Причины мутаций: мутагены и их действие

В 1927 г. Герман Мёллер облучил рентгеновскими лучами самцов дрозофилы и получил за несколько месяцев больше мутаций, чем все генетики мира нашли за предыдущие 17 лет работы с этой мухой. Через двадцать лет он получил Нобелевскую премию, а в нобелевской лекции предупредил об опасности бесконтрольного облучения людей. Мёллер одним из первых понял: мутации возникают не только сами по себе — их частоту можно резко повысить внешними воздействиями. Такие воздействия называют мутагенами. Сегодня известны тысячи мутагенов — от солнечного ультрафиолета и табачного дыма до вирусов и собственных ферментов клетки.

Это десятая статья серии «Изменчивость: генотип, среда и мутации» (предыдущая — «Геномные мутации: полиплоидия и анеуплоидия»). В ней разобраны причины спонтанных мутаций, физические, химические и биологические мутагены, механизмы их действия на ДНК, опыт Мёллера, последствия радиационных катастроф, ультрафиолет и пигментная ксеродерма, тест Эймса, мутагены в быту, индуцированный мутагенез в селекции и связь мутагенов с раком.

• 1. Мутагенез и мутагены
• 2. Откуда берутся спонтанные мутации
• 3. От повреждения ДНК к мутации
• 4. Опыт Мёллера: мутации можно вызвать
• 5. Ионизирующее излучение
• 6. Опыт «мегамышь»: как узнали о роли мощности дозы
• 7. Как люди узнали об опасности излучения
• 8. Как облучение помогло узнать размер гена
• 9. Радиация в космосе и в самолёте
• 10. Облучение и организм: лучевая болезнь
• 11. Чему научили Хиросима, Нагасаки и Чернобыль
• 12. Ультрафиолетовое излучение
• 13. Температура и другие физические факторы
• 14. Химические мутагены
• 15. Как проверяют лекарства на мутагенность
• 16. Природные химические мутагены
• 17. Мутагены и тератогены: в чём разница
• 18. Тест Эймса: как проверить вещество на мутагенность
• 19. Мутагены в повседневной жизни
• 20. Какую долю мутаций дают естественные мутагены
• 21. Биологические мутагены
• 22. Мутанты в кино и в жизни
• 23. Защита от мутагенов
• 24. Индуцированный мутагенез в селекции
• 25. Мутагенез как метод генетики
• 26. Мутации и старение
• 27. Мутагены и рак
• 28. Итог: что важно знать
• 29. Частые ошибки
• 30. Интересные факты
• 31. Частые вопросы
• 32. ЕГЭ
• 33. Для олимпиад
• 34. Задания с разбором
• Литература

1. Мутагенез и мутагены

Мутации делят по происхождению на спонтанные и индуцированные. Спонтанные возникают в обычных условиях жизни организма без явного внешнего воздействия, индуцированные — под действием мутагенов. Граница между ними условна: в «обычных условиях» на организм тоже действуют естественные мутагены — радиационный фон, ультрафиолет, вещества пищи, продукты собственного обмена веществ.

Мутагены принято делить на три группы.

Мутагены действуют на любые клетки. Если мутация возникла в соматической клетке, она может привести к опухоли или к старению ткани, но не передастся потомкам. Если в половых клетках или их предшественниках — может передаться следующему поколению. Поэтому особенно опасно облучение и действие химических мутагенов на половые органы и на зародыш.

Важно помнить: мутагены ненаправленно повышают частоту мутаций. Облучение не «знает», какой ген нужно изменить, и не создаёт приспособительных изменений. Оно лишь увеличивает число случайных повреждений ДНК, а значит, и число мутаций во всех генах.

2. Откуда берутся спонтанные мутации

ДНК — не вечная молекула. Даже без внешних мутагенов в каждой клетке человека ежедневно происходят десятки тысяч повреждений ДНК. Почти все они исправляются системами репарации, но небольшая часть превращается в мутации. Главные источники спонтанных мутаций таковы.

