает повреждающий и мутагенный эффект. Выбор между этими возможностями определяется влиянием кислорода на образование радикалов. Выявление роли радикалов в непрямом действии радиации придало точный физический смысл одному из основных положений теории мишени о том, что генетические эффекты могут индуцироваться процессами ионизации, как в самой хромосоме, так и в непосредственной близости от нее. Наконец, третья группа фактов, не укладывающихся в теорию мишени, показывает, что эффективность радиационного мутагенеза определяется не только дозой либо ее мощностью, не только условиями, в которых клетки или целые организмы подвергались облучению, но и их биологической чувствительностью к летальному и мутагенному действию ионизирующих излучений, поскольку для разных организмов она неодинакова. Так, одна и та же доза рентгеновских лучей индуцирует у мыши примерно в 10 раз больше мутаций, чем у дрозофилы, и почти в 100 раз больше, чем у бактерий. Из этих данных ясно, что видовые различия в чувствительности могут заметно варьировать. Отсюда следует, что частоту мутаций необходимо определять с учетом видовых различий организмов. Следует также иметь в виду, что скорость возникновения индуцированных мутаций зависит от чувствительности клеток на разных стадиях клеточного цикла.

Исследования аберраций хромосом, индуцированных ионизирующими излучениями, начавшиеся более 50 лет назад, позволили установить зависимость их образования от стадии митотического цикла, на которую приходится мутагенное воздействие. При облучении клеток растений и животных в фазе G₁ хромосома ведет себя как одна эффективная нить. Это значит, что единицей разрыва и обмена, являющихся цитогенетическими эффектами радиации, служит целая хромосома. Согласно унинемной модели, это утверждение равносильно тому, что единицей разрыва и обмена в конечном итоге служит одна молекула ДНК. Перестройки хромосом, образующиеся при облучении в фазе G₁, называются аберрациями хромосомного типа.

Иная картина наблюдается при действии ионизирующих излучений на клетки в постсинтетическом периоде (G₂). Здесь каждая хромосома представлена двумя хроматидами и каждая из хроматид выступает как независимая единица разрыва и обмена. Поэтому в фазе G₂ хромосома реагирует на облучение как структура, состоящая из двух эффективных нитей, а перестройки, возникающие в этой фазе, называются аберрациями хроматидного типа.

Казалось бы, в фазе синтеза ДНК в ответ на действие радиации должны формироваться как хромосомные (в еще не реплицировавшихся участках) аберрации, так и перестройки хроматидного типа (в участках хромосом, где прошла репликация). Было, однако, показано, что смена типа перестроек с хромосомного на хроматидный в действительности происходит за 1-2 ч до начала фазы S. Причины этого явления до конца не ясны.

При облучении клеток в конце фазы G₂ - начале профазы образуются перестройки своеобразной конфигурации, получившие название субхроматидных обменов, поскольку нить, соединяющая две расходящиеся в анафазе дочерние хромосомы (бывшие сестринские хроматиды), тоньше хроматиды. Установить истинную природу той или иной перестройки можно путем анализа ее репродукции в полиплоидизирующихся клетках, например в клетках высших растений, в которых веретено разрушено колхицином. Обычно в тетраплоидах наблюдается удвоение аберраций, индуцированных радиацией в диплоидных клетках. При этом хроматидные перестройки, в частности изохроматидные и межхромосомные асимметричные хроматидные обмены, превращаются в типичные аберрации хромосомного типа. Точно так же ведут себя и субхроматидные обмены. На этом основании Б.Н. Сидоров и Н.Н. Соколов (1964) высказали мысль, что субхроматидные обмены в действительности представляют собой хроматидные перестройки, морфологически незавершенные (т.е. в них не обособились фрагменты) вследствие компактизации хромосом в профазе.

Таким образом, для радиационного хромосомного мутагенеза характерно возникновение структурных мутаций в той стадии митотического цикла, на которой произошло облучение.

В отличие от радиации химические мутагены типа алкилирующих соединений не вызывают хромосомных аберраций в фазе G₁, хроматидных - в G₂ и субхроматидных - в G₂-профазе. Обязательное условие формирования аберраций, индуцированных алкилирующими агентами - репликация ДНК в поврежденных участках хромосом. Поэтому при действии алкилирующих соединений на синтетическую фазу цикла, образуются хроматидные аберрации. Если же эти мутагены повреждают клетки в фазе G₂, то аберрации хроматидного типа формируются в следующем митозе.

Детальный анализ механизмов мутагенеза этого типа, значительный вклад в изучение которого внесли советские генетики Н.П. Дубинин, Н.В. Лучник, Б.Н. Сидоров, Н.Н. Соколов, Н.И. Шапиро и др., позволили заключить, что процесс образования хромосомных аберраций складывается из нескольких этапов. Первый - первичное репарируемое молекулярное повреждение ДНК, возникающее под действием непосредственно мутагенного фактора либо его продуктов в клетке, например, при облучении свободных радикалов. Конечный этап - образование видимых под микроскопом разрывов и обменов хромосом.

В последние годы находит подтверждение высказанная независимо в конце 20-х гг. Дж. Беллингом и А.С. Серебровским мысль о том, что мишенями для формирования аберраций хромосом служат участки физиологических, т.е. нормально возникающих в клетке, межхромосомных и внутрихромосомных контактов. Частными случаями таких контактов являются петли, предшествующие образованию делеций, инверсий и кольцевых хромосом. Контакты на молекулярном уровне могут представлять собой взаимодействия повторяющихся нуклеотидных последовательностей, принадлежащих к одному семейству.

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: