Mutacje w zależności od przyczyny wystąpienia (spontaniczne, indukowane), znaczenie, przykłady. Czynniki mutagenne. Karcynogeneza. Mutageneza Pojęcie mutagenów. Klasyfikacja mutagenów.Rodzaje mutacji. Klasyfikacja mutacji Co to są czynniki mutagenne

Mutacje mogą być spowodowane szeregiem mutagenów związanych z czynnikami fizycznymi, chemicznymi i biologicznymi.

Mutageny fizyczne: wszelkiego rodzaju promieniowanie jonizujące, wahania temperatury, wilgotność itp. Mają wspólne mechanizmy działania:

Zaburzają strukturę genów i chromosomów;

Tworzą wolne rodniki, które oddziałują chemicznie z DNA, uszkadzając go;

Gwinty wrzeciona są zerwane;

Tworzą dimery (T-T, T-C) sąsiadujących zasad pirymidynowych jednej nici DNA.

Wśród fizyczny Najważniejszym czynnikiem jest promieniowanie jonizujące. Promieniowanie jonizujące dzieli się na:

· elektromagnetyczny(fala), zalicza się do nich promieniowanie rentgenowskie o długości fali od 0,005 do 2 nm, promienie gamma i promienie kosmiczne;

· promieniowanie korpuskularne– cząstki beta (elektrony i pozytony), protony, neutrony (szybkie i termiczne), cząstki alfa (jądra atomów helu) itp. Promieniowanie jonizujące przechodząc przez materię żywą wybija elektrony z zewnętrznej powłoki atomów i cząsteczek, co prowadzi do do ich przemian chemicznych.

Różne zwierzęta mają różną wrażliwość na promieniowanie jonizujące, która waha się od 700 rentgenów dla ludzi do setek tysięcy i milionów rentgenów dla bakterii i wirusów. Promieniowanie jonizujące powoduje przede wszystkim zmiany w aparacie genetycznym komórki. Wykazano, że jądro komórkowe jest 100 tysięcy razy bardziej wrażliwe na promieniowanie niż cytoplazma. Niedojrzałe komórki płciowe (spermatogonia) są znacznie bardziej wrażliwe na promieniowanie niż komórki dojrzałe (plemniki). Chromosomowy DNA jest najbardziej wrażliwy na promieniowanie. Zmiany rozwojowe wyrażają się w mutacjach genów i rearanżacjach chromosomów.

Wykazano, że częstość mutacji zależy od całkowitej dawki promieniowania i jest wprost proporcjonalna do dawki promieniowania.

Promieniowanie jonizujące oddziałuje na aparat genetyczny nie tylko bezpośrednio, ale także pośrednio. Powodują radiolizę wody. Powstałe rodniki (H +, OH -) mają szkodliwy wpływ.

Do silnych mutagenów fizycznych zalicza się promienie ultrafioletowe (długość fali do 400 nm), które nie jonizują atomów, a jedynie wzbudzają ich powłoki elektroniczne. W rezultacie w komórkach zachodzą reakcje chemiczne, które mogą prowadzić do mutacji. Częstotliwość mutacji wzrasta wraz ze wzrostem długości fali do 240-280 nm (odpowiada widmu absorpcji DNA). Promienie UV powodują rearanżacje genów i chromosomów, ale w znacznie mniejszych ilościach niż promieniowanie jonizujące.

Znacznie słabszym mutagenem fizycznym jest podwyższona temperatura. Wzrost temperatury o 10° zwiększa częstotliwość mutacji 3-5 razy. W tym przypadku mutacje genów występują głównie w organizmach niższych. Czynnik ten nie dotyczy zwierząt stałocieplnych o stałej temperaturze ciała i ludzi.

Mutageny chemiczne podzielone na kilka grup:

Naturalne substancje organiczne i nieorganiczne (azotyny, azotany, alkaloidy, hormony, enzymy itp.);

Produkty przemysłowej przeróbki węgla i ropy;

Substancje syntetyczne niespotykane wcześniej w przyrodzie (pestycydy, insektycydy, konserwanty żywności);

Leki mogące powodować wady wrodzone u człowieka (leki immunosupresyjne, niektóre antybiotyki, środki odurzające, syntetyczne kortykosteroidy itp.),

Wszystkie typy mutagenów chemicznych mają dużą siłę penetracji, powodują głównie mutacje genowe i działają w okresie replikacji DNA. Ich ogólny mechanizm działania polega na zastąpieniu zasad azotowych ich analogami.

Najsilniejsze mutageny chemiczne to: alkilowanie związki: siarczan dimetylu; gaz musztardowy i jego pochodne - etylenoimina, nitrozoalkilo-nitrometyl, nitrozoetylomocznik itp. Czasami substancje te są supermutagenami i substancjami rakotwórczymi. Druga grupa mutagenów chemicznych obejmuje analogi zasad azotowych (5-bromouracyl, 5-bromodeoksyurodyna, 8-azoguanina, 2-aminopuryna, kofeina itp.). Trzecia grupa składa się barwniki akrydynowe (żółcień akrydynowa, pomarańcza, proflawina). Czwarta grupa składa się różny zgodnie ze strukturą substancji: kwas azotawy, hydroksyloamina, różne nadtlenki, uretan, formaldehyd.