• Ошибки репликации. ДНК-полимераза ставит неправильный нуклеотид примерно один раз на 10⁴–10⁵ нуклеотидов. Собственная «корректорская» активность фермента исправляет большинство ошибок, а система исправления неспаренных оснований — ещё часть, так что в итоге остаётся около одной ошибки на миллиард нуклеотидов за деление.
• Таутомерные сдвиги оснований. Основания ДНК изредка переходят в редкую форму, в которой меняется расположение атома водорода, — и спариваются «не с тем» партнёром (например, редкая форма тимина спаривается с гуанином). Если в этот момент идёт репликация, в новую цепь встраивается неправильный нуклеотид. Эту причину замен предложили ещё Уотсон и Крик в 1953 г.
• Самопроизвольная утрата оснований (депуринизация). Связь пуриновых оснований с дезоксирибозой довольно непрочна; в клетке человека за сутки теряется порядка 10 000 пуринов. На месте утраченного основания остаётся «пустое» место, напротив которого при репликации может встать любой нуклеотид.
• Дезаминирование — отщепление аминогруппы: цитозин превращается в урацил, метилированный цитозин — в тимин, аденин — в гипоксантин. Это даёт замены нуклеотидов.
• Окислительные повреждения. При клеточном дыхании образуются активные формы кислорода — супероксид, пероксид водорода, гидроксильные радикалы. Они окисляют основания; самое частое повреждение — 8-оксогуанин, спаривающийся с аденином, что приводит к замене Г–Ц на Т–А.
• Ошибки рекомбинации и расхождения хромосом — источник хромосомных и геномных мутаций.
• Мобильные генетические элементы, перемещаясь, встраиваются в гены.
• Собственные ферменты клетки. В иммунных клетках ферменты специально вносят мутации в гены антител, чтобы создать их разнообразие. Иногда родственные ферменты (семейство APOBEC) по ошибке действуют на другие гены — их «подпись» находят во многих опухолях.

Отсюда важный вывод: даже в идеально «чистой» среде мутации неизбежны. Сама химия ДНК и жизнь клетки — постоянный источник изменений. Мутагены внешней среды добавляются к этому фону.

3. От повреждения ДНК к мутации

Важно различать два понятия: повреждение ДНК и мутацию. Повреждение — химическое изменение молекулы: сшитые основания, окисленный гуанин, разрыв цепи. Мутация — изменение последовательности нуклеотидов, которое копируется при репликации. Повреждение становится мутацией не всегда.

1. Мутаген вызывает повреждение ДНК.
2. Если клетка успевает его исправить (репарация), мутации не будет.
3. Если повреждение не исправлено к моменту репликации, ДНК-полимераза либо останавливается (клетка может погибнуть), либо проходит повреждённый участок. Для этого у клеток есть особые полимеразы «синтеза через повреждение»: они работают неточно и часто вставляют неправильные нуклеотиды.
4. После репликации неправильный нуклеотид в новой цепи и его комплементарный партнёр при следующем копировании образуют новую пару — мутация закрепляется в обеих цепях и становится наследуемой.

У бактерий при сильном повреждении ДНК включается особая программа — SOS-ответ: синтезируются ферменты репарации и неточные полимеразы. Клетка «соглашается» на мутации, чтобы выжить. Поэтому после облучения ультрафиолетом частота мутаций у бактерий растёт не только из-за самих повреждений, но и из-за работы неточных полимераз. Это ещё одна иллюстрация ненаправленности мутагенеза: клетка не выбирает, какие мутации возникнут.

4. Опыт Мёллера: мутации можно вызвать

До 1927 г. мутации считались редкими и непредсказуемыми событиями, на которые человек не может повлиять. Герман Мёллер решил проверить, влияет ли на их частоту рентгеновское излучение [1]. Чтобы точно подсчитать мутации, он разработал специальные линии дрозофил, позволявшие выявлять рецессивные летальные мутации в X-хромосоме: если в облучённой X-хромосоме самца возникала такая мутация, в потомстве его дочерей не было сыновей с этой хромосомой (метод описан в статье серии о мутационной изменчивости).

Результат был поразительным: облучение повышало частоту мутаций в десятки и сотни раз, и частота росла пропорционально дозе. Среди потомков облучённых мух появлялись и видимые мутанты — с зачаточными крыльями, белыми глазами, изменённой окраской тела, как на рисунке (1 — муха дикого типа; 2 — с зачаточными крыльями; 3 — с белыми глазами). Мёллер показал также, что облучение вызывает хромосомные перестройки.

Почти одновременно, в 1925 г., советские микробиологи Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов получили наследственные изменения у дрожжей и плесневых грибов под действием радия и рентгеновских лучей, а в 1928 г. американский генетик Льюис Стадлер — у ячменя и кукурузы. Мутагенез стал управляемым процессом, и в генетике начался новый этап: исследователи могли получать мутации в нужном количестве для изучения генов.

5. Ионизирующее излучение

Ионизирующим называют излучение, энергии которого хватает, чтобы выбить электроны из атомов и молекул: рентгеновское и гамма-излучение, потоки альфа- и бета-частиц, нейтронов. Оно действует на ДНК двумя путями.

• Прямое действие — частица или квант попадает непосредственно в молекулу ДНК и разрывает химические связи.
• Косвенное действие — излучение расщепляет молекулы воды (радиолиз), образуются очень активные гидроксильные радикалы, которые повреждают основания и разрывают цепи ДНК. Поскольку клетка на 70–80 % состоит из воды, косвенное действие преобладает.

Самое опасное повреждение — двунитевой разрыв, когда разорваны обе цепи ДНК. Клетка соединяет концы, но иногда неправильно, — так возникают хромосомные перестройки: делеции, инверсии, транслокации, кольцевые и дицентрические хромосомы. Поэтому ионизирующее излучение особенно сильно вызывает хромосомные мутации, а повреждение оснований даёт и генные.

