MedBookAide - путеводитель в мире медицинской литературы
Разделы сайта
Поиск
Контакты
Консультации

Гуттман Б., Гриффите Э. и др. - Генетика

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
<<< НазадСодержаниеДальше >>>

За исключением медицинских приборов для рентгеноскопии, искусственное излучение относительно невелико и сравнимо с естественным.

Что представляют собой мутации?

Мутация — это изменение в ДНК. Некоторые изменения происходят спонтанно, со временем. Например, молекулы ДНК теряют пуриновые основания гуанин и аденин (депуринизация) с относительно высокой скоростью. По примерным оценкам, клетка млекопитающего за сутки теряет около 10 тыс. пуриновых оснований. К счастью, в клетках имеются механизмы восстановления, которые вставляют основания в нужные места или вырезают искаженные последовательности и заменяют их вновь синтезируемыми.

Различные факторы также повреждают ДНК. Некоторые повреждения удается восстановить при помощи специальных (репаративных) ферментов, но другие повреждения становятся мутациями. В гл. 9 говорилось, что мутаген профлавин вставляет или удаляет одно или несколько оснований и вызывает так называемые мутации со сдвигом рамки, при которых механизм считывания генетического кода сдвигается. Мутация может быть и заменой одного основания на другое. Мутации такого рода образуются обычно при репликации ДНК, когда к новому основанию прикрепляется не то основание, которое должно было присоединиться изначально. Нормальные пары оснований, А—Т и G—С удерживаются посредством водородных связей, но иногда электроны и атомы водорода, образующие эти связи, могут сдвигаться. Основание G способно временно принять форму G* и при репликации образовать стабильную пару с тимином (Т), а не с ци-тозином (С). При последующей репликации в данном месте появится пара А—Т и, следовательно, произойдет мутация:

Аналоги оснований — это мутагенные молекулы, очень похожие на обычные основания и способные встраиваться в ДНК. Например, 5-бромурацил (5-BU) подобен тимину и может встраиваться в ДНК как парное основание для аденина. Но иногда в нем происходит внутренний сдвиг, и тогда он принимает свойства цитозина. Если такой сдвиг происходит во время репликации ДНК, то с 5-BU соединяется гуанин. Еще через одну репликацию прежняя пара А—Т заменяется на G—С.

Другие мутагены постоянно изменяют строение оснований ДНК и, следовательно, влияют на их свойства образовывать пары. Например, азотистая кислота, бисульфит и гидроксиламин удаляют амин-ные группы (рис. 14.1). Они превращают аденин в гипоксантин, который образует пару с гуанином; цитозин превращается в урацил, который создает пары как тимин.

Рис. 14.1. Дезаминирующий агент, такой как азотистая кислота (NHO2), удаляет аминогруппу двух оснований, превращая их в основания, образующие неправильные пары Такие мутагены, как нитрозами-ны, добавляют к основанию метальную или этиль-ную группу. Например, когда гуанин превращается в О-метилгуанин, он иногда образует пару с тимином вместо цитозина, что тоже приводит к мутации. Нит-розамины обычно образуются в кислой среде желудка из нитритов, и это заставляет серьезно задуматься об употреблении нитритов в пищевой промышленности. (В 1976 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами США понизило допустимый уровень нитритов в мясных консервах с 200 до 50—125 ед. на миллион.) Эти виды повреждений, как и повреждения от 5-BU, происходят обычно при репликации, поэтому к действию этих агентов восприимчивы, прежде всего, делящиеся клетки.

Мы живем в мире, заполненном отходами и продуктами промышленного производства. Поэтому помимо известных мутагенов на наши ДНК воздействуют различные химические вещества, влияние которых еще не изучено и непредсказуемо. Так, при сгорании многих веществ образуется бензопирен, который ферментами печени преобразуется в форму, реагирующую с ДНК. Бензопирен образуется и при копчении продуктов, когда повара стремятся придать своим блюдам аппетитную поджаристую корочку. Многим нравится арахисовое масло, хотя на его поверхности образуется плесень, вырабатывающая афлатоксины, еще один класс мутагенов. Это одна из самых главных опасностей, подстерегающих тех, кто ест арахис и продукты из него. Но мы назвали только некоторые из известных опасных химических веществ современного мира, и наверняка есть много таких, о которых мы почти ничего или вовсе не знаем.

