Генетический подход

Наличие и степень проявления генетических изменений характеризует мутагенную активность среды, а возможность сохранения генетических изменений в популяциях отражает эффективность функционирования иммунной системы организмов.
В норме большинство генетических нарушений распознаются и элиминируются клеткой, например путем апоптоза за счет внутриклеточных систем или посредством иммунной системы. Достоверное превышение спонтанного уровня таких нарушений является индикатором стресса. Генетические изменения могут выявляться на генном, хромосомном и геномном уровнях. Принято выделять следующие типы мутаций. Генные, или точковые, — их делят на две группы: замены оснований в ДНК и вставки или выпадения нуклеотидов, приводящие к сдвигу рамки считывания генетического кода. Генные мутации делят также на прямые и обратные (реверсии). Мутации типа сдвига рамки считывания значительно менее склонны к спонтанным реверсиям, чем мутации типа замен оснований. Хромосомные перестройки (аберрации) заключаются в различных нарушениях структуры хромосом. Геномные мутации — изменение количества хромосом в ядре.
Относительно просты, хорошо воспроизводимы и высокочувствительны генетические тесты, основанные на оценке измене

ния хромосом в соматических клетках (изменения кариотипа, хромосомные аберрации, сестринские хроматидные обмены, микроядра и др.).
Для выявления канцерогенов и мутагенов применяются краткосрочные генетические тесты.
Уже давно известно, что некоторые химические вещества способны вызывать рак у человека. Относительно недавно пришло и постоянно ширится понимание того, что химические вещества способны вызывать мутации в половых клетках человека, которые повышают частоту генетических или наследственных заболеваний. Многие тысячи химических веществ, включая фармакологические препараты, бытовые химические вещества и пищевые добавки, пестициды и нефтепродукты, уже присутствуют в окружающей среде, и каждый год в нее поступают все новые и новые химические соединения. Помимо этого существуют и природные химические вещества, относительно которых известно, что они обладают мутагенной и/или канцерогенной активностью (например, микотоксины, содержащиеся в пищевых продуктах). Поэтому важно, чтобы химические вещества, воздействию которых люди подвергаются преднамеренно (например, во время терапевтических процедур), в повседневной жизни (это, в частности, относится к бытовым химическим веществам, косметическим средствам и т. п.), по недосмотру или небрежности (как в случае с пестицидами), испытывались на способность вызывать рак и генетические нарушения (мутации).
Относительно немногие химические вещества идентифицированы в качестве канцерогенов благодаря установленной связи этих веществ с возникновением рака у человека. Однако канцерогенная активность обычно определяется на основании способности какого-либо вещества вызывать опухоль у лабораторных животных в результате воздействия на протяжении жизни. Исследования такого рода могут длиться в течение двух или трех лет и требуют дефицитных реактивов и высококвалифицированных специалистов. Это обстоятельство привело к поиску альтернативных путей выявления химических веществ, обладающих канцерогенными свойствами, в результате чего был разработан рад сравнительно недорогих тестов, во многих из которых вместо цельного организма млекопитающих используются другие биологические системы. Поскольку на проведение тестов уходит значительно меньше времени, чем на классические долгосрочные исследования на грызунах, их стали называть краткосрочными тестами.
Известно, что генетические дефекты являются причиной значительной доли заболеваний у человека, однако до сих пор не ясно, в какой мере присутствующие в окружающей среде химические вещества обусловливают генетические болезни. Это неудивительно, поскольку вероятность такой опасности для здоровья определяется на протяжении жизни по меньшей мере одного поколения.
Информация, определяющая признаки клетки или организма, содержится в генетическом материале клетки, состоящем из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК состоит из субъединиц — нуклеотидов, которые в свою очередь состоят из пятиуглеродного сахара (2-дезоксирибозы), остатка фосфорной кислоты и пуринового или пиримидинового азотистого основания. Эти субъединицы образуют в пространстве спиралевидную двунитчатую структуру. Каждая из двух нитей представляет собой последовательность молекул дезоксирибозы, связанных в цепь молекулами фосфорной кислоты. Обе нити связаны друг с другом водородными связями, располагающимися между комплементарными парами пуриновых и пиримидиновых оснований. Комплементарными парами оснований являются гуанин (пурин), который связан с цитозином (пиримидином), и аденин (пурин), связанный с тимином (пиримидином). Уникальная последовательность оснований, объединенных в тройки, или триплеты, образует генетический код: каждый триплет кодирует определенную аминокислоту. Последовательность триплетов и обеспечивает уникальность информации, необходимой для синтеза функционального белка или фермента. Такую функциональную последовательность оснований называют геномом. Генетическая информация передается от одного поколения клеток к другому путем точного удвоения нитей и равного разделения ДНК перед клеточным делением (митозом в соматических клетках или мейозом в половых), благодаря чему обеспечивается надежное наследование всех признаков каждым последующим поколением. Данный фундаментальный генетический процесс является общим для всех организмов — от простой клетки до сложного организма млекопитающего или растения. У эукариотических организмов длинные нити ДНК связаны с белками (гистонами) и организованы в отдельные сложные структуры, называемые хромосомами, которые располагаются в клеточном ядре.
Изменения информации, содержащейся в ДНК, возникают в результате изменений в структуре молекулы ДНК, отчего последовательность оснований, передающаяся следующему поколению, оказывается нарушенной; это в свою очередь может приводить к появлению потомков, отличающихся по своим признакам от родителей. Такие изменения называются мутациями, и, хотя многие мутации вредны, некоторые из них совместимы с нормальным, здоровым состоянием и обусловливают лишь мелкие различия между особями одного вида.