Для генетических последствий облучения важны несколько закономерностей.

• Нет безопасного порога. Частота генных мутаций растёт пропорционально дозе начиная с самых малых доз: каждая дополнительная доза добавляет свою долю мутаций. Поэтому даже небольшое облучение (например, при рентгеновском исследовании) стараются делать как можно меньше и закрывают области тела, которые облучать не нужно.
• Важна мощность дозы. Одна и та же доза, полученная за короткое время, вызывает больше мутаций, чем растянутая на долгий срок: при медленном облучении системы репарации успевают исправлять повреждения.
• Делящиеся клетки чувствительнее. Особенно уязвимы кроветворные клетки, клетки эпителия кишечника, половые клетки и зародыш.

Дозу облучения измеряют в греях (Гр) — поглощённая энергия, джоуль на килограмм — и в зивертах (Зв), учитывающих биологическое действие разных видов излучения. Естественный радиационный фон (космические лучи, радиоактивные элементы почвы и строительных материалов, радон в воздухе помещений, калий-40 в собственном теле) даёт в среднем около 2–3 миллизивертов (мЗв) в год. Рентгенограмма грудной клетки — около 0,1 мЗв, компьютерная томография — несколько мЗв. Острое облучение дозой в несколько зивертов вызывает лучевую болезнь.

6. Опыт «мегамышь»: как узнали о роли мощности дозы

Чтобы оценить генетический риск облучения для людей, американские генетики Уильям и Лиэн Расселл в 1950–1960-е гг. провели в Ок-Риджской национальной лаборатории один из самых масштабных опытов в истории генетики — проект «мегамышь». Через него прошли миллионы мышей. Самцов облучали, скрещивали с самками, несущими рецессивные аллели семи генов окраски шерсти и формы ушей, и просматривали потомство в поиске новых мутаций по этим генам.

Опыт дал несколько важных результатов. Частота мутаций у мышей на единицу дозы оказалась в 10–15 раз выше, чем у дрозофилы, — значит, данные о мухах нельзя напрямую переносить на млекопитающих. При растянутом облучении (малой мощности дозы) мутаций было в несколько раз меньше, чем при той же дозе, полученной быстро, — клетки успевали исправлять повреждения. Если между облучением самца и спариванием проходило несколько недель, частота мутаций у потомства снижалась: облучённые зрелые сперматозоиды успевали смениться новыми, образованными из стволовых клеток, где часть повреждений была исправлена. На основании этих данных людям, получившим значительную дозу, рекомендуют отложить зачатие на несколько месяцев.

7. Как люди узнали об опасности излучения

Рентгеновские лучи открыли в 1895 г., радиоактивность — в 1896 г., и первые десятилетия к ним относились беспечно. Врачи и инженеры-рентгенологи облучали собственные руки, настраивая аппараты, и у многих развивались язвы и рак кожи. Работницы американских часовых фабрик в 1910–1920-е гг. наносили на циферблаты светящуюся краску с радием, облизывая кисточки; у многих из них развились опухоли костей и челюстей. Мария Склодовская-Кюри, открывшая радий и полоний, умерла в 1934 г. от апластической анемии, вероятно вызванной многолетним облучением; её лабораторные тетради до сих пор хранят в свинцовых ящиках.

Опыты Мёллера показали, что опасность касается не только облучённого человека, но и его будущих детей. После атомных бомбардировок 1945 г. и испытаний ядерного оружия радиационная генетика стала одной из важнейших наук: были созданы нормы радиационной безопасности. Сейчас для населения предел дополнительного облучения от техногенных источников — 1 мЗв в год, для работников атомной отрасли и рентгенологов — в среднем 20 мЗв в год.

8. Как облучение помогло узнать размер гена

В 1935 г. советский генетик Н. В. Тимофеев-Ресовский, работавший тогда в Берлине, вместе с физиком Карлом Циммером и молодым физиком-теоретиком Максом Дельбрюком опубликовал работу «О природе генных мутаций и структуре гена». Анализируя, как частота мутаций у дрозофилы зависит от дозы и вида излучения, они применили «теорию мишени»: мутация возникает, если ионизация произошла внутри небольшого чувствительного объёма — гена. Из линейной зависимости «доза — частота» они оценили размер этого объёма — он соответствовал крупной молекуле из примерно тысячи атомов. Это был первый довод в пользу того, что ген — это молекула. Работа вдохновила физика Эрвина Шрёдингера на книгу «Что такое жизнь?» (1944), которую позже называли одной из причин прихода многих физиков, в том числе Фрэнсиса Крика, в биологию.