Система восстановления ДНК По мере развития жизни на нашей планете клетки постоянно встречались с различными мутагенами как в виде излучения, так и в виде химических веществ. Частота мутации должна находиться в пределах каких-то границ, поэтому давление отбора приводило к эволюции систем, способных восстанавливать повреждения в своей ДНК, а также исправлять случайные ошибки, которые постоянно происходят при репликации ДНК, поскольку механизм репликации далек от совершенства.

Одна из ферментных систем восстанавливает повреждения, вызванные ультрафиолетовым излучением. Когда ДНК поглощает ультрафиолетовый свет, соседние пиримидиновые основания одной цепи (например, тимин), образуют сложные соединения, подобные димеру тимина:

Ферменты распознают димер, вырезают его и заменяют другими основаниями. Но ультрафиолет, тем не менее, продолжает представлять опасность для ДНК, потому что многие вызванные им повреждения клетки устранить не могут. Основная угроза ультрафиолетового облучения — развитие рака кожи. Известно, что среди работающих на открытом воздухе, под лучами солнца, случаи рака кожи выше средних показателей. У фермеров, например, часто возникает рак кожи шеи, а у водителей грузовиков рак развивается чаще на левой руке, чем на правой. Данные о раке кожи в чем-то противоречат любимой привычке обитателей Северной Америки и Европы загорать и их представлениям о красоте смуглой кожи. Часто бывает так, что под воздействием солнечного излучения кожа становится сухой и дряблой, и в результате люди среднего возраста выглядят менее привлекательно и, конечно же, совсем не так, как они надеялись выглядеть, принимая солнечные ванны.

Некоторые наследственные заболевания человека связаны с неспособностью восстановления ДНК. Xeroferma pigmentosum (XP) — аутосомное рецессивное заболевание, поражающее примерно одного из 250 тыс. человек, характеризуется неспособностью восстанавливать повреждения, вызванные ультрафиолетовым излучением. Кожа людей с этим синдромом покрыта густыми веснушками, они очень чувствительны к свету, и у них чаще обычного развивается рак кожи. Жертвы другого синдрома, анемии Фанкони, имеют смугловатую кожу, невысокий рост и нарушения в строении скелета. Их кровяные клетки обновляются медленно, и потому возникают лейкемия, опухоли и различные хромосомные аберрации в кровяных клетках. Эти симптомы связаны с неспособностью некоторых ферментов связывать между собой цепи ДНК. Интересно, что их клетки менее подвержены мутациям, нежели обычные клетки.

Генетические последствия радиации

Ионизирующее излучение вызывает мутации любого рода — от точечных замен до хромосомных аберраций и разрывов. Поместив источники невысокой радиации в лесу, исследователи доказали, что постоянное излучение убивает и повреждает растения, а это может иметь далеко идущие экологические последствия.

Ужасные ядерные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки послужили источником сведений о долговременных последствиях воздействия радиации на людей. Для изучения этого вопроса в США и Японии была образована Комиссия по обследованию жертв атомной бомбардировки. Нелегко было следить за судьбой выживших на протяжении многих лет, определить их местонахождение относительно центра взрыва и рассчитать полученную ими дозу радиации. Особое внимание обращалось на четыре возможных нарушения: ненормальный исход беременности (рождение мертвого плода, серьезные врожденные пороки), смертность среди новорожденных, частота анеуплоидии (см. далее) половых хромосом детей и ненормальные варианты белков. Среди выживших жертв двух бомбардировок наблюдалось увеличение числа хромосомных повреждений и случаев заболевания раком, но, что удивительно, не очень высокое количество наследственных нарушений у потомства. Для того чтобы в полной мере оценить последствия радиации, нужно проследить за судьбой нескольких поколений и выявить рецессивные аллели или обнаружить эффект, вызываемый сразу несколькими повреждениями. Вместе с тем, казалось бы, доминантные мутации должны были сразу проявиться в следующем поколении, но таковых не наблюдалось. До сих пор нет подтверждений того, что радиоактивное воздействие атомных бомбардировок привело к появлению тяжелых наследственных заболеваний.