Mutageny chemiczne mogą indukować zarówno mutacje genowe, jak i chromosomalne. Powodują więcej mutacji genów niż promieniowanie jonizujące i promienie UV.

Mutageny biologiczne:

Niewirusowe czynniki zakaźne (mykoplazmy, bakterie, riketsje);

Wirusy (różyczka, odra, grypa);

DO mutageny biologiczne zawierać niektóre typy wirusów. Wykazano, że większość wirusów ludzkich, zwierzęcych i roślinnych indukuje mutacje u Drosophila. Zakłada się, że cząsteczki wirusów DNA stanowią element mutagenny. Zdolność wirusów do wywoływania mutacji odkryto u bakterii i promieniowców.

Mutacje są przyczyną wad wrodzonych i dziedzicznych chorób człowieka. Dlatego pilnym zadaniem jest ochrona ludzi przed działaniem mutagenów. Duże znaczenie w tym zakresie miał zakaz testowania broni jądrowej w atmosferze. Bardzo ważne jest przestrzeganie środków ochrony ludzi przed promieniowaniem w przemyśle nuklearnym podczas pracy z izotopami i promieniowaniem rentgenowskim. Może odgrywać rolę antymutageny – substancje zmniejszające działanie mutagenów(cysteamina, chinakryna, niektóre sulfonamidy, pochodne kwasu propionowego i galusowego). Do antymutagenów zaliczają się niektóre witaminy przeciwutleniające (na przykład witamina E, nienasycone kwasy tłuszczowe), aminokwasy zawierające siarkę, a także różne substancje biologicznie czynne, które zwiększają aktywność systemów naprawczych.

W drugiej połowie XX wieku nad biosferą zawisło zagrożenie zanieczyszczeniem mutagenami. Każda populacja może wytrzymać tylko określony ładunek mutacji. Wzrost częstotliwości mutacji może prowadzić do zmniejszenia stabilności populacji na skutek zakłócenia homeostazy genetycznej. Konieczne jest dalsze wzmocnienie monitoringu ekologiczno-genetycznego – kontroli stanu środowiska na poziomie populacyjno-genetycznym. Jako środki zapobiegawcze należy wykorzystywać rozwój technologii „bezodpadowych”, ograniczających wytwarzanie substancji o działaniu mutagennym, wzmacniających wszelkiego rodzaju kontrolę nad stanem potencjalnie niebezpiecznych przedsiębiorstw: elektrownie jądrowe, produkcję chemiczną i mikrobiologiczną, naukowe i instalacje przemysłowe o charakterze biotechnologicznym.

Ustalono, że mutageny w pewnych warunkach mają działanie rakotwórcze i teratogenne.

Substancje rakotwórcze – są to czynniki wywołujące rozwój raka; teratogeny – Są to czynniki, które powodują rozwój różnych anomalii i deformacji. Wiele leków ma działanie teratogenne. Na przykład w latach 60. Na Zachodzie szeroko stosowano pigułkę nasenną talidomid, której stosowanie doprowadziło do narodzin dużej liczby dzieci z słabo rozwiniętymi kończynami. Obok teratas – deformacji – często występują morfozy – zmiany, które nie prowadzą do utraty funkcji narządu.

Stosunkowo łatwo jest odróżnić efekt mutagenny od teratogennego: teratas (deformacje) są modyfikacjami niedziedzicznymi, są przewidywalne (ukierunkowane) i nie utrzymują się w kolejnych pokoleniach. Na przykład szare zabarwienie ciała Drosophila jest normalną cechą. Jednocześnie znana jest mutacja żółta - ciałko żółte (mutację tę można łatwo uzyskać sztucznie, traktując osobniki rodzicielskie różnymi mutagenami; w tym przypadku różne mutageny mogą dawać ten sam efekt fenotypowy). Jeśli do pożywienia larw Drosophila doda się azotan srebra, wszystkie te larwy rozwiną się w muchy o żółtym ciele. Ale jeśli otrzymasz potomstwo od tych żółtych much i wychowasz je na zwykłej pożywce, wówczas całe potomstwo ponownie stanie się szare. Zatem w tym przypadku „żółknięcie” ciała much nie jest mutacją, ale modyfikacją, czyli fenokopią (modyfikację, która kopiuje mutację w fenotypie); azotan srebra w tym przypadku nie jest mutagenem, ale teratogenem.

Mutacja zawsze następuje nagle. Materiał genetyczny organizmu zmienia się: coś dzieje się wewnątrz chromosomów lub genów, a zmiany te są zwykle widoczne gołym okiem. W niektórych przypadkach konsekwencje są poważne, a czasami jest to możliwe dla organizmu.Mutacja nie następuje samoistnie. Przyczyną jest zawsze czynnik mutagenny.

Co to są czynniki mutagenne?

Zmiany zachodzące w genach i chromosomach bada nauka genetyki. Podaje także naukową definicję mutagenów.

Czynniki mutagenne to czynniki chemiczne lub fizyczne, które powodują zmiany w materiale genetycznym komórki. Charakter tych środków może być różny; ich klasyfikacja opiera się na tym przepisie.

