Спонтанный мутагенез

У меня уж такое правило в моем природном царстве: чуть-чуть не подходит для жизни — смерть тебе! Думаешь, кровожадное и беспощадное правило? Нет! Это только когда посмотришь сверху. А заглянешь подальше вперед — очень доброе, заботливое и нужное правило.

Алексей Владимирович Яблоков. «Волшебный браслет» (книга для детей).

Условия жизни на Земле неизбежно связаны с воздействием различных токсических и генотоксических (повреждающих геном) факторов физической, химической и биологической природы. Это химикаты в окружающей и внутренней среде, температурные перепады, акустические удары, электромагнитное, ультрафиолетовое и ионизирующее излучения. Множество микроорганизмов атакуют организм в течение жизни.

Все из перечисленных указанных воздействий, включая воспаления в ответ на инфицирования микроорганизмов, в конечном счете реализуются в увеличении уровня свободных радикалов кислорода и продуктов перекисного окисления липидов [РБ15, РК5, РК37, AR5]. А одной из критических мишеней этих окислительных соединений являются макромолекулы, среди которых наиболее важна, конечно, ДНК генома. Излучение способно модифицировать структуру ДНК также путем прямой, непосредственной передачи энергии [РК37, РО1, РЯ5]. Химические соединения могут повреждать геном достаточно окольными путями (тяжелые металлы, к примеру, за счет ингибирования факторов репарации ДНК [РК35, AH9]; ряд органических соединений образуют с ДНК аддукты [РА1]). Но всеобщее значение имеет, все же, эффект неблагоприятных факторов, косвенно опосредованный свободными радикалами. Поэтому ныне не счесть числа биодобавок и настоящих препаратов, действие которых связывают с подавлением уровня свободных радикалов и, соответственно, с ослаблением генотоксических и токсических последствий окислительного стресса различной природы.

В конечном счете окислительные эффекты радикалов кислорода (и продуктов перекисного окисления липидов) реализуются в повреждениях (модификациях) первичной структуры ДНК (генома и митохондрий). А затем — вторичной, третичной, и т.д. Результатом являются мутации и аберрации хромосом, которые регистрируются даже как бы в отсутствие индуцирующих агентов (спонтанно). На самом деле данные агенты просто не на виду — это многочисленные факторы обыденной жизни и существования. В том числе — и внутренние гормональные, и факторы — следствия нормального обмена веществ в клетке и организме [РА1]. Так, «спонтанные» повреждения ДНК могут быть обусловлены и термодинамическими флуктуациями молекулы ДНК в норме, а также эндогенными окислительными и ферментативными процессами [AU12].

Согласно [AF7, AP14, AP16, AP17, AP19], в каждой клетке организма человека в течение суток в норме должно образовываться в среднем около 10⁹ свободных радикалов (рис. 2.1.1). Каждый из них потенциально способен индуцировать повреждения в ДНК, а диплоидный геном млекопитающих содержит не более 6 10⁹ нуклеотидов [РЛ2]. Получается, что примерно за неделю от нативности ДНК ничего не должно остаться. Реально же в организме образуется в среднем по 10⁶ окислительных повреждений на клетку за сутки (настолько снижает их потенциальное число антиоксидантный щит). Далее в дело вступает блок клеточного деления, который дает время для починки, и репарация ДНК, наиболее важное и мощное звено поддержания ее нормальных структуры/функции [AU12]. Репарация устраняет образовавшиеся повреждения так, что их число снижается до порядка 100 на одну клетку в день. Но и это еще весьма много: только представьте себе, что в каждой клетке организма за день будет накапливаться 100 непочиненных нарушений структуры ДНК. За, скажем, пять лет жизни это будет 1,83 10⁵ на клетку. Весьма значительная ведичина: ведь если один из каждых 3,3 10⁴ нуклеотидов диплоидного генома (6 10⁹ нуклеотидов разделить на 1,83 10⁵ повреждений) окажется модифицированным, то велика вероятность не только канцерогенеза, но и просто несовместимости с жизнью и функционированием клетки. Поскольку при среднем размере гена эукариот около 3 10⁴ нуклеотидов [AI1][49] в течение всего порядка пяти лет может быть «выбит» каждый ген. Причем в каждой клетке.

Поэтому ясно, что 100 нерепарированных нарушений структуры ДНК на клетку за одни сутки недопустимы. И в дело вступают механизмы элиминации клеток с повреждениями. Ими являются апоптоз (на клеточном уровне; самоустранение поврежденной клетки) и иммунный надзор (на уровне организма; внешнее устранение поврежденной клетки). Клетки, ДНК в которых по тем или иным причинам не поддалась репарации, элиминируются. В результате количество реальных повреждений снижается, по оценкам [AF7, AP14, AP16, AP17, AP19], до одного на клетку в день. Именно столько может быть реализовано в мутацию или аберрацию хромосом (см. рис. 2.1.1).

С одной стороны, данное значение не кажется большим, учитывая величину генома (получается, что за сутки поражается не более 1,7 10^–8% от ядерной ДНК). С другой стороны налицо «неотвратимость конца»: каждый день приближает наши клетки к разрушению, не говоря уже о случайных стохастических канцерогенных мутациях, вероятность которых нельзя исключить в любой момент, как в утробе, так и после рождения. И даже если представить себе картину полного исключения неблагоприятных внешних воздействий[50], все равно метаболических внутриклеточных окислительных повреждений не избежать. Как и от термодинамики ДНК, и от ее функционирования, когда разрывы и модификации структуры являются необходимыми стадиями репликации, дифференцировки, рекомбинации и той же репарации [AU12].

