Существует прямая зависимость между ростом интенсивности и числа факторов загрязнения окружающей среды и ухудшением эколого-генетической ситуации. Антропогенное загрязнение среды обитания, вызывающее токсический, мутагенный и канцерогенный эффекты, в настоящее время является главным фактором генетического давления на популяцию человека. Вопросы охраны генетического здоровья человека в условиях возрастающей загрязненности окружающей среды находятся в центре внимания и Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ).
Мониторинг
К генетическим нарушениям, обусловливающим генетический груз, относятся мутации в половых, особенно в премейотических, клетках, поскольку индуцированные в них изменения могут сохраняться в течение всего репродуктивного периода, а также рецессивные мутации в специфических локусах в половых и соматических клетках. Для регистрации частоты мутаций используются специальные линии мышей (5-, 7- и однолокусная), у которых частоту мутаций определяют по числу пятен на шерсти. Этот метод называется «спот-тест» (от англ. spot – пятно) и был рекомендован для экстраполяции данных о характере действия химических и физических мутагенов на человека, т.к. у человека и мыши oдинaкoвая гeнeтичecкая чyвcтвитeльнocть (частота спонтанных мутаций – 10–5). После того, как было обнаружено, что у мыши возраст не влияет на частоту спонтанных мутаций, а у человека она может измениться в несколько раз, этот подход подвергли пересмотру.
Существует более 200 тестовых систем для определения мутагенного действия химических и физических факторов. В опытах in vitro для регистрации генных мутаций используют тесты на основе микроорганизмов, для анализа частоты генных и хромосомных мутаций – различные культуры клеток человека (лейкоцитов, фибробластов). При прямых исследованиях мутационных процессов у населения, живущего в экологически загрязненных районах, определяют частоту возникновения доминантных мутаций, изменяющих нормальное течение внутриутробного развития и вызывающих мертворождения, дефекты развития у новорожденных. Изучают также вызванные мутациями болезни детского и последующих возрастов. Мониторинг должен включать учет мутаций в половых и соматических клетках человека.
Для определения механизмов действия известных и подозреваемых токсичных, мутагенных и канцерогенных веществ, а также для оценки рисков, вызываемых ими, все шире используются методы генной инженерии и биоинформатики. Использование трансгенных животных вытесняет спот-тест.
Для создания трансгенных животных в их геном (ДНК) встраивают фрагмент экзогенной ДНК (трансгенный вектор). ДНК вводят либо в развивающуюся зиготу, либо в стволовые клетки эмбриона. По мере развития эмбриона экзогенная ДНК реплицируется и оказывается в ДНК всех его клеток. Так получают «химерное» животное. При мониторинге успешно используют также анализ мутаций генов, кодирующих синтез изоферментов в крови человека. Выявление аномального электрофоретического поведения гемоглобина при серповидноклеточной анемии человека послужило толчком к использованию электрофоретических методов при изучении наследственной изменчивости. Эти методы позволяют определять варианты белков, наследуемых строго по законам Менделя. Результаты исследований белков у детей, резко отклоняющихся от нормы по физическому развитию, показали, что частота редких белковых вариантов у них в семь раз выше средней частоты в популяции.
Перспективным является и метод электрофореза ДНК в агарозном геле. Этот метод апробирован на небольшой группе лиц (79 семей), постоянно живущих в Могилевском районе, загрязненном радионуклидами (137Cs и 131I) после аварии в Чернобыле. С его помощью были обнаружены новые мутации и двукратное увеличение частоты наследственных мутаций у детей, родившихся в период с февраля по сентябрь 1994 г., по сравнению с детьми контрольной группы, родители которых никогда не подвергались радиационному воздействию (105 семей). Установлена надежная корреляция между частотой мутаций и уровнем загрязнения.
Методики определения мутаций на клеточном и молекулярном уровнях позволяют выявлять группы риска как при эпидемиологических обследованиях людей, проживающих в экологически неблагоприятных районах, так и среди представителей вредных профессий. Использование новых генетических методов в ряде случаев может привести к пересмотру принятых гигиенических стандартов. Один нуклеотид ДНК связывает 50 молекул воды, а в каждой клетке нашего тела 3 миллиарда нуклеотидов ДНК. Можете подсчитать, сколько молекул воды связывается с нашими генами! И если в воде есть мутагены, то они повреждают структуру и функции генов.