Rodzaje mutagenów

W zależności od pochodzenia wyróżnia się mutageny fizyczne, chemiczne i biologiczne. Każdy czynnik mutagenny można zaliczyć do jednej z trzech głównych grup.

Oddziaływanie czynników wrogich komórce może być skierowane bezpośrednio na DNA, a wtedy cząsteczka materiału genetycznego traci swoją pierwotną strukturę. Niektóre mutageny zakłócają proces podziału komórek, w wyniku czego materiał dziedziczny jest nieprawidłowo rozprowadzany. Istnieją jednak substancje, które same w sobie nie mogą zostać zaklasyfikowane jako mutagenne. Jednak wpływ niektórych enzymów na taki związek chemiczny czyni go prawdziwym czynnikiem mutagennym. Substancje posiadające „potencjał” mutagenny nazywane są promutagenami.

Czynniki mutagenne. Przykłady

Mutageny pochodzenia fizycznego obejmują źródła narażenia na promieniowanie ultrafioletowe, nienormalnie wysokie lub niskie temperatury i wilgotność.

Przykładowo fale promieniowania ultrafioletowego o długości większej niż 260 nm są pochłaniane przez komórkę liścia rośliny i powodują powstawanie nietypowych dimerów pirymidyny (związków w łańcuchu DNA), co z kolei powoduje błędy w odczycie materiału genetycznego. W rezultacie powstają nowe komórki o „nieprawidłowej” strukturze.

Wiele substancji chemicznych klasyfikuje się jako mutageny i promutageny. Przykładami są reaktywne formy tlenu, azotany i azotyny, niektóre metale, leki i substancje, które nie istniały w przyrodzie przed pojawieniem się ludzkości (chemia gospodarcza, dodatki do żywności i konserwanty).

Na przykład kobieta w ciąży może nie wiedzieć o swojej sytuacji i przyjmować antybiotyki niebezpieczne dla płodu. W rezultacie dziecko może rozwijać się na skutek mutacji.

Efektem działania takich czynników biologicznych na komórkę jest proces zwany mutagenezą zakaźną. Na przykład bakteria Helicobacter pylori, która żyje w ludzkich jelitach i żołądku, może powodować procesy zapalne w błonie śluzowej. Zapalenie zmienia prawidłowy przebieg procesów redoks w uszkodzonych komórkach, co powoduje także zmianę struktury zawartego w nich materiału genetycznego. Procesy naprawy DNA i prawidłowy podział cząsteczki zostają zakłócone. Rezultatem są mutacje.

Kilka słów o procesie mutagenezy

Mutageneza jest procesem samej mutacji. Jakimi mechanizmami może do tego dojść?

Najsilniejsze czynniki mutagenne powodują tzw. niestabilność chromosomową. W rezultacie materiał genetyczny jest albo nierównomiernie rozmieszczony w podzielonych komórkach, albo zmienia się struktura samego chromosomu. Na przykład dwa chromosomy pod wpływem agresywnego czynnika wymieniają swoje sekcje.

Czynnik mutagenny może również zmieniać sekwencję kwasów nukleinowych DNA. Interesujące jest, czy są one śmiertelne, czy powodują bardzo poważne choroby, gdy dotknięte są ważne nukleotydy, ale mogą wystąpić bez patologii, jeśli takie sekwencje kwasów nukleinowych nie zostaną uszkodzone.

Jak chronić się przed narażeniem na mutageny?

Czynniki mutagenne nie są wszechobecne, dlatego podjęcie pewnych środków zapobiegawczych będzie nadal przydatne.

Przeciwutleniacze stanowią ważną grupę związków zapobiegających działaniu czynników rakotwórczych. Mogą pomóc i chronić przed różnego rodzaju wrogimi czynnikami chemicznymi. Przykładami przeciwutleniaczy są witaminy A, B i E, beta-karoten i flawonoidy. Substancje te występują w bardzo dużych ilościach w warzywach i owocach, a także w zielonej herbacie.

Ważne jest, aby starać się chronić przed narażeniem na szkodliwe czynniki fizyczne, takie jak promieniowanie UV czy dym tytoniowy. Na przykład Australia ma bardzo dużą populację ludzi o jasnej karnacji, a pogoda jest tam często słoneczna. Odsetek przypadków czerniaka w tym kraju jest niestety wysoki.

Należy zachować ostrożność przy przyjmowaniu antybiotyków, uważać na jedzenie i starać się minimalizować spożycie konserwantów. Idealnie byłoby oczywiście przestrzegać zasad zdrowej diety.

Mutagenne czynniki środowiskowe są silne. Jednak całkiem możliwe jest zabezpieczenie się przed ich skutkami, jeśli zwracasz szczególną uwagę na swoje zdrowie.

Współczesne poglądy na temat przyczyn złośliwej transformacji komórek – ich przemiany w nowotworowe – opierają się na dwóch grupach faktów.

Pierwszym z nich jest istnienie wirusów onkogennych, czyli retrowirusów, zawierających jako materiał genetyczny RNA, którego kopie DNA można zintegrować z genomem zakażonej komórki (patrz rozdział 10). Rezultatem tego procesu może być nowotwór złośliwy. Wirusy onkogenne zawierają onkogen, którego ekspresja jest odpowiedzialna za karcynogenezę. Mechanizm ten wywodzi się z wirusowo-genetycznej teorii raka, zaproponowanej w 1945 roku przez radzieckiego naukowca L. A. Zilbera.