Рисунок 2.1.1. Система антимутагенного контроля повреждений ДНК. По (Pollycove M., Feinendegen L.E.) [AF7, AP14, AP16, AP17, AP19].

Вот источники неизбежных спонтанных генных мутаций, хромосомных мутаций (нарушения структуры хромосом) и геномных мутаций (т.е., затрагивающих геном как целое — например, полиплоидия) [AC12, AS8, AU16]. Их источник — некое неизбежное количество повреждений ДНК. Мутации могут быть и канцерогенными, т.е. такими, которые сразу же или после нескольких стадий развития в своем комплексе приводят к отмене блока клеточного деления и апоптоза, что ведет к иммортализации[51], злокачественной трансформации[52] и малигнизации[53] (раку). Ведь, если исключить вирусные онкогены (которые, впрочем, тоже не исключение [РА1]), то развитие канцерогенеза, как считается, начинаясь с единственной мутации, происходит далее путем многостадийного мутагенного процесса [РА1, AU16]. Рак — это сложная мультифакторная генетическая и эпигенетическая патология, и основные ее причины связаны с мутагенезом.

Получается так, что в нашем мире в почти любой популяции растений и животных какая-то часть особей обречена на раки, поскольку имеющий место мутагенез где-то или у кого-то обязательно даст начало канцерогенным мутациям. Конечно, если продолжительность жизни тех животных или растений не совсем уж мала, как у вылетевших поденок, к примеру.

Спонтанные показатели мутагенеза и канцерогенеза — величины довольно постоянные для относительно однородных биологических объектов в относительно однородных условиях. В самом деле, различные ферментативные и неферментативные звенья защиты — репарации — элиминации, которые были упомянуты выше, имеют различный уровень и активность в зависимости от того или иного генотипа. И если генотипы близки, то и указанные системы близки (понятно, что в сходных условиях развития и существования). Приведем некоторые лабораторные и эпидемиологические примеры. Не говоря уже о различных линиях Drosophila [РЗ7, РЗ8], частота мутагенеза может значительно отличаться для разных линий мышей — одни выведенные линии намного чувствительнее как к внутренним, так и к внешним генотоксическим факторам (рис. 2.1.2).

К данным, представленным на рис. 2.1.2, можно добавить, что по сравнению с другими мышами линия мышей BALB/c значительно более чувствительна не только к радиационному мутагенезу, но и к нестабильности хромосом (спонтанной [AB28, AP22] и после облучения [AP22]) и к индукции канцерогенеза [AY1]. Все объясняется генетической обусловленностью механизмов защиты — репарации — элиминации повреждений ДНК. К примеру, рассмотрим работу [AM52], где сравнили две линий мышей по критерию индукции апоптоза. После облучения в дозах 0,5 и 5 Гр ткань стабильной линии C₅₇BL/6 содержала 24–27% апоптотических клеток, тогда как у более чувствительной и нестабильной линия CBA/H — только 2–10% [AM52]. Это подтверждает, что звено элиминации повреждений генома (вместе с содержащими их клетками, разумеется) отвечает за мутагенную устойчивость тех или иных индивидуумов (групп).

Если перейти к человеку, то мы увидим множество примеров различной частоты мутагенеза у разных рас, народностей и даже у жителей разных регионов. К примеру, у японцев повышен риск рака желудка (спонтанного), поэтому в Хиросиме и Нагасаки (т.е., после воздействия) среди прочих солидных раков этот вид был максимален [AU14][54]. Известна даже такая дисциплина — географическая эпидемиология, где рассматривается частота раков по регионам мира [AG1]. В разных странах ВОЗ ведется учет раков и можно видеть, что спонтанная частота, к примеру, рака молочной железы у европеоидов в разы больше, чем у монголоидов [РА1].

Рисунок 2.1.2. Частота мутагенеза в тандемных повторах ДНК у трех линий мышей (спонтанная и трансгенерационная в двух поколениях потомков облученных самцов) [AB4]. Видно, что наиболее нестабильной спонтанно и наиболее чувствительной к внешнему генотоксическому воздействию является линия BALB/c, а самой устойчивой — C₅₇BL/6.

Представленные в подразделе факты и гипотезы подводят нас к следующему выводу: в случае повышения частоты спонтанных повреждений ДНК, спонтанного мутагенеза (не важно, по какой причине, врожденной[55] или приобретенной[56]) имеется вероятность увеличения и числа канцерогенных мутаций. А значит — повышается вероятность индукции раков. Со всеми вытекающими отсюда последствиями.

И вот, при систематическом увеличении по той или иной причине частоты кажущегося спонтанным, малопредсказуемым по своим источникам мутагенеза, говорят о нестабильности генома. Если эта причина связана с воздействием излучения, то — о радиационно-индуцированной нестабильности генома (РИНГ).

Один из рецензентов сделал мне замечание, что данная аббревиатура неудачна, поскольку, «ассоциируясь с одним из видов спорта, вызывает ненужные реминисценции». Странно, но, в отличие от рецензента, первоначально у меня не было с РИНГ ну никаких реминисценций, ибо это просто калька с англоязычного “RIGI” (Radiation-induced genomic instability). Зато после прочтения данных строк рецензии возникает «реминисценция» об известном белке пропердине[57].

Дата добавления: 2015-07-20