С самого начала становления генетики вопросам причин и природы мутаций уделялось особое внимание. Учёных прежде всего очень интересовало, откуда берутся внезапные скачкообразные изменения фенотипа. Первым реальным шагом в этом направлении стали исследования по экспериментальному мутагенезу — воздействие на организм мутагенами — сильнодействующими физическими факторами или определёнными химическими веществами, приводящими к появлению мутаций. Внедрение математических методов, с помощью которых оказался возможным строгий учёт количества появляющихся мутаций, также дал ряд интересных результатов, стимулировавших дальнейшее развитие генетики. Кроме того, их направленный поиск в природе показал, что мутации проявляются и в естественной среде обитания, где происходит так называемый спонтанный мутагенез.
Мутации, которые вызывают в лабораторных условиях, стали называть индуцированными (искусственными) мутациями, а те, которые находят в природных популяциях, — спонтанными (естественными). И те, и другие, как правило, по своему фенотипическому проявлению почти не отличаются, но учёные всё же отмечают, что индуцированные мутации гораздо разнообразнее и фенотипически проявляются сильнее, чем спонтанные. Например, у дрозофил к обычным относят мутации «жёлтое тело» и «закрученные крылья». Их можно вызвать в лаборатории и наблюдать в природе, но выраженность этих аномалий всегда сильнее у лабораторных особей.
Основным генетическим критерием оценки мутагенности любого фактора является определение частоты мутации (количество мутаций на единицу (концентрации). Все другие оценки мутагенности основаны на этом критерии.
Для оценки генетической опасности химических соединений важно использовать, как и в радиобиологии, еще один количественный критерий – «относительную генетическую эффективность» (ОГЭ) разных классов веществ. Впервые ОГЭ рассчитал Эхлинг при сравнении доз ионизирующего излучения и концентраций химических мутагенов, вызывающих одинаковую частоту мутаций. По мнению исследователя, использование этого подхода для определения ОГЭ не зависит от величины пороговой дозы химического мутагена, и поэтому его генетическая опасность может быть скорее завышена.
Другой способ определения ОГЭ основан на использовании для сравнительной оценки веществ одного и того же класса одинакового способа воздействия и показателя мутагенного эффекта, что позволяет рассчитать ОГЭ одного соединения по отношению к другому.
Учет количества возникающих мутаций необходим:
- при исследовании природы гена, его изменения,
- для понимания механизма влияния внешних условий,
- для понимания физиологического состояния организма на мутационный процесс.
Методы обнаружения мутаций должны быть разными в зависимости от особенностей объекта — главным образом способа размножения организма. Объективно регистрировать общее число возникающих мутаций пока практически невозможно. Однако подсчет мутаций в отдельных локусах и определенного типа мутаций вполне доступен. Некоторые видимые морфологические изменения можно учитывать довольно точно; несколько более сложным является определение физиологических и биохимических изменений у многоклеточных организмов. Легче всего обнаруживаются видимые доминантные мутации, которые могут проявляться в гетерозиготном состоянии в первом же поколении, труднее анализировать рецессивные мутации. Для того чтобы учитывать мутации, особенно рецессивные, возникшие как единичные изменения в хромосомах половых клеток, их необходимо переводить в гомозиготное состояние. Для дальнейшего анализа мутантную линию скрещивают с линией-анализатором, имеющей одну или несколько маркированных групп сцепления. Такой подход позволяет не только подтвердить ее наследование, но и сберечь время на анализ принадлежности мутации к соответствующей группе сцепления.
Для хорошо изученных в генетическом отношении объектов (дрозофила, кукуруза, ряд микроорганизмов) с установленными группами сцепления изучение новой мутации проводить довольно легко. Для этих объектов разработаны специальные методики учета частоты мутаций, возникающих в отдельных хромосомах. Так, например, для обнаружения видимых мутаций в половой хромосоме у дрозофилы используется методика сцепленных Х-хромосом — уу (двойной желтый). По данной схеме скрещивания можно обнаружить отдельные видимые рецессивные сцепленные с полом мутации, возникшие в Х-хромосоме половых клеток отцовского организма и проявляющиеся у мужского пола в F1.