Druga grupa faktów sprowadza się do tego, że różnorodne oddziaływania zewnętrzne na komórki, w większości przypadków (choć nie zawsze) mutagenne, mogą również prowadzić do ich przekształcenia w nowotwór. Dziedzicznym chorobom człowieka związanym z zaburzeniami naprawy (patrz rozdział 20) towarzyszy wzrost zmienności komórek somatycznych, sądząc po aberracjach chromosomowych, a także charakteryzują się zwiększoną częstością występowania nowotworów złośliwych. Założenia o mutacyjnym charakterze karcynogenezy formułowane są od początku XX wieku, począwszy od prac T. Boveriego (1914).

Zatem pierwsza grupa faktów zachęca do szukania przyczyny nowotworu w działaniu materiału genetycznego wprowadzonego do komórki z zewnątrz, natomiast druga grupa zachęca do szukania genetycznych przyczyn nowotworu w samej komórce. Podejścia te łączą informację, że w normalnych komórkach znajdują się tak zwane protoonkogeny – geny homologiczne z onkogenami retrowirusowymi. Protoonkogeny są niezwykle konserwatywne i podobne w genomach ludzi, myszy, Drosophila, a nawet drożdży. Niektóre z nich kontrolują prawidłowy przebieg cyklu komórkowego. Nie można powiedzieć, że mechanizm powstawania nowotworu został wyjaśniony, jednak najbardziej prawdopodobną przyczyną wydaje się złośliwa transformacja komórki, spowodowana zaburzeniem ekspresji niektórych jej genów (onkogenów, protoonkogenów) w wyniku mutacji lub modyfikacja innych zmian, a także w wyniku infekcji wirusowej.

W świetle tych pomysłów rozprzestrzenianie się czynników genetycznie aktywnych w środowisku może prowadzić nie tylko do wzrostu częstości mutacji, ale także do wzrostu częstości występowania nowotworów złośliwych. W tym zakresie programy badań związków chemicznych o różnych czynnikach fizycznych i biologicznych obejmują identyfikację wśród nich potencjalnych substancji rakotwórczych. Biorąc pod uwagę wagę tego zadania, na szczeblu międzynarodowym opracowywane są czułe systemy testowe do wykrywania czynników rakotwórczych, koordynowane przez Światową Organizację Zdrowia i inne organizacje międzynarodowe. Do identyfikacji czynników rakotwórczych wykorzystuje się w szczególności badania krótkoterminowe wymienione w tabeli 1. 21.3, uzupełnione bezpośrednim badaniem związków chemicznych pod kątem ich zdolności do wywoływania transformacji nowotworowej w hodowlach komórek zwierzęcych i ludzkich, a także u zwierząt (myszy, szczury, chomiki). Przy wysokim stopniu korelacji (do 90%) właściwości mutagennych i rakotwórczych substancji chemicznych pojawiają się pewne trudności

wynikają z faktu, że niektóre czynniki rakotwórcze są genetycznie nieaktywne, a niektóre aktywne mutageny nie są czynnikami rakotwórczymi. Dalsze doskonalenie systemów badania mutagenów i czynników rakotwórczych powinno przyczynić się nie tylko do zapewnienia bezpieczeństwa genetycznego człowieka, ale także do zrozumienia mechanizmów karcynogenezy.

Wszelkie działania mające na celu identyfikację czynników genetycznie aktywnych mają na celu minimalizację kontaktu człowieka z mutagenami. Nowe związki chemiczne i inne środki genetycznie aktywne są wycofywane z użycia lub ich stosowanie jest ściśle ograniczane. W przypadkach, gdy człowiek jest zmuszony do kontaktu z nimi, należy mieć w zapasie środki minimalizujące ryzyko zmian mutacyjnych i rakotwórczych. Aby tego dokonać konieczna jest znajomość ścieżek mutagenezy i umiejętność ingerencji w ten proces. Powstawanie mutacji jest procesem wieloetapowym. W uproszczonej formie można to przedstawić w sposób pokazany na schemacie na ryc. 21,5. Wiele mutagenów po przedostaniu się do organizmu zostaje włączonych do łańcucha przemian metabolicznych i może następnie ulec aktywacji, czyli nabyciu lub zwiększeniu swojej aktywności genetycznej, lub inaktywacji, czyli jej utracie. W tym przypadku należy wziąć pod uwagę bariery przepuszczalności organizmów i komórek oraz sposób przedostawania się związku do organizmu: przez skórę; drogi oddechowe itp.

Po wejściu do komórki mutagen wchodzi w interakcję z materiałem genetycznym - z chromatyną lub bezpośrednio z DNA jądra lub organelli komórkowych. W wyniku takiej interakcji powstają w DNA zmiany pierwotne, które według niektórych autorów można uznać za przedmutacyjne, a według innych zmiany te powinny w kolejnym etapie przekształcić się w przedmutacyjne.