9. Радиация в космосе и в самолёте

Атмосфера и магнитное поле Земли защищают нас от большей части космического излучения — потока быстрых протонов и ядер. На высоте полёта пассажирского самолёта доза примерно в 100 раз выше, чем на уровне моря: перелёт через Атлантику даёт около 0,05 мЗв. Экипажи самолётов получают за год несколько миллизивертов, и их относят к людям, работающим в условиях повышенного облучения.

На Международной космической станции космонавты получают около 0,5–1 мЗв в сутки — столько же, сколько человек на Земле получает за полгода природного фона. Полёт к Марсу и обратно дал бы, по оценкам, около 0,7 зиверта. Поэтому защита от космической радиации — одна из главных задач будущих межпланетных полётов. В клетках крови космонавтов после длительных полётов находят повышенное число хромосомных перестроек — те же «биологические дозиметры», что применяют после радиационных аварий.

10. Облучение и организм: лучевая болезнь

Мутагенное действие излучения проявляется отдалённо — через годы (опухоли) или в следующих поколениях. Но при больших дозах облучение действует быстро, убивая делящиеся клетки. Острая лучевая болезнь развивается при облучении всего тела дозой больше 1 Гр за короткое время. Сначала страдает кроветворение: в костном мозге гибнут клетки-предшественники, и через несколько недель в крови становится мало лейкоцитов и тромбоцитов, возникают кровотечения и тяжёлые инфекции. При дозах больше 6–10 Гр поражается эпителий кишечника, а при ещё больших — нервная система. Именно так погибли многие пожарные и сотрудники станции в первые недели после Чернобыльской аварии.

Отсюда видно, почему делящиеся ткани особенно чувствительны: излучение повреждает ДНК, и клетки, которым нужно часто копировать её, гибнут или накапливают мутации. Этот же принцип используют в лучевой терапии опухолей: облучают опухоль, клетки которой делятся быстрее окружающих тканей.

11. Чему научили Хиросима, Нагасаки и Чернобыль

Самые полные данные о действии облучения на человека получены при наблюдении за выжившими после атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки в 1945 г. За ними и их детьми больше 70 лет следит японско-американский фонд исследований радиационных эффектов [2].

• У самих облучённых достоверно выросла частота лейкозов (уже через несколько лет) и затем — солидных опухолей (рака лёгких, желудка, щитовидной и молочной желёз), причём риск рос с дозой.
• У облучённых в утробе матери детей чаще встречались умственная отсталость и малый размер головы, особенно если облучение пришлось на 8–15-ю неделю беременности.
• У детей, зачатых после бомбардировок облучёнными родителями, до сих пор не удалось обнаружить достоверного повышения частоты врождённых пороков, хромосомных болезней, рака или смертности по сравнению с детьми необлучённых родителей. Генетические последствия, вероятно, есть, но они слишком малы, чтобы выявить их даже на десятках тысяч детей.

Этот результат опровергает распространённый миф о массовом рождении «детей-мутантов» после радиационных катастроф. Он не означает, что облучение безвредно для потомства: опыты на мышах однозначно показывают рост частоты мутаций в половых клетках. Но риск для потомства оказался значительно меньше, чем опасались в 1950-е гг.

После аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. главным медицинским последствием для населения стал резкий рост рака щитовидной железы у детей и подростков: радиоактивный иод-131, попавший в молоко, накапливался в щитовидной железе. Многие тысячи случаев были выявлены у тех, кто был ребёнком в 1986 г. Последствия для ликвидаторов, получивших высокие дозы, — лучевая болезнь, повышенный риск лейкозов и катаракты. Изучение детей ликвидаторов методами чтения генома не выявило заметного роста числа новых мутаций [3].

12. Ультрафиолетовое излучение

Ультрафиолет не ионизирует атомы, но его энергию хорошо поглощают основания ДНК. Самое частое повреждение — пиримидиновые димеры: два соседних пиримидина одной цепи (чаще два тимина) сшиваются ковалентными связями. Двойная спираль в этом месте искривляется, и ДНК-полимераза не может нормально прочитать участок. Если димер не исправлен, при репликации напротив него часто встраиваются неправильные нуклеотиды; типичная «подпись» ультрафиолета — замены Ц на Т, в том числе двойные (ЦЦ → ТТ).

Ультрафиолет плохо проникает в ткани, поэтому у многоклеточных он повреждает в основном клетки кожи и глаз. Основная опасность — коротковолновая часть солнечного ультрафиолета (УФ-B). Именно ей приписывают большинство случаев рака кожи, в том числе меланомы: в геномах меланом находят десятки тысяч мутаций с характерной ультрафиолетовой подписью [4].

У бактерий и одноклеточных ультрафиолет — сильный мутаген и одновременно губительный фактор: им обеззараживают воздух в больницах, воду, поверхности. На этом основан простой опыт.