Тем не менее эксперименты на разных организмах, от бактерий до млекопитающих, доказывают, что различные виды облучения, вызванные применением атомного оружия, могут послужит причиной мутаций. Мутагенным воздействием обладает не только сам ядерный взрыв, но и различные частицы, переносимые на сотни и тысячи километров и выпадающие в виде радиоактивных осадков (содержащих, например изотоп стронций-90). Джеймс Кроу предположил, что по своим генетическим последствиям воздействие приблизительно 10 рентген на гонады каждого из 100 млн человек сравнимо с воздействием крупной аварии на атомной электростанции. И хотя его расчеты очень приблизительны, такая доза должна увеличить процент доминантных мутаций и мутаций, связанных с половыми хромосомами в значительное число раз (от 20 до 200), а это будет иметь серьезные последствия для населения.

Хотя радиация вызывает рак и другие нарушения у человека, подвергшегося ее воздействию, наибольшее беспокойство вызывает влияние радиации на клетки половых желез, в которых образуются сперматозоиды и яйцеклетки. Мутантные аллели, почти все вредоносные, могут передаться последующим поколениям и увеличить число генетически обусловленных заболеваний внутри вида. Конечно, после облучения мутантными становятся не все половые клетки. Мутации больше подвержены женские половые клетки, так как женщины рождаются уже с запасом будущих яйцеклеток. На протяжении всего репродуктивного периода они постоянно подвергаются воздействиям мутагенов. У мужчин сперматозоиды образуются постоянно, и хотя во время воздействия повышенной радиации мутации происходят чаще, после прекращения такого воздействия уровень мутаций новых сперматозоидов возвращается к норме.

Ядерное оружие по-прежнему представляет собой угрозу, хотя в последнее время люди все чаще испытывают беспокойство по поводу аварий на атомных электростанциях и их радиоактивных отходов. Среди самых известных — авария 1979 года близ Харрисберга (штат Пенсильвания), и авария 1986 года в Чернобыле. Они показали ошибочность хвастливых утверждений, что атомная энергетика — самый безопасный вид современных технологий. В ходе расследования инцидента в Харрисберге выяснилось, что низкий уровень радиации не так уж безвреден, как считалось ранее. Самое неприятное впечатление осталось от того рвения, с каким государственные чиновники стремились скрыть или приуменьшить размеры опасности радиации. Для проверки боеспособности войск в радиусе действия ядерного взрыва военное командование США намеренно организовало ряд учений, в которых воздействию радиации повергались тысячи солдат. Впоследствии центры по контролю заболеваний зафиксировали высокий уровень смертности от лейкемии среди участников этих учений. Лейкемия отмечалась также и у детей, родившихся в Юте во время наземных испытаний ядерного оружия в Неваде, причем частота заболеваний соответствовала графику испытаний. Обследования рабочих военных судостроительных заводов в Портсмуте показали, что из-за повышенного воздействия радиации, источником которой были атомные подводные лодки, увеличился уровень смертности и повысилась частота хромосомных повреждений. У рабочих военных судостроительных заводов Великобритании, доза облучения которых превышала нормативные 5 бэр в год, также наблюдалась повышенная частота хромосомных аберраций. После этого Национальная академия наук США объявила, что минимально допустимого уровня биологической опасности радиации не существует.

