Основная часть:

Мутагены и виды мутаций

Мутаген — это фактор окружающей среды или фактор эндогенной природы, способный нарушать генетические программы клеток и вызывать в организме изменения наследственных свойств. Мутагенной активностью обладают многочисленные и широко распространенные загрязнители химической и физической природы, а также вирусы, бактерии и пр. Обширная группа наследственных болезней обусловлена либо отклонениями от нормального содержания хромосом, либо генетическими дефектами в результате мутаций в отдельных участках хромосом. Материальную основу мутационных изменений составляют количественные и качественные изменения ДНК - основного носителя наследственной информации, или клеточных элементов хромосом - главных специализированных структур-носителей, в которых хранится ДНК. В зависимости от объема, характера и специфики наследственных нарушений различают мутации геномные, хромосомные и генные. При возникновении геномных мутаций нарушается такой стабильный показатель, как нормальное, свойственное данному виду число хромосом. Если число хромосом изменяется кратно, то такое изменение называют полиплоидией, а индивидуумы, их несущие,- полиплоидами. Особую категорию геномных мутаций составляют анеуплоиды - индивидуумы, у которых отсутствует или оказывается в избытке одна или несколько хромосом. При нарушении морфологии хромосом (аберрация) может утратиться какая-то часть (делеция), приобщиться новый участок (дупликация) или произойти инверсия, т. е. нарушение нормальной последовательности участков хромосом, и т. д. В основе всех этих мутаций лежат одиночные или множественные разрывы хромосом. Именно они создают возможность для утери и ошибочной перекомбинации фрагментов хромосом. Геномные мутации и аберрации хромосом - крупные нарушения генетического аппарата. Они в большинстве случаев легко выявляются не только по явно видимым изменениям морфологии и функций мутантов, но и по данным микроскопических анализов. Техника этих исследований хорошо отработана, и выявление хромосомных нарушений, обусловливающих патологические состояния у различных объектов, не представляет труда. Иногда изменения наследственных признаков микроскопически не обнаруживаются. В основе таких наследственных изменений лежат, как правило, нарушения в самой ДНК, однако не отражающиеся на числе хромосом или их морфологии. Общеизвестно, что важнейшей составной частью ДНК являются 4 азотистых основания (гуанин, тимин, аденин и цитозин), последовательность и сочетание которых составляют генетический код. В этих условиях замена одного или нескольких оснований, их выпадение или вставка нарушают "азбуку" наследственности и, следовательно, процессы считывания Генетической информации. Иногда этот процесс оказывается связанным с действием нестабильных генов, не имеющих четкой локализации, перемещающихся по хромосоме и "врезающихся" в самые разные участки.

Мутагены, которые вызывают эти изменения можно объединить в несколько групп, по их природе происхождения (биологические, физические и химические), их местоположению (пищевые, аэрозолевые или воздушные, лекарственные, сельскохозяйственные, промышленные и т.д.)

История развития и изучения мутагенов

Являясь неотъемлемым свойством всех живых организмов, мутационный процесс, в том числе и у человека, может оказывать на жизнеспособность носителей вновь возникающих мутаций влияние как едва заметное, так и катастрофическое. Опасное влияние некоторых физических факторов и химических соединений на частоту мутаций у человека, стало восприниматься в полной мере лишь по прошествии весьма продолжительного периода времени с момента открытия химического и радиационного мутагенеза.

Химический мутагенез зародился еще в 1932 г., и это не оговорка: В.В. Сахаров, М.Е. Лобашев впервые продемонстрировали способности химических веществ, таких как уксуснокислый свинец, йодистый калий и ряд других, вызывать мутации на классическом генетическом объекте - дрозофиле. И хотя эффекты были невелики (превышающие спонтанный темп мутирования в 2-3 раза), тем не менее, у ионизирующей радиации появился соперник. Достойным этот соперник стал намного позже - в середине 40-х годов, когда научная общественность получила возможность практически одновременно ознакомиться с работами И.А. Рапопорта и Ш. Ауэрбаха, которые открыли сильные мутагены - формальдегид и азотистый иприт. Именно середина 40-х годов считается периодом открытия химического мутагенеза, истинной датой его рождения.