На рисунке чашки Петри с колониями бактерий. Чашка 1 — контроль: клетки не облучали, мутантные колонии появляются в основном вследствие спонтанных мутаций. Чашка 2 — клетки дикого типа после малой дозы ультрафиолета: большинство выжило, и среди колоний больше мутантных, чем в контроле. Чашка 3 — те же клетки после большой дозы: часть погибла, у выживших повреждения частично исправлены репарацией. Чашка 4 — клетки штамма, не способного вырезать из ДНК участки с тиминовыми димерами, облучённые той же дозой, что и на чашке 3: выжили единицы. Опыт показывает, что ультрафиолет одновременно повышает частоту мутаций и убивает клетки, а выживание зависит от работы систем репарации.

Пигментная ксеродерма

Значение репарации для защиты от ультрафиолета ярко видно у людей с наследственной болезнью — пигментной ксеродермой. Это редкое аутосомно-рецессивное заболевание. В 1968 г. американский исследователь Джеймс Кливер показал, что клетки таких больных не способны вырезать повреждённые ультрафиолетом участки ДНК [5]. У больных уже в детстве на открытых участках кожи появляются множественные пигментные пятна, а риск рака кожи повышен более чем в тысячу раз. Им приходится полностью избегать солнца, а дети с пигментной ксеродермой иногда живут «ночной» жизнью. Болезнь вызывается мутациями в любом из нескольких генов эксцизионной репарации — это пример генокопий.

Ультрафиолет и человек

Загар — приспособительная модификация, защищающая кожу: меланин поглощает ультрафиолет. Но сам загар появляется в ответ на повреждение ДНК, и солнечные ожоги, особенно в детстве, повышают риск меланомы. Отсюда простые правила: избегать солнечных ожогов, использовать солнцезащитные средства и одежду, не злоупотреблять соляриями. С другой стороны, умеренное солнце необходимо для синтеза витамина D — ещё один пример того, что действие фактора среды зависит от дозы.

13. Температура и другие физические факторы

Повышенная температура ускоряет все химические реакции, в том числе самопроизвольное разрушение ДНК: дезаминирование цитозина и утрату пуринов. Поэтому у дрозофил, выращенных при повышенной температуре, частота мутаций выше, чем при обычной; это показали ещё в 1920–1930-е гг. Бактерии и археи, живущие в горячих источниках при 80–100 °C, имеют особенно мощные системы репарации и белки, стабилизирующие ДНК, — иначе их геном быстро бы разрушился.

Механические воздействия, электромагнитные поля бытовых приборов и мобильных телефонов, ультразвук не обладают энергией, достаточной для разрыва химических связей в ДНК, и мутагенами не являются. Это важно помнить, оценивая многочисленные страхи вокруг «излучения» бытовых приборов: мутагенным действием обладает только излучение, энергии кванта которого хватает для изменения молекул ДНК, — ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-излучение и потоки частиц.

14. Химические мутагены

Мутагенное действие химических веществ открыли в 1940-е гг. почти одновременно два исследователя. В Эдинбурге Шарлотта Ауэрбах, работавшая с военными отравляющими веществами, обнаружила, что иприт («горчичный газ») вызывает у дрозофилы мутации так же эффективно, как рентгеновское излучение [6]. Работа была засекречена и опубликована только в 1946 г. В Москве И. А. Рапопорт в те же годы показал мутагенное действие формальдегида, а затем открыл ряд мощных химических мутагенов — «супермутагенов» (этиленимин, нитрозоалкилмочевины), повышающих частоту мутаций в сотни раз.

Химические мутагены очень разнообразны. Их удобно разделить по механизму действия.

Многие вещества сами по себе не мутагенны, но становятся мутагенами после превращений в организме. Например, бензпирен из табачного дыма и подгоревшей пищи в печени и лёгких окисляется ферментами, которые должны обезвреживать чужеродные вещества, — и именно продукт этого превращения связывается с ДНК. Афлатоксин, вырабатываемый плесневыми грибами на неправильно хранившемся арахисе и зерне, в печени превращается в соединение, вызывающее мутации в гене TP53; в районах, где корма и продукты загрязнены афлатоксином, рак печени встречается особенно часто.

Химические мутагены используют и в медицине: многие противоопухолевые препараты (циклофосфамид, цисплатин) повреждают ДНК быстро делящихся опухолевых клеток. Обратная сторона — повышенный риск вторичных опухолей у вылеченных больных и вред для половых клеток; поэтому перед химиотерапией молодым людям предлагают заморозить сперму или яйцеклетки.

15. Как проверяют лекарства на мутагенность

Прежде чем новое лекарство, пищевая добавка или пестицид будет разрешено, его проверяют набором тестов. Обычно в него входят:

• тест Эймса на бактериях — для выявления генных мутаций;
• тест на клетках млекопитающих в культуре — подсчёт хромосомных перестроек или микроядер (маленьких дополнительных ядер, в которых оказываются обломки хромосом или отставшие хромосомы);
• тест на животных — подсчёт микроядер в эритроцитах мышей или крыс после введения вещества.