Как нам относиться к постоянно появляющимся в средствах массовой информации сенсационным рассказам о мутациях? К катастрофам на атомных электростанциях? К проблеме захоронения радиоактивных отходов, которые останутся радиоактивными на протяжении десятков тысяч лет? К тому, что весь город Порт-Хоуп в канадской провинции Онтарио заражен радиоактивным газом радоном, который образовался в результате захоронения отходов близлежащей компании по производству радиоактивных веществ? И хотя раковые заболевания чрезвычайно опасны, действие радиации не ограничивается мутациями в соматических клетках. Последствия мутаций половых клеток более непредсказуемы и потому значительно опаснее. Человечество подвергает себя серьезному риску непредвиденных генетических последствий, так как передаваемые по наследству мутации способны полностью изменить нас как биологический вид, и после какой-то стадии эти изменения будут уже практически необратимы. Существует ли на самом деле такая генетическая бомба с часовым механизмом, отсчитывающим последние мгновения до ужасной генной катастрофы? К сожалению, пока никто не может дать ответы на эти вопросы.

Хромосомные аберрации

Хромосомы содержат гены, расположенные в определенной последовательности. Фенотип организма зависит не только от тех или иных генов, но и от того, как они расположены относительно других генов. На первый взгляд это утверждение кажется странным. Если в ядре все хромосомы перемешаны, то, казалось бы, местоположение гена роли не играет; главное — то, что он присутствует. Поэтому генетики поначалу немало удивились, узнав, что перестройки хромосом могут привести к серьезным изменениям в экспрессии генов. Почему это происходит, во многом остается загадкой. О регуляции генов, упомянутой в гл. 11, мы знаем еще не очень много, но нам известно, что положительная или отрицательная регуляция генов осуществляется участками ДНК, расположенными от них на некотором удалении. Поэтому изменение местоположения гена может включить его в иную регуляторную систему. В любом случае перестановки последовательностей ДНК подобно их потерям и вставкам воздействуют на развитие половых клеток и на рост организма.

Хромосомные аберрации происходят вследствие физических разрывов хромосом и неправильного воссоединения их фрагментов. Делеция, или утрата участка хромосомы, происходит вследствие двух разрывов или отрыва конечного участка. Если ото рванный участок вставляется в обратной последовательности, мы имеем дело с инверсией:

Одновременный отрыв различных участков гомологичных хромосом и вставка одного из них позади другого может привести к делеции в одной хромосоме и к дупликации в другой:

И, наконец, оторванный участок может присоединиться не к той хромосоме, то есть происходит транслокация. (Иногда две негомологичные хромосомы меняются своими концами; в таком случае мы имеем дело со взаимной, или реципрокной, транслокацией.) В клетке может измениться и количество хромосом. Иногда вместо нормальной диплоидной клетки с двойным (2n) набором хромосом получаются триплоидная (Зn) или тетраплоидная (4n) клетки. Но чаще происходит умножение или утрата отдельной хромосомы, и тогда образуется анеуплоидный организм с набором хромосом 2п + 1 или 2n — 1. Мы уже встречались анеуплоидией половых хромосом и узнали, что она является следствием нерасхождения хромосом. В таком случае в диплоидном наборе может недоставать одной хромосомы (моносомия) или присутствуют три гомологичные хромосомы (трисомия). Половые хромосомы обладают достаточным «запасом прочности», чтобы выполнять при этом свои основные функции. Анеуплоиды по половым хромосомам выживают и даже имеют относительно нормальный фенотип. Однако аутосомные хромосомы имеют настолько сложную и хрупкую структуру, что их необычное распределение практически во всех случаях приводит к летальному исходу. Даже если некоторые анеуплоидные эмбрионы и выживают во время развития, то обладают явно выраженными уродствами.

Полиплоидия широко распространена среди растений, которые, по-видимому, не столь чувствительны к необычному набору хромосом. Есть три-плоидные растения вроде бананов. Большинство новых сортов растений тетраплоидны, то есть они произошли вследствие удвоения всего генома. При скрещивании близких растений часто возникают тетраплоиды, имеющие по одному полному диплоидному набору хромосом от каждого родительского вида. Впоследствии новые сорта могут утрачивать некоторые хромосомы, и поэтому их набор хромосом уже не соответствует точной комбинации родительских наборов.