Как у всякой настоящей науки, в химическом мутагенезе тесно переплетены теоретическое и практическое направления, причем эта связь проявилась очень рано и в основном благодаря удивительной способности И.А. Рапопорта предвидеть области применения его открытий. Обнаружив мутагенную активность у определенных химических соединений, он обратил внимание на возможную их опасность в случае, когда эти соединения или их производные окажутся в контакте с людьми или вообще в биосфере; тем самым И.А. Рапопорт заложил основы направления "Мутагены окружающей среды".

Уже с конца 50-х годов, работая в одном из ведущих химических институтов страны, Иосиф Абрамович проявил поистине героическое мужество, первым возвысив голос против обвальной, модной в те годы, всеобъемлющей химизации. Он организует работу по проверке новых и впервые синтезируемых органических растворителей, лаков и красок в форме договоров с отраслевым Всесоюзным научно-исследовательским институтом органических покрытий и красителей. И.А. Рапопорт был единственным не только в СССР, но и в мире ученым, который тогда уже забил тревогу по поводу развертывавшейся химизации сельского хозяйства, заявив на страницах научных публикаций, в средствах массовой информации решительный протест использованию ядохимикатов, пестицидов, дефолиантов и даже неразумному увлечению минеральными удобрениями. Лишь 15 лет спустя мировая наука обратилась к этой проблеме, и приоритет И.А. Рапопорта в ней был признан – его избрали вице-президентом Первого ежегодного европейского конгресса по мутагенам окружающей среды в г. Амстердаме в 1972 г. Первые проверки на возможную мутагенную активность пищевых добавок и лекарственных препаратов были осуществлены, начиная с 1960 г., сотрудниками И.А. Рапопорта - Г.И. Ефремовой, Л.М. Филипповой и др. Особенно много внимания уделял Рапопорт психотропным препаратам, скрининг которых, как возможных мутагенов осуществлялся в его лаборатории непрерывно вплоть до последних дней его работы. С теоретической точки зрения химический мутагенез стал прекрасным инструментом решения проблем структуры и функционирования генетического материала. Практический же аспект заключался в конструировании тест-систем для выявления всех возможных типов мутаций, индуцируемых изучаемыми веществами, поскольку одного объекта и единой методики для одновременного тестирования генных, хромосомных и геномных мутаций нет. Последнее соображение стало базовым для огромного числа методических руководств и монографий ученых разных стран.

В 60-е и 70-е годы в нашей стране были созданы методические руководства по оценке потенциальной мутагенной опасности промышленных загрязнителей, пестицидов, правда, большая часть их получила правовую основу позже. Однако при определении этой опасности помимо установления предельно допустимых концентраций химических веществ в питьевой воде, атмосферном воздухе и воздухе рабочей зоны, в пищевых продуктах необходимо помнить и о так называемых отдаленных последствиях, т.е. изучать мутагенную, канцерогенную, тератогенную активности этих соединений.

Долгий аналитический период в прикладном химическом мутагенезе сменился периодом обобщения накопленных данных, в результате чего были сформулированы новые научные проблемы и задачи. В первую очередь к ним относится проблема комбинированного мутагенного воздействия. Действительно, трудно представить себе, чтобы человек подвергался воздействию только одного химического вещества, даже когда он находится в условиях лекарственной монотерапии. Человек дышит атмосферным воздухом, в котором содержится десяток мутагенов и канцерогенов, он пьет водопроводную воду, в которой после хлорирования могут образоваться тригалометаны, обладающие выраженной мутагенностью и канцерогенностью. Кроме того, мы все используем предметы бытовой химии, а в воздухе жилых помещений присутствует формальдегид.

Помимо тригалометанов, которые были обнаружены еще в 1974 г., к настоящему времени в питьевой воде выявили немало других соединений, которые обладают мутагенной и канцерогенной активностью. Есть мутагены в воде плавательных бассейнов, в сточных водах (промышленных и бытовых), а также в тканях рыб и гидробионтов, населяющих загрязненные водоемы. Ясно, что в организм человека мутагены могут поступать не только с питьевой водой, но и с пищевыми продуктами. Тестирование продуктов питания на мутагенность привело к выявлению многих мутагенов: природных ингредиентов (флавоноиды, фураны, гидразины), пищевых контаминантов (пестициды, микотоксины) и мутагенных соединений, образующихся в процессе приготовления пищи. Этот список можно продолжить. Стало очевидным, что нельзя ограничиваться изучением мутагенных свойств отдельных веществ. Необходимо оценивать суммарное загрязнение всех компонентов окружающей среды. Была создана и в значительной степени стандартизирована методическая база исследований, разработана методология мониторинга загрязнения окружающей среды генотоксикантами, причем такого рода работы ведутся не только за рубежом, но и в нашей стране.