Поскольку хромосомы обладают свойством репродуцироваться даже в измененном состоянии, различные изменения хромосом могут сохраняться в ряду клеточных делений и наследоваться.
Поэтому под генетическим эффектом ионизирующих излучений следует понимать любые изменения хромосом, связанные с возникновением мутаций. Обычно в большем количестве возникают летальные, семилетальные (понижающие жизнеспособность) и другие мутации, вызывающие гибель зигот. Такие мутации могут быть доминантными и рецессивными.
Если в сперматозоиде возникла мутация, то после слияния его с яйцеклеткой она перейдет в зиготу. Сравнивая количество отмирающих эмбрионов в потомстве облученных родителей с таковым в потомстве необлученных, можно установить частоту возникновения доминантных леталей, вызванных облучением половых клеток у родителей.
Рецессивные летальные мутации можно обнаружить лишь в последующих поколениях F2 и F3, т. е. после того, как они перейдут в гомозиготное состояние. Такой учет летальных мутаций прост и позволяет производить объективную количественную оценку частоты их возникновения.
На оснований количественного учета мутаций была установлена зависимость частоты их возникновения от дозы облучения. Многочисленные опыты с дрозофилой, кукурузой, ячменем и другими объектами позволили сделать вывод, что число точковых мутаций (n) возрастает прямо пропорционально дозе ионизирующего излучения (D).
Линейная зависимость частоты возникновения мутаций от дозы облучения навела на мысль о том, что мутация гена является следствием мономолекулярного акта, т. е. отдельной ионизации. Поэтому дальнейшие исследования сосредоточились в направлении изучения роли различных физических сторон действия ионизации на мутационный процесс, а именно:
- влияния мощности (интенсивности) излучения — величины дозы в единицу времени,
- влияния плотности ионизации и возможности специфичного действия различных ионизирующих излучений.
Интересно отметить, что равные дозы ионизирующих излучений, различающиеся по интенсивности в 10 000 и даже 100 000 раз, вызывают мутации с одинаковой частотой.
При действии на хромосомы ионизирующих излучений возникает большое количество хромосомных перестроек. Оказалось, что летальные мутации в большинстве своем связаны с хромосомными перестройками, которые можно обнаруживать генетическими и цитологическими методами.
Необходимо подчеркнуть, что действие ионизирующих излучений на возникновение хромосомных перестроек сначала было обнаружено генетическими методами. Впоследствии этот эффект был подтвержден цитологическими методами на хромосомах соматических клеток корешков растений, эмбриональных тканей и костного мозга животных и человека, а также, на гигантских хромосомах слюнных желез дрозофилы.
Итак, все виды ионизирующих излучений вызывают глубокие изменения хромосом, которые благодаря репродукции воспроизводятся в митозе и могут сохраняться в ряду последующих клеточных делений.
Радиопротекторы (синоним радиозащитные препараты) — это химические соединения, применяемые для ослабления вредного действия ионизирующей радиации на организм. Радиопротекторы используются лишь с целью профилактики и облегчают течение лучевой болезни. Введение радиопротекторов после облучения оказывается неэффективным. Условно радиопротекторы можно разбить на две группы:
- радиопротекторы кратковременного, одномоментного действия, которые вводят в организм за короткий промежуток времени до облучения,
- радиопротекторы пролонгированного действия, которые вводят многократно, обычно небольшими дозами до лучевого воздействия.
К радиопротекторам первой группы относят большинство известных радиозащитных соединений: например, различные аминотиолы (меркамин, пропамин, аминоэтилизотиоуроний и др.), аминокислотуцистеин, цистамин, некоторые биогенные амины, не содержащие сульфгидрильных групп, цианофоры, аминофеноны, некоторые спирты, отдельные представители углеводов и др.
Представление о радиопротекторах как химических соединениях, защищающих «критические» молекулы клеток. Гипотеза предполагает, что в результате химических реакций серосодержащие радиопротекторы реагируют с сульфгидрильными группами биологически важных молекул и тем самым «прикрывают» их от действия ионизирующей радиации.