Одно из противоречий научного прогресса заключается в том, что методы предродовой и послеродовой терапии, благодаря которым удалось снизить смертность среди новорожденных, одновременно увеличили вероятность рождения детей с наследственными дефектами. Многие из них происходят вследствие хромосомных аберраций.

Большинство страдающих бесплодием имеют хромосомные дефекты. Преждевременное прекращение беременности происходит приблизительно у 20% женщин, и в половине этих случаев у плода имеются хромосомные нарушения. По меньшей мере у 0,5% новорожденных отмечаются очевидные нарушения хромосом; многие нарушения настолько незаметны, что их нелегко распознать при современном уровне диагностики. По приблизительным оценкам, сегодня более чем у 10% детей имеются нарушения, которые требуют основательного лечения или хирургического вмешательства еще в младенчестве или в раннем детском возрасте. В это число не входят прекращения беременности на самой ранней стадии развития эмбриона, когда некоторые женщины даже не догадываются, что были беременны. Так что хромосомные аберрации отнюдь не редки, и они служат серьезным источником беспокойства и страданий.

Хромосомы человека

Под электронным микроскопом хромосомы человека выглядят как свитые в многочисленные петли куски толстой веревки. Каждая хромосома представляет собой длинную, непрерывную цепь ДНК, в скрученном виде окруженную особыми белками и молекулами РНК. Поначалу исследования хромосом {цитогенетика) ограничивались изучением хромосом растений и насекомых с малым числом крупных хромосом. У млекопитающих обычно бывает наоборот — большое количество небольших хромосом. С 1920-х до середины 1950-х годов было распространено мнение, что у человека 48 хромосом. (Когда Д. Сузуки, один из авторов этой книги, учился в колледже, ему говорили, что у кавказцев 48 хромосом, а мужчины — представители желтой расы имеют хромосомный набор Х0 и 47 хромосом!). Но в 1956 году шведские ученые Трийо и Леван провели ряд исследований и обнаружили, что в самых хорошо подготовленных клетках при самых благоприятных условиях всегда наблюдается 46 хромосом. С тех пор общепризнанным стало число 46. У приматов количество хромосом сравнимо с количеством хромосом у человека, у макак-резусов их 42; у шимпанзе, горилл и орангутанов — 48.

В гл. 5 мы уже говорили, что для получения кариотипа раствор белых кровяных клеток обрабатывают колхицином. На четких фотографиях видны различные хромосомы, которые можно распределить по порядку. Всем хромосомам человека присвоены порядковые номера, начиная с самой длинной (рис. 14.2). После длины самая заметная характеристика — положение центромеры, то есть участка, в котором хроматиды сцеплены между собой и к которому присоединяются нити веретена. Хромосомы с центромерами, расположенными приблизительно посередине, называются метацентрическими, как, например, первые три хромосомы человека. У акроцентрических хромосом центромеры расположены ближе к одному из концов и делят их на две неравных части, или «плечи» (как, например, хромосомы с 16 по 18). Бывают также телоцентрические хромосомы с центромерами практически на конце, у человека таких нет. У некоторых хромосом имеются сателлиты, небольшие участки, присоединенные к основной хромосоме такой тонкой нитью, что ее почти не видно.

Более отчетливое изображение можно получить посредством окрашивания. При окрашивании раствором Гимза становятся видны кольцевые полосы, или Гимза-диски; под действием других красителей появляются флуоресцентные полосы. Такие процедуры помогают опознать хромосомы среди других и выявить в них аберрации. В 1971 году на международной конференции в Париже была принята единая система определения и обозначения участков хромосом по их полосам Рис. 14.2. Хромосомы человека со стандартным рисунком Гимза-дисков. Длинные и короткие плечи обозначают бук вами p u g соответственно. Каждое плечо поделено на пронумерованные сегменты, определяемые располо-жени-ем Гимза-дисков. Отсчет сегментов начинается с центромеры. Конец длинного плеча первой хромосомы, например, обозначается как Iq44, а следующий сегмент— как Iq43

<<< НазадСодержаниеДальше >>>

medbookaide.ru