Większość zmian przedmutacyjnych jest eliminowana przez systemy naprawy (patrz rozdział 6.12): konstytutywna naprawa bezbłędna przywraca pierwotną strukturę cząsteczki DNA, a indukowalna naprawa podatna na błędy może naprawić zmiany mutacyjne. Utrwaleniu mutacji towarzyszą jej objawy fenotypowe, jeśli mutacja jest dominująca lub jest homozygotyczna, recesywna, przy braku genów epistatycznych lub supresorów w warunkach, które nie powodują fenokopii normy. Każdy z rozpatrywanych etapów można podzielić na etapy bardziej szczegółowe.

W niektórych przypadkach możliwa jest ingerencja w proces powstawania i manifestacji mutacji. Jeśli zaczniemy od ostatniego etapu – przejawu mutacji, to zjawisko kopiowania normy jest zadaniem medycyny i genetyki medycznej, które w wielu przypadkach patologii dziedzicznych są w stanie zapobiec rozwojowi choroby (rozdział 20) .

Ryż. 21,5. Kolejne etapy występowania i manifestacji mutacji. Wyjaśnienia w tekście

Trwają badania nad antymutagenezą. Koncepcja ta obejmuje taki wpływ na komórkę i organizm, który blokuje lub zmniejsza prawdopodobieństwo mutacji. Oddziaływania takie mogą stymulować układy inaktywacji mutagenu lub tłumić układy aktywacji promutagenu, mogą stymulować bezbłędne procesy naprawcze lub bezpośrednio modyfikować mutagen, „odrywać” go od materiału genetycznego (ryc. 21.5).

Radioprotektory mają działanie antymutagenne - związki mogące redukować śmiertelne skutki promieniowania jonizującego, przede wszystkim aminokwasy zawierające siarkę: cysteina, I (prawda, metionina itp.).

Zazwyczaj działanie antymutagenne jest specyficzne dla każdego konkretnego mutagenu, co komplikuje poszukiwanie antymutagenów. Aktywność genetyczna!\!”-metylo h-N"-nirpo-N"-nitrozoguanidyna

(MNNG) neutralizuje krew ssaków, w której głównym antymutagenem (anty-MNNG) jest hemina. Nienasycone kwasy tłuszczowe, kwas toniczny i katechiny zawarte w herbacie i kawie, niektóre witaminy, takie jak α-tokoferol i inne związki wykazują większą lub mniejszą aktywność antymutagenną wobec poszczególnych mutagenów.

Niestety różnorodność badanych związków i obiektów jest tak duża, że ​​nie można dokonywać żadnych uogólnień na temat natury działania antymutagennego. Ponadto badacze zwykle nie są w stanie kontrolować różnych etapów powstawania mutacji (ryc. 21.5). Nie ma systemów testowych wyspecjalizowanych w poszukiwaniu antymutagenów.

Podejmując problem ograniczania zagrożenia genetycznego, należy pamiętać, że populacje ludzkie są heterogeniczne pod wieloma względami (patrz rozdział 20), w tym także pod względem reakcji na różne wpływy czynników zewnętrznych. Okoliczność tę uwzględnia już farmakogenetyka, która bada reakcję różnych grup ludzi na leki. Wiadomo na przykład, że leki sulfonamidowe powodują u niektórych pacjentów hemolizę. Jest to spowodowane dziedzicznym niedoborem dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej. Istnieje kategoria osób z dziedziczną bolesną reakcją na glukokortykoidy. Podczas stosowania tych leków wzrasta ciśnienie wewnątrzgałkowe. Niestabilność niektórych zmutowanych form hemoglobiny wiąże się z hemolizą podczas stosowania środków utleniających.

Znana jest również dziedziczna wrażliwość na działanie niektórych mutagenów i czynników rakotwórczych. Przykładowo, osoby o zwiększonej aktywności hydroksylazy arylowęglowodorowej są podatne na raka płuc w przypadku kontaktu z wielopierścieniowymi węglowodorami, które po hydroksylacji przez ten enzym przekształcają się w epoksydy o wysokim działaniu rakotwórczym.

Okoliczności te muszą być brane pod uwagę w różnych obszarach działalności człowieka: podczas leczenia pacjentów, podczas profesjonalnej selekcji osób zajmujących się różnymi zagrożeniami zawodowymi.

Działania mające na celu zapewnienie bezpieczeństwa genetycznego człowieka kojarzą się zatem z rozwiązywaniem wielu problemów wspólnych dla genetyki i ekologii, a przede wszystkim z ochroną środowiska przed zanieczyszczeniami. Toksykologia genetyczna kładzie główny nacisk na czynniki genetycznie aktywne. Praca ta, rozpoczęta w latach 60. w związku z rosnącym tempem rewolucji naukowo-technicznej, stała się integralną częścią i warunkiem dalszego postępu techniki we wszystkich obszarach przemysłu i rolnictwa. Bezpieczeństwo genetyczne ludzkości powinno opierać się także na wiedzy z zakresu genetyki populacji ludzkiej, która uwzględnia polimorfizm populacji ludzkich oraz predyspozycje człowieka do negatywnych reakcji na różne czynniki środowiska naturalnego i przemysłowego. Na

Wykrycie działania mutagennego i rakotwórczego wielu substancji stosowanych obecnie w rolnictwie wymaga dużej ostrożności w ich stosowaniu. Perspektywa zaprzestania stosowania tych substancji genetycznie czynnych wiąże się z rozwojem biologicznych metod zwalczania chwastów, szkodników owadzich itp. Uwzględnienie tej perspektywy, a także konieczności dalszej selekcji organizmów przydatnych dla człowieka jest niemożliwe bez starannego traktowania biologicznych zasobów naturalnych. Na szczególną uwagę w tej kwestii zasługuje zachowanie puli genowej planety, która stanowi stałe źródło form użytecznych, a obecnie jest źródłem specyficznych genów, które można wykorzystać do tworzenia nowych odmian roślin, ras zwierząt i szczepów mikroorganizmów.