Представление о радиопротекторах как соединениях, повышающих радиоустойчивость биохимических систем. Эта гипотеза основывается на том, что абсолютное большинство радиопротекторов одномоментного действия оказывает радиозащитный эффект только в том случае, если их вводят в субтоксических дозах. При этом тормозятся различные радиочувствительные биохимические системы, например биосинтез ДНК, окислительное фосфорилированиев микроструктурах клеток, образование макроэргических соединений в ядре клетки и т. д. Механизм временного торможения биохимических систем в свою очередь основывается на способности радиопротекторов вступать в химические связи с молекулами ферментов. Существенную роль при этом играет временное образование смешанно-дисульфидной связи между радиопротекторами и содержащими сульфгидрильную группу молекулами белков-ферментов.
Важное практическое применение генетического действия ионизации — радиационная селекция, т. е. отбор хозяйственно-ценных мутаций, получаемых главным образом у культурных растений и промышленных микроорганизмов в результате их облучения. Выведенные таким способом новые сорта овса, ячменя, гороха, арахиса, плодовых и декоративных культур и др. уже занимают большие посевные площади. Многие высокопродуктивные промышленные штаммы микроорганизмов — продуцентов антибиотиков, витаминов, аминокислот — также получены путём радиационного мутагенеза.
Методом введения большого числа точковых мутаций разной локализации в исследуемые части генов in vitro является химический мутагенез одноцепочечных участков рекомбинантных ДНК. Принцип метода заключается в том, что некоторые химические мутагены, такие как бисульфит натрия, гидроксиламин или метоксиламин, действуют только на одноцепочечные участки ДНК. Следовательно, получив молекулы ДНК, содержащие одноцепочечные бреши в исследуемых участках генов, можно с помощью бисульфита натрия дезаминировать остатки цитозина в этих участках, т.е. превратить их в остатки урацила.
Ионизирующее излучение (рентгеновское) проникая в ткани, разрывают химические связи, приводя к хромосомным перестройкам, разрывам или точковым мутациям. Неионизирующее излучение (УФ) вызывает фотохимические изменения в структуре ДНК. Это приводит к образованию ненормальных химических связей между молекулами пиримидинов.
Факторы, способные вызывать мутации, называются мутагенными. Их воздействие на живые организмы приводит к появлению мутаций с частотой, превышающей уровень спонтанных мутаций. Различают следующие мутагенные факторы:
- физические (к ним относятся все виды ионизирующих излучений - гамма- и рентгеновские лучи, протоны, нейтроны и др., ультрафиолетовое излучение, высокие и низкие температуры);
- химические (многие алкилирующие соединения, аналоги азотистых оснований нуклеиновых кислот, некоторые биополимеры - чужеродные ДНК или РНК, алкалоиды и многие другие);
- биологические (вирусы, бактерии).
Часто мутагенные факторы называют мутагенами (от мутации и греческого genes - рождающий, рождённый). Мутагены, увеличивающие частоту мутаций в сотни раз (нитропроизводные мочевины) называются супермутагенами.Процесс образования мутаций с помощью физических или химических мутагенов называется мутагенезом.
Антимутагены (от анти... и мутагены), вещества, понижающие частоту мутаций, препятствующие мутагенному действию химических или физических агентов.
Главная опасность загрязнения окружающей среды мутагенами, как полагают генетики, заключается в том, что вновь возникающие мутации, не «переработанные» эволюционно, отрицательно повлияют на жизнеспособность любых организмов. И если поражение зародышевых клеток может привести к росту числа носителей мутантных генов и хромосом, то при повреждении генов соматических клеток возможно возрастание числа раковых заболеваний. Более того, существует глубокая связь различных на первый взгляд биологических эффектов. Например, мутагены окружающей среды влияют на величины рекомбинаций наследственных молекул, являющихся также источником наследственных изменений. Возможно и влияние на функционирование генов, что может быть причиной, например, тератологических отклонений (уродств), наконец, вероятны поражения ферментных систем, что изменяет различные физиологические особенности организма, вплоть до деятельности нервной системы, а следовательно, сказывается и на психике. Генетическая адаптация популяций человека к возрастающему загрязнению биосферы мутагенными факторами принципиально невозможна.
На данный момент в мире уже имеется большое число квалифицированных лабораторий, в которых проводятся достаточно точные испытания.