Мутации такого вида являются движущей силой эволюции.
Мутагенные химические вещества взаимодействуют с ДНК, вызывая изменения в ее структуре. Эти процессы могут приводить к потере, увеличению или замене оснований, изменяя тем самым их расположение в ДНК и влияя на точность передаваемой генетической информации.
Почти все краткосрочные методы, позволяющие получить результаты в течение максимум нескольких недель, основаны на демонстрации хромосомных повреждений, генных мутаций или повреждения ДНК, при этом многие из них являются тестами in vitro (т. е. проводятся на экспериментальных биологических системах без использования целостных живых организмов). В этих тестах применяется очень широкий спектр организмов — от бактерий и дрожжей до насекомых, растений и культивируемых клеток млекопитающих. Существуют также краткосрочные тесты, в которых лабораторные животные подвергаются воздействию изучаемого химического вещества на протяжении периодов от нескольких часов до недель.
Хотя в литературе описано более сотни тест-систем для исследования генотоксичности, охватывающих различные организации живого — от бактериофага до млекопитающих, регулярно применяются менее 20 из них, а некоторые доступны лишь в специализированных лабораториях.
Чаще всего для выявления мутагенных химических веществ применяются тесты с использованием бактерий; эта группа тестов в целом и наиболее апробирована. В отличие от эукариотических организмов, у которых ДНК организована в сложные хромосомные структуры, у бактерий присутствует лишь одна кольцевая молекула ДНК, которая легкодоступна для химических веществ, проникающих сквозь клеточную стенку. Бактериальные тесты имеют также то преимущество, что в одном опыте может быть получена популяция, состоящая из многих миллионов клеток с относительно коротким периодом размножения. В классическом варианте используются штаммы бактерии, уже имеющие мутации по определенным генам. Мутации, индуцированные тестируемым веществом, так называемые обратные мутации, выявляются в результате роста таких «ревертантных» бактерий с образованием колоний в соответствующей селективной среде. Бактериальные тесты могут быть использованы для выявления мутагенных метаболитов в биологических жидкостях (например, в моче, цельной крови, плазме) животных или людей, подвергшихся воздействию химических факторов.
Наиболее часто употребляемым в оценке степени мутагенности среды тестом является тест Эймса. Для создания тест-системы Б. Н. Эймсом и его сотрудниками были сконструированы специальные штаммы бактерий. Все штаммы происходят от лабораторного штамма Salmonella typhimurium LT2, у которого были выделены ауксотрофные по гистидину (незаменимая аминокислота) мутанты his G-46 (мутация замены оснований в his G-гене гисти-