A. Mutageneza- jest to wprowadzenie zmian w sekwencji nukleotydów DNA (mutacje).

Rodzaje mutagenezy:

1. Naturalne lub spontaniczne Mutageneza zachodzi na skutek wpływu mutagennych czynników środowiskowych, takich jak światło ultrafioletowe, promieniowanie i mutageny chemiczne, na materiał genetyczny organizmów żywych.

 Mutacje punktowe

a) Mutacja zmiany sensu

b) Mutacja przesunięcia ramki odczytu

c) Bezsensowna mutacja

d) Synonimiczna mutacja sejsmiczna.

 Mutacje chromosomowe

a) Inwersje

b) Translokacje wzajemne

c) Skreślenia

d) Duplikacje i translokacje insercyjne

 Mutacje genomowe

a) Aneuploidia

b) Poliploidia

 Mutacje jądrowe i cytoplazmatyczne

a) Mutacje jądrowe - genomowe, chromosomalne, punktowe.

b) Mutacje cytoplazmatyczne – związane z mutacjami genów niejądrowych zlokalizowanych w mitochondrialnym DNA i DNA plastydów – chloroplastów.

2. Sztuczna mutageneza szeroko stosowane do badania białek i ulepszania ich właściwości (ewolucja ukierunkowana).

 Mutageneza nieukierunkowana

Stosując metodę mutagenezy losowej, z określonym prawdopodobieństwem wprowadza się zmiany w sekwencji DNA. Czynnikami mutagennymi (mutagenami) mogą być różne wpływy chemiczne i fizyczne - substancje mutagenne, światło ultrafioletowe, promieniowanie. Po uzyskaniu organizmów zmutowanych przeprowadza się identyfikację (przesiew) i selekcję tych, które spełniają cel mutagenezy. Mutageneza nieukierunkowana jest bardziej pracochłonna i ma uzasadnienie w przypadku opracowania skutecznego systemu badań przesiewowych mutantów.

 Mutageneza ukierunkowana

W mutagenezie ukierunkowanej zmiany wprowadzane są w DNA we wcześniej znanym miejscu. W tym celu syntetyzuje się krótkie jednoniciowe cząsteczki DNA (startery), komplementarne do docelowego DNA, z wyjątkiem miejsca mutacji.

Karcynogeneza(łac. nowotworzenie; rak - rak + inne greckie γένεσις - pochodzenie, rozwój) - złożony proces patofizjologiczny powstawania i rozwoju nowotworu. (syn. onkogeneza).

Badanie procesu karcynogenezy jest kluczowym punktem zarówno dla zrozumienia natury nowotworów, jak i znalezienia nowych, skutecznych metod leczenia raka. Kancerogeneza jest złożonym, wieloetapowym procesem prowadzącym do głębokiej reorganizacji nowotworu prawidłowych komórek organizmu. Spośród wszystkich dotychczas zaproponowanych teorii kancerogenezy na największą uwagę zasługuje teoria mutacji. Zgodnie z tą teorią nowotwory są chorobami genetycznymi, których podłożem patogenetycznym jest uszkodzenie materiału genetycznego komórki (mutacje punktowe, aberracje chromosomowe itp.). Uszkodzenie określonych obszarów DNA prowadzi do zakłócenia mechanizmów kontroli proliferacji i różnicowania komórek, a ostatecznie do powstania nowotworu

B. Czynniki mutagenezy:

Wszelkie mutacje mogą wystąpić samoistnie lub zostać wywołane.

Mutacje spontaniczne pojawiają się pod wpływem nieznanych czynników naturalnych

czynników i prowadzić do błędów podczas replikacji DNA.

Indukowane mutacje zachodzą pod wpływem specjalnych

ukierunkowane czynniki zwiększające proces mutacji.

Czynniki fizyczne, chemiczne i

charakter biologiczny.

Spośród mutagenów fizycznych najsilniejszym efektem mutacyjnym jest

promieniowanie jonizujące - promienie rentgenowskie, α-, β-, γ. Posiadając duże właściwości penetrujące, działając na organizm powodują powstawanie wolnych rodników OH lub HO2 z wody znajdującej się w tkankach. Rodniki te są wysoce reaktywne. Mogą rozkładać kwasy nukleinowe i inne substancje organiczne.

Napromienianie powoduje rearanżacje genów i chromosomów.

Promieniowanie ultrafioletowe charakteryzuje się niższą energią, a nie

powodując jonizację tkanki. Działanie promieniowania UV prowadzi do powstania dimerów tymidyny. Obecność dimerów w DNA prowadzi do błędów podczas jego replikacji.