Влажная ДНК в В-форме находится в клетке. Если в препаратах ДНК 41 г воды на 100г ДНК, то такая ДНК находится в В-форме. При уменьшении воды под влиянием неэлектролитов В-форма переходит в А-форму. Есть и Z — ДНК. В клетке происходит постоянный конформационный переход В® А ®Z ДНК. Он во многом определяет регуляцию активности генов, то есть функции ДНК. Эти фазовые переходы ДНК очень чувствительны к присутствию в воде различных примесей солей, ксенобиотиков, мутагенов, различных аминов, и даже газов, растворенных в воде. Они зависят и от структуры воды. Именно вода в клетке, связанная с ДНК, во многом регулирует такие ее генетические функции, как репликацию, транскрипцию, репарацию, рекомбинацию.
Если вода грязная, то функции генов извращаются, возникают мутации и геномодуляции (геномодуляция – ненаследственные изменения функций генов, которые внешне подобны мутациям). Загрязнение питьевой воды промышленными и бытовыми стоками стало серьезной проблемой. В стоках производств по отбелке целлюлозы идентифицированы такие мутагены, как дихлорметан, бромдихлорметан, трихлорэтан, тетрахлорэтан, тетрахлорпропан и др. По происхождению мутагены классифицируют на эндогенные, образующиеся в процессе жизнедеятельности организма и экзогенные – все прочие факторы, в том числе и условия окружающей среды.
По природе возникновения мутагены классифицирует на:
- физические,
- химические,
- биологические.
Физическими мутагенами называются любые физические воздействия на живые организмы, которые оказывают либо прямое влияние на ДНК или вирусную РНК, либо опосредованное влияние через системы репликации, репарации, рекомбинации. Первые физические мутагены, открытые учеными - это разные виды излучений:
- ионизирующее излучение,
- радиоактивный распад,
- ультрафиолетовое излучение.
Первичный эффект ионизирующих и ультрафиолетовых излучений заключается в образовании одиночных или двойных разрывов в молекуле ДНК. Ультрафиолет сильно поглощается тканями и вызывает мутации лишь в поверхностно расположенных клетках многоклеточных животных, однако на одноклеточных он действует эффективно. Другими физическими мутагенами являются частицы разной природы, имеющие высокую энергию: это альфа- и бета-излучения радиоактивных веществ и нейтронное излучение.
Выяснено, что мутации, вызванные излучениями, могут затрагивать любые признаки организма, так как квант излучения или частица с высокой энергией чисто случайно может повредить любой участок ДНК. Число возникающих мутаций тем больше, чем выше интенсивность излучения, то есть чем больше квантов или частиц попало в клетку в единицу времени.
К химическим мутагенам относятся многие химические соединения самого разнообразного строения. Наибольшую мутагенную активность проявляют различные алкилирующие соединения, а также нитрозосоединения, некоторые антибиотики, обладающие противоопухолевой активностью.
Химические мутагены делят на:
- мутагены прямого действия (соединения, реакционная способность которых достаточна для химической модификации ДНК, РНК и некоторых белков),
- мутагены непрямого действия (промутагены - вещества, которые сами по себе инертны, но превращаются в организме в мутагены, в основном в результате ферментативного окисления).
Мишенью действия мутагенов в клетке являются ДНК и некоторые белки. Ряд мутагенов вызывают мутации, не связываясь ковалентно с ДНК. В этом случае матричный синтез на ДНК протекает с ошибками. В синтезируемой нити ДНК оказывается на один нуклеотид больше или меньше обычного и возникают мутации.
Установлено, что мутагенной активностью обладает несколько тысяч химических соединений. Однако в отличие от ионизирующего и ультрафиолетового излучений для химических мутагенов характерна специфичность действия, зависящая от природы объекта и стадии развития клетки. При взаимодействии химических мутагенов с компонентами наследственных структур (ДНК и белками) возникают первичные повреждения последних. В дальнейшем эти первичные повреждения ведут к возникновению мутаций.
К биологическим мутагенам относят:
- ДНК- и РНК-содержащие вирусы,
- некоторые полипептиды и белки, например О-стрептолизин и ряд ферментов рестриктаз,
- препараты некоторых ДНК и определенные плазмиды.
Механизмы образования мутаций при действии различных биологических факторов не вполне ясны, однако агенты, содержащие нуклеиновые кислоты, могут вызывать нарушение процессов рекомбинации, что приводит к возникновению мутаций. Действие рестриктаз сводится к «разрезанию» цепей ДНК в месте (локусе) определенной последовательности нуклеотидов, специфичном для каждой рестриктазы.
Транспозоны – один из классов мобильных элементов генома которые, встраиваясь в геном, могут вызывать мутации, в том числе и такие значительные как хромосомные перестройки. Они играют важную роль в процессах переноса лекарственной устойчивости среди микроорганизмов, рекомбинации, и обмена генетическим материалом между различными видами как в природе так и в ходе генно-инженерных исследований.