Если вещество даёт положительный результат хотя бы в одном тесте, его изучают дальше или отказываются от него. Противоопухолевые препараты — исключение: они специально повреждают ДНК, и для них оценивают соотношение пользы и риска.

16. Природные химические мутагены

Многие сильные мутагены — не продукты химической промышленности, а природные вещества.

• Аристолохиевая кислота — вещество растений рода кирказон, которые веками использовали в народной медицине. В 1990-е гг. в Бельгии у женщин, принимавших «травяные» средства для похудения с примесью кирказона, развились тяжёлые поражения почек и опухоли мочевых путей. Позже выяснилось, что аристолохиевая кислота связывается с аденином ДНК и вызывает характерные замены А на Т; та же «подпись» найдена в опухолях у жителей Балканских деревень, где кирказон засорял поля пшеницы, и у многих больных в Азии, принимавших традиционные растительные средства.
• Птаквилозид папоротника-орляка вызывает опухоли у скота, поедающего этот папоротник.
• Афлатоксины плесневых грибов — одни из самых сильных известных природных канцерогенов.
• Нитрозамины образуются в организме из нитритов (например, добавленных в колбасы) и белков пищи в кислой среде желудка.

Отсюда важный вывод: «натуральное» не значит «безопасное». Растения и грибы производят множество ядовитых и мутагенных веществ для защиты от животных, и их действие на человека нужно проверять так же строго, как действие синтетических веществ.

17. Мутагены и тератогены: в чём разница

Часто путают мутагены и тератогены — факторы, вызывающие пороки развития зародыша. Это разные понятия.

Некоторые факторы — и мутагены, и тератогены (например, ионизирующее излучение у облучённого в утробе плода). Но талидомид, вызвавший в 1950–1960-е гг. рождение тысяч детей с недоразвитием конечностей, — тератоген, а не мутаген: дети этих детей рождались здоровыми, так как генотип не был изменён. Алкоголь во время беременности тоже действует как тератоген, вызывая фетальный алкогольный синдром.

18. Тест Эймса: как проверить вещество на мутагенность

Каждый год появляются тысячи новых химических веществ — лекарств, красителей, пестицидов, пищевых добавок. Как быстро узнать, не являются ли они мутагенами? В 1973 г. американский биохимик Брюс Эймс предложил простой тест на бактериях [7].

1. Используют штамм сальмонеллы с мутацией, из-за которой бактерия не может синтезировать аминокислоту гистидин и не растёт на среде без неё.
2. Бактерии высевают на среду без гистидина вместе с исследуемым веществом. Вырасти могут только клетки, у которых произошла обратная мутация, восстановившая синтез гистидина.
3. Если вещество мутагенно, обратных мутаций и колоний будет намного больше, чем в контроле без вещества.
4. К бактериям добавляют экстракт ферментов печени крысы: так проверяют, не станет ли вещество мутагеном после превращения в организме, как бензпирен.

Эймс и его коллеги проверили сотни веществ и показали, что подавляющее большинство известных канцерогенов (веществ, вызывающих рак) — мутагены. Работа называлась «Канцерогены — это мутагены». Тест Эймса до сих пор входит в обязательную проверку новых лекарств и химических продуктов во многих странах: дешёвый бактериальный тест позволяет отсеять опасные вещества, не испытывая их на животных.

19. Мутагены в повседневной жизни

С мутагенами человек встречается не только в лабораториях и на атомных станциях. Самые значимые для здоровья — вполне бытовые.

• Табачный дым содержит десятки мутагенов и канцерогенов: полициклические углеводороды (бензпирен), нитрозамины, формальдегид, радиоактивный полоний-210. Анализ геномов опухолей показал, что у курильщиков в клетках лёгкого накапливается в среднем примерно одна дополнительная мутация на каждые 50 выкуренных сигарет [8]. Пачка в день в течение года — около 150 мутаций в каждой клетке лёгкого. Характерная «подпись» табака — замены Г на Т.
• Алкоголь в организме превращается в ацетальдегид, который повреждает ДНК. У людей с медленно работающим ферментом, разрушающим ацетальдегид (это частый вариант у жителей Восточной Азии), риск рака пищевода при употреблении алкоголя особенно высок.
• Солнечный ультрафиолет и соляриев — главная причина рака кожи.
• Радон — радиоактивный газ, выделяющийся из почвы и некоторых строительных материалов и накапливающийся в плохо проветриваемых подвалах и первых этажах. Это вторая после курения причина рака лёгких; риск снижается проветриванием.
• Продукты, приготовленные при высокой температуре: в обугленном мясе и копчёностях образуются полициклические углеводороды и гетероциклические амины.
• Плесень на продуктах: афлатоксины и другие микотоксины. Заплесневелые орехи и зерно нельзя есть, даже если удалить видимую плесень.
• Медицинские процедуры: рентгеновские исследования и компьютерная томография (их назначают по показаниям, польза обычно многократно превышает риск), некоторые лекарства.
• Профессиональные вредности: бензол, винилхлорид, асбест (действует в основном через хроническое воспаление), некоторые красители и растворители.