динового оперона) и his D-3052 (мутации типа сдвига рамки считывания в гене D).
На основе штаммов сальмонеллы были созданы полуколиче- ственные и количественные тесты для оценки мутагенной активности. Количественные тесты целесообразно использовать в целях определения частоты мутаций, а также в тех случаях, когда исследуемые вещества являются высокотоксичными и вызывают гибель большей части клеток тест-объекта. Поэтому наиболее широкое распространение получил ставший классическим полуколи- чественный тест Эймса с метаболической активацией in vitro (или, как его иногда еще называют, тест Эймса сальмонелла/микросо- мы).
Непрямым доказательством повреждения ДНК в клетках млекопитающих может служить проявление репарационной активности ДНК. Репарация ДНК может быть выявлена с помощью простого теста на культивируемых клетках млекопитающих, основанного на измерении «репарационного», или «внепланового», синтеза ДНК. В его основе лежит следующее явление: тими- дин включается в ДНК в процессе как нормального, так и репарационного синтеза. Клетки, подвергшиеся воздействию предполагаемого химического мутагена, обрабатывают тимидином, меченным радиоактивным изотопом (тритием), на такой стадии клеточного цикла, когда нормального синтеза ДНК не происходит или он подавлен. Количество меченого тимидина, обнаруженного в ДНК, является показателем репарационного синтеза и, следовательно, отражает степень первичного повреждения ДНК.
Химические вещества можно оценить в отношении их способности индуцировать хромосомные повреждения у растений, насекомых и млекопитающих. Для млекопитающих обычной тест-системой является культура клеток, можно использовать какую-либо перевиваемую клеточную линию или культуру лимфоцитов человека. Для изучения повреждения хромосом in vivo хорошо разработан метод анализа метафазных хромосом в клетках костного мозга крыс, мышей или хомячков. Кроме того, хромосомные фрагменты в некоторых клетках костного мозга и других тканей можно идентифицировать в виде микроядер: так называемый микроядер- ный тест зарекомендовал себя как сравнительно простой метод выявления химических веществ, способных индуцировать хромосомные повреждения.
Благодаря огромным успехам, достигнутым в области применения в генетической токсикологии тестов с использованием микроорганизмов и клеток млекопитающих, растительные объекты стали применяться в таких исследованииях значительно реже, чем раньше. Однако некоторые растения, например конские бобы (Vicia faba), лук (Allium сера), традесканция (Tradescantia paludosa), ку

куруза (Zea mays), ячмень (Hordeum vulgare), соя (Glycine max), могут обладать существенными преимуществами по сравнению с другими тест-системами, в частности при скрининге химических веществ на мутагенность (их роль до конца пока не выяснена). Исследование генетических изменений как на генном, так и на хромосомном уровне можно проводить на растениях без использования сложного лабораторного оборудования, необходимого для постановки других тестов, что при некоторых обстоятельствах может оказаться большим преимуществом. Возможным недостатком этих тестов является существенное различие метаболизма растений и млекопитающих. Следовательно, в настоящее время еще рано ставить вопрос о возможности достоверной экстраполяции на человека результатов, полученных в экспериментах на растениях. 

Еще по теме Генетический подход:

1. 3.3. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА И УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА
2. ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ПОДХОД
3. Необходимость комплексного подхода к изучению эволюции
4. Методологические подходы к изучениюструктурно-функциональной организации микробныхсообществ в наземных экосистемах
5. СУКЦЕССИОННЫЙ подход
6. Меланизм у бабочек — подход a posteriori
7. 3.4. Примеры априорного подхода
8. б.              КОЛЕБАНИЯ ГРАНИЦ И ВЕРОЯТНОСТНЫЙ ПОДХОД К БИОТОПУ
9. Подход классического физика к предмету
10. Подход к предмету у наивного физика
11. 5-9. Экспериментальная эволюция. Подходы иных биологов
12. Свойства агрогенных почв и подходы к их классификации
13. Глава 4. Инженерный подход в природопользовании. Надорганизменная бионика
14. Использование разработанных подходов и методовдля экологической оценки микробныхсообществ наземных экосистем
15. ВЛИЯНИЕ ФРАГМЕНТАЦИИ БОЛОТ НА БИОРАЗНООБРАЗИЕ(ПТИЦЫ И БАБОЧКИ): ГОЛЛАНДСКИЙ ПОДХОД
16. Глава 3. Инженерный подход при конструировании исследовательского оборудования. Принципы ТРИЗ
17. Сравнение структурно-функциональной организациимикробных сообществ различных природных зон:географический подход
18. Генетический код
19. 5-13. Генетический поиск и норма
20. 8.2.7. Генетический контроль развития