Mutageny chemiczne muszą mieć następujące cechy:

Wysoka zdolność penetracji;

Zdolność do zmiany stanu koloidalnego chromosomów;

Pewien wpływ na stan chromosomu lub genu. Do chemicznego

Substancje powodujące mutacje obejmują substancje organiczne i nieorganiczne, takie jak kwasy, zasady, nadtlenki, sole metali, formaldehyd, pestycydy, defolianty, herbicydy, kolchicyna itp.

Niektóre substancje mogą setki razy wzmocnić efekt mutacji

w porównaniu ze spontanicznym. Nazywa się je supermutagenami. Te supermutageny

powodują szeroki zakres mutacji punktowych w stężeniach niższych niż te, które indukują rearanżacje chromosomowe widoczne pod mikroskopem.

Związki nitrozowe (gaz musztardowy,

dietylonitrozamina, uretan itp.).

Niektóre leki mają również działanie mutagenne.

Na przykład cytostatyki, pochodne etylenoiminy, nitrozomocznik. Oni

uszkadzają DNA podczas replikacji.

Mutageny chemiczne mogą powodować zaburzenia mejozy, co prowadzi do

nondysjunkcja chromosomów, pęknięcia chromosomów, mutacje punktowe. Niektóre

Mutageny chemiczne przechodzą przez układ metaboliczny organizmu w najbardziej nieprzewidywalny sposób i przekształcają się w inne związki. W takim przypadku mogą utracić działanie mutagenne lub nabrać takich właściwości mutagennych, których nie było w oryginalnym związku. Niektóre niemutagenne substancje chemiczne, jeśli zostaną włączone do metabolizmu, zamieniają się w mutageny.

Na przykład lek cytostatyczny cyklofosfamid nie jest mutagenem, ale występuje w organizmie

ssaków zamienia się w związek wysoce mutagenny.

Oprócz mutagenów o charakterze fizycznym i chemicznym, w środowisku

istnieją biologiczne czynniki mutagenezy.

Ospa, odra, ospa wietrzna, świnka, wirusy zapalenia wątroby,

różyczka i inne mogą powodować pęknięcia chromosomów. Wirusy mogą zwiększać tempo mutacji komórek gospodarza poprzez tłumienie aktywności systemów naprawczych. Istnieją dowody na wzrost liczby rearanżacji chromosomów w komórkach ludzkich po pandemiach wywołanych przez zjadliwe wirusy.

Występowanie mutacji prowadzi do różnych patologii. Aby zapobiec negatywnym konsekwencjom związanym z działaniem różnych

mutagenne czynniki środowiskowe, należy podjąć środki w celu zmniejszenia prawdopodobieństwa

występowanie mutacji. W tym celu stosuje się substancje tzw

antymutagenne. Obecnie około 200 naturalnych i

związki syntetyczne o działaniu antymutagennym. Ten

aminokwasy (histydyna, metionina itp.), witaminy (tokoferol, karoten, retinol, kwas askorbinowy itp.), enzymy (oksydaza, katalaza itp.), interferon itp.

Spożywana żywność zawiera dużą liczbę mutagenów i antymutagenów. Ich stosunek zależy od metod przetwarzania żywności, czasu jej przetwarzania

przechowywanie itp. Prawidłowe żywienie jest jednym ze sposobów zapobiegania szkodliwemu działaniu mutagennych czynników środowiskowych.

W. mutacje

G. Proces rekonstrukcji uszkodzonego DNA nazywa się naprawą lub Naprawa DNA. Naprawa materiału dziedzicznego polega na enzymatycznym zniszczeniu zmienionego fragmentu cząsteczki DNA z przywróceniem w tym odcinku sekwencji nukleotydowej komplementarnej do fragmentu nieuszkodzonej cząsteczki DNA.

W niektórych przypadkach enzym może zniszczyć fragment normalnego

Cząsteczki DNA komplementarne do zmienionego, w wyniku czego powstają

zmutowana podwójna helisa. Ponieważ cząsteczka DNA jest podwójną helisą, powstawanie mutacji genowej zachodzi w dwóch etapach. Po pierwsze, zmiana dotyczy jednej cząsteczki biospirali. Nazywa się to heterozygotycznością molekularną lub potencjalną mutacją. Jeśli zmiany te wpływają na locus homologiczny cząsteczki komplementarnej, następuje prawdziwa mutacja i osiągany jest stan homozygotyczności molekularnej. Mutacja jest dziedziczona przez wszystkich potomków zmutowanej komórki. Przejście do stanu homozygotyczności molekularnej jest wynikiem błędów naprawczych. Naprawa lub korekta zaburzeń molekularnych w strukturze DNA prowadzi do eliminacji zmienionego obszaru z dziedzicznego materiału komórki.

D. Trzy główne mechanizmy naprawy DNA:

1. Fotoreaktywacja. Wpływ światła widzialnego na komórki, poprzednio

poddany działaniu promieniowania UV, prowadzi do kilkukrotnego zmniejszenia efektu śmiertelnego, tj. do reaktywacji funkcji napromienianych komórek. Reaktywujące działanie światła widzialnego jest związane z rozszczepianiem dimerów pirymidyny. W procesie tym pośredniczy zależny od światła enzym fotoreaktywujący.