Важно понимать масштаб риска. Мутаген не обязательно вызовет болезнь: большинство повреждений исправляется, а мутации в большинстве генов не приводят к раку. Но каждая лишняя порция мутагена увеличивает вероятность, и при многолетнем воздействии (как при курении) риск становится очень большим.

20. Какую долю мутаций дают естественные мутагены

Можно подумать, что спонтанные мутации — это просто мутации от естественного радиационного фона. Но расчёт показывает обратное. Удваивающая доза для наследственных мутаций у млекопитающих — около 1 Гр, а природный фон за одно поколение человека (около 30 лет) даёт примерно 0,07–0,1 Гр. Значит, фон отвечает лишь за несколько процентов спонтанных мутаций в половых клетках. Основной их источник — внутренние процессы: ошибки репликации, окислительные повреждения, дезаминирование.

Это объясняет и связь числа новых мутаций с возрастом отца: каждая клеточная генерация сперматогоний добавляет свои ошибки копирования, и чем больше делений прошли клетки, тем больше мутаций. Внешние мутагены — курение, ультрафиолет, химические вещества — значимо добавляют мутаций прежде всего в соматических клетках тех тканей, на которые действуют.

21. Биологические мутагены

• Вирусы, встраивающиеся в ДНК. Ретровирусы (в том числе ВИЧ) и вирус гепатита B встраивают свою генетическую информацию в хромосомы хозяина. Встраивание может нарушить работу гена или включить соседний протоонкоген. Некоторые ретровирусы животных несут готовые онкогены.
• Вирусы папилломы человека не столько вызывают мутации, сколько выключают своими белками важнейшие белки-«стражи» генома клетки — p53 и Rb, после чего мутации в клетке быстро накапливаются. Это главная причина рака шейки матки; от него защищает вакцинация.
• Хроническое воспаление, вызванное бактериями (например, хеликобактером в желудке) или паразитами (печёночными сосальщиками, шистосомами), сопровождается выделением активных форм кислорода, которые повреждают ДНК окружающих клеток.
• Мобильные генетические элементы — «внутренние» биологические мутагены, перемещающиеся по геному.

Интересно, что на самих вирусах ученые изучали действие мутагенов: мутанты бактериофагов, полученные с помощью азотистой кислоты и акридинов, позволили в 1950–1960-е гг. разобраться в устройстве генетического кода.

22. Мутанты в кино и в жизни

В фантастических фильмах облучение или «укус радиоактивного паука» наделяет героя суперспособностями. В реальности это невозможно по нескольким причинам. Во-первых, мутагены действуют ненаправленно: они вызывают случайные изменения в случайных генах, и подавляющее большинство заметных мутаций вредны. Во-вторых, у взрослого организма мутации затрагивают отдельные клетки, а не весь организм сразу: чтобы изменился весь организм, мутация должна быть в зиготе. В-третьих, сложные новые органы и способности требуют согласованных изменений многих генов, которые в эволюции накапливаются тысячами поколений под действием отбора. Реальные последствия облучения взрослого человека — лучевая болезнь, опухоли, катаракта, бесплодие. А «мутанты» среди растений и животных, которых действительно получают селекционеры, — результат отбора одного полезного изменения из тысяч бесполезных и вредных.

23. Защита от мутагенов

Организм защищается от мутагенов на нескольких уровнях.

• Барьеры: кожа и пигмент меланин задерживают ультрафиолет, слизистые оболочки — частицы и вещества.
• Обезвреживание ядовитых веществ ферментами печени (хотя иногда, как с бензпиреном, именно эти ферменты превращают вещество в мутаген).
• Антиоксиданты — ферменты (супероксиддисмутаза, каталаза) и вещества (глутатион, витамины C и E), обезвреживающие активные формы кислорода.
• Репарация ДНК — исправление повреждений до того, как они станут мутациями. О ней подробно рассказано в следующей статье серии.
• Гибель повреждённых клеток (апоптоз), если повреждения слишком велики, и уничтожение изменённых клеток иммунной системой.

От человека зависит главное — уменьшать встречу с мутагенами: не курить, избегать солнечных ожогов, проветривать помещения, правильно хранить продукты, соблюдать правила работы с химическими веществами и источниками излучения, делать прививки от вирусов, вызывающих рак (вируса папилломы человека, гепатита B).

24. Индуцированный мутагенез в селекции

Мутагены — не только угроза, но и инструмент. С 1930-х гг. селекционеры облучают и обрабатывают химическими мутагенами семена, черенки, пыльцу и микроорганизмы, чтобы резко повысить частоту мутаций и отобрать среди мутантов полезные формы. Этот подход называют индуцированным (экспериментальным) мутагенезом.

На рисунке проростки ячменя из семян: 1 — необлучённых, 2 — облучённых малой дозой, 3 — облучённых большей дозой. Почти белые и бледные проростки — хлорофильные мутанты: у них нарушен синтез хлорофилла. Таких мутантов больше при большей дозе, а в ящике 3 часть семян не взошла — облучение не только вызывает мутации, но и убивает часть зародышей. Хлорофильные мутации — удобный показатель мутагенного действия: их легко заметить уже на проростках, и по их доле сравнивают эффективность разных мутагенов и доз.

Большинство полученных мутантов бесполезны или вредны, поэтому мутагенез в селекции — всегда сочетание огромного числа обработанных растений и строгого отбора. Международное агентство по атомной энергии ведёт базу данных сортов, полученных с помощью мутагенеза: в ней более 3000 сортов более чем 200 видов растений — ячменя, риса, пшеницы, арахиса, подсолнечника, хлопчатника, цитрусовых, декоративных растений. Многие пивоваренные сорта ячменя в Европе, сорта риса в Азии, грейпфруты «Стар Руби» и «Рио Ред» с красной мякотью получены именно так.

Советский генетик И. А. Рапопорт, открывший супермутагены, организовал в 1960-е гг. широкую программу химического мутагенеза в сельском хозяйстве: в ней участвовали десятки селекционных учреждений, и было создано несколько сотен сортов зерновых, бобовых, кормовых культур.

Особенно впечатляющие результаты мутагенез дал в микробиологии. Исходный штамм плесени, выделенный в 1943 г. с заплесневелой дыни, давал около 100 единиц пенициллина на миллилитр. Последовательное облучение ультрафиолетом, рентгеновскими лучами и обработка химическими мутагенами с отбором лучших мутантов в каждом цикле позволили получить штаммы, производящие в сотни раз больше. Так же получены продуценты других антибиотиков, аминокислот, ферментов, витаминов. Современные промышленные штаммы — результат десятков последовательных циклов «мутагенез — отбор», и в их геномах накоплены сотни мутаций, каждая из которых немного повышала выход продукта.

25. Мутагенез как метод генетики

Чтобы понять, что делает ген, его нужно «сломать» и посмотреть, что изменится. Поэтому генетики получают мутантов специально. Классический способ — обработать модельные организмы (дрозофил, нематод, рыбок данио, растения арабидопсиса) химическим мутагеном этилметансульфонатом, который вызывает в основном замены Г на А, и затем просматривать тысячи потомков в поисках интересных отклонений: мух с нарушенным строением тела, рыбок с изменённым сердцем, растений, не реагирующих на свет. Так в 1980-е гг. Кристиана Нюсляйн-Фольхард и Эрик Вишаус нашли у дрозофилы гены, управляющие планом строения зародыша, — за это они получили Нобелевскую премию 1995 г.

Сегодня к случайному мутагенезу добавились направленные методы: редактирование генома CRISPR–Cas9 позволяет выключить конкретный ген в нужной клетке. Но случайный мутагенез по-прежнему полезен: он не требует заранее знать, какой ген искать, и находит гены, о существовании которых никто не подозревал.

26. Мутации и старение

Соматические мутации накапливаются в клетках всю жизнь. Чтение геномов отдельных клеток показало, что в каждой клетке кишечного эпителия или печени человека за год появляется около 40–50 новых мутаций, а к старости их тысячи. В коже лица пожилого человека значительная доля клеток несёт мутации в генах, связанных с раком, но клетки остаются нормальными: для опухоли нужно сочетание нескольких мутаций.

Накопление мутаций и других повреждений ДНК считают одной из причин старения: с возрастом в тканях всё больше клеток, работающих неправильно, а стволовые клетки, обновляющие ткани, теряют способность к делению. Наследственные болезни, при которых нарушена репарация ДНК (синдромы Вернера, Коккейна), сопровождаются ускоренным старением, — сильный довод в пользу этой связи. Интересно, что у разных видов млекопитающих — от мыши до человека — к концу жизни в клетках накапливается примерно одинаковое число мутаций: у короткоживущих видов они просто возникают быстрее.

27. Мутагены и рак

Связь мутагенов с раком — одно из главных открытий медицины XX века. Ещё в 1775 г. английский хирург Персивал Потт заметил, что у трубочистов часто развивается рак кожи мошонки, и связал его с сажей. В 1915 г. японские исследователи вызвали опухоли у кроликов, многократно смазывая им уши каменноугольной смолой. Позже из смолы выделили бензпирен, а в XX веке поняли, что большинство канцерогенов действует через мутации.

Опухоль обычно возникает, когда в одной клетке накапливается несколько «водительских» мутаций — в протоонкогенах, генах-супрессорах опухолей, генах репарации. Мутагены увеличивают вероятность каждой такой мутации. Но часть мутаций возникает и без внешних мутагенов — при каждом делении клетки. Американские исследователи Кристиан Томасетти и Берт