Влияние комплексного загрязнения на здоровье человека трудно предсказать. Связано это с тем, что составляющие это загрязнение химические вещества могут взаимодействовать по-разному, ослабляя или усиливая действие друг друга. Причем надо учитывать, что по-разному они ведут себя как в окружающей среде, так и в организме человека, детоксицирующие биохимические системы которого работают индивидуально. Нельзя забывать и о возможном одновременном воздействии различных физических (СВЧ, ионизирующие излучения, ультрафиолет и т.д.) и биологических (вирусные и бактериальные инфекции, состояние физиологического и психоэмоционального стресса и пр.) факторов внешней и внутренней среды человека. Более того, сложность решения этой проблемы усугубляется нерешенностью других, тесно с ней связанных проблем: модификации мутационного процесса, генетического гомеостаза и репарации генетических повреждений. Пожалуй, именно эти направления научных и научно-практических исследований привлекают в последние годы ученых всех стран. Действительно, представим себе вполне здорового человека, который столкнулся в процессе трудовой деятельности, например, с солями кадмия. Даже малые (относительно порога чувствительности генома) дозы могут стимулировать системы репарации генетических повреждений, и в случае, если возникают предмутационные изменения, - они устраняются. Другие дозы этого или другого мутагена, угнетающего репарацию, могут вызвать уже необратимые мутации. Более того, среди физиологически активных веществ ученые сейчас выделяют специальный класс - модификаторов мутационных процессов, относя к ним вещества, влияющие на стабильность (или дестабилизацию) не только генетических структур, но и таких систем человеческого организма, как иммунная, гормональная, биохимическая, центральная нервная система. И это понятно, поскольку в любом живом организме все взаимосвязано и серьезные сбои в работе одной из систем непременно будут сопровождаться нарушением других, в том числе нарушением генетического гомеостаза. Поэтому оценка реального генетического риска при контакте человека с мутагенами окружающей среды крайне затруднена.

В настоящее время существует много косвенных подходов, базирующихся в основном на оценке частот соматических мутаций и наследственных болезней у человека, повышении частоты спонтанных абортов и врожденных пороков развития, увеличении онкозаболеваемости, памятуя о высокой (до 85%) корреляции мутагенных и канцерогенных свойств химических веществ. Реальность этих оценок в какой-то степени сомнительна по весьма тривиальной причине - отсутствии длительных комплексных мониторинговых исследований содержания генотоксикантов в окружающей среде генетического здоровья населения.

Помимо генетической токсикологии есть еще одно важное и очень современное направление научных исследований - антимутагенез. Число публикаций, а соответственно работ в этой области, чрезвычайно велико. К сожалению, много раз высказываемые И.А. Рапопортом слова о необходимости исключения мутагенов из среды обитания человека не реализованы, и, видимо, в ближайшее время это практически невозможно. Поэтому поиск веществ, снижающих мутагенные эффекты на уровне стимуляции репарации генетических повреждений, подавления свободнорадикальных реакций, которые возникают в организме под действием многих мутагенов или на основе иных механизмов, весьма актуален. Безусловно, эти научные направления за 50 лет существования химического мутагенеза не только не потеряли своей актуальности, но еще очень долго будут предметом пристального внимания ученых разных стран.

Классификация мутагенов окружающей среды

Человек в своей повседневной деятельности сталкивается с множеством химических веществ, используемых в огромном количестве в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и в быту. Экспериментальные исследования, проведенные в течение последних трех десятилетий, показали, что немалое число химических соединений обладает мутагенной активностью. Мутагены обнаружены среди лекарств, косметических средств, химических веществ, применяемых в сельском хозяйстве, промышленности; перечень их все время пополняется. Издаются справочники и каталоги мутагенов. Поэтому ограничимся описанием только ряда факторов, мутагенное действие которых хорошо исследовано.