2. Mroczne zadośćuczynienie.

W przeciwieństwie do fotoreaktywacji, w tym przypadku naprawy uszkodzonego DNA

nie wymaga energii światła widzialnego. Proces ten zachodzi również przy udziale enzymów. Dimery tyminy są wycinane z nici DNA, w której pozostają luki. W ich miejsce przy udziale enzymu polimerazy DNA odtwarzany jest fragment cząsteczki DNA, zgodnie z dostępnymi informacjami na temat łańcucha komplementarnego. Enzym ligaza DNA bierze udział w odbudowie naprawianej cząsteczki DNA.

3. Funkcje naprawy poreplikacyjnej w okresie syntezy

cykl mitotyczny. W okresie pretotycznym odcinki cząsteczki DNA zawierające dimery tymidyny -T-T- nie ulegają reduplikacji, a na ich miejscu tworzą się luki. Brakujące fragmenty uzupełniane są zgodnie z komplementarnością łańcucha DNA, co pozwala na syntezę normalnej cząsteczki DNA i uniknięcie dziedziczenia pierwotnej zmiany mutacyjnej przez komórki potomne.

Mutageneza to proces powstawania mutacji. Czynnikami wywołującymi mutacje są mutageny. Mutageny wpływają na materiał genetyczny osobnika, w wyniku czego fenotyp może się zmienić.
Karcynogeneza to proces powstawania nowotworu. Ustalono, że w procesie karcynogenezy zachodzą zmiany na poziomie genetyki molekularnej, wpływające na mechanizmy odpowiedzialne za reprodukcję, wzrost i różnicowanie komórek.

Klasyfikacje mutacji.

Z powodów, które spowodowały mutacje:

Spontaniczne (spontaniczne). Powstają w wyniku działania naturalnych czynników mutagennych bez ingerencji człowieka.

Wywołany. Wynik ukierunkowanego wpływu niektórych czynników mutagennych.

Dla zmutowanych komórek:

Generatywny. Występują w komórkach rozrodczych. Przekazany w drodze dziedziczenia.

Somatyczny. Występują w komórkach somatycznych. Dziedziczą się wyłącznie poprzez rozmnażanie wegetatywne.

Według wyniku dla organizmu:

Śmiertelny. Nie do pogodzenia z życiem.

Pół-śmiercionośny. Zmniejsz witalność organizmu.

Neutralny. Nie wpływaj na procesy życiowe.

Pozytywny. Zwiększenie witalności. Występują rzadko, ale mają ogromne znaczenie dla postępującej ewolucji.

Przez zmiany w materiale genetycznym:

Genomowy. Spowodowane zmianami w liczbie chromosomów. Wykrywane metodami cytogenetycznymi. Zawsze objawia się fenotypowo.

Poliploidia (wielokrotność haploidalnego wzrostu liczby chromosomów (3n, 4n, 5n) ma ogromne znaczenie w selekcji., haploidalność). U ssaków i ludzi są to mutacje śmiertelne

Haploidalność (1n). Na przykład pszczoły mają drony. Witalność maleje. W tym przypadku pojawiają się wszystkie geny recesywne. Dla ssaków i ludzi mutacja jest śmiertelna.

Aneuploidia. Wielokrotny haploidalny spadek lub wzrost liczby chromosomów (2n+\-1). Odmiany:

Trisomia. 2n + 1. W genotypie występują 3 homologiczne chromosomy. Choroba Downa

Monosomia. Zestaw zawiera jeden z pary homologicznych chromosomów. 2n – 1. Monosomia pierwszych dużych par chromosomów jest dla człowieka śmiertelna.

Nulesomia. Brak pary chromosomów. Śmiertelna mutacja.

Chromosomy (oberacje). Spowodowane zmianami w strukturze chromosomów. Mogą być wewnątrzchromosomalne lub międzychromosomalne. Wykrywane metodami cytogenetycznymi.

Wewnątrzchromozowy. Przegrupowania w obrębie chromosomów

Międzychromosomalny. Występują pomiędzy chromosomami niehomologicznymi. Tłumaczenie, powielanie.

Genetyczne (punkt, transgenacja). Związany ze zmianami w strukturze genów (cząsteczek DNA). W większości przypadków manifestują się fenotypowo. Powodują zaburzenia metaboliczne i choroby genetyczne. Częstotliwość manifestacji wynosi 1-2%. Wykrywany metodami biochemicznymi i metodami rekombinacji DNA.

Zmiany w genach strukturalnych. Przesunięcie ramki odczytu. Prowadzi do mutacji zmiany sensu (zmian w znaczeniu kodonów i powstawania innych białek). Nonsensowne mutacje to tworzenie bezsensownych kodonów, które nie kodują aminokwasów.

Zmiany w genach funkcjonalnych.

Białko represora nie pasuje do genu operatora. Geny strukturalne działają stale. Białka są syntetyzowane przez cały czas

Białko represorowe nie jest usuwane przez induktor. Geny strukturalne nie działają przez cały czas. Nie ma syntezy białek.

Naruszenie naprzemienności represji i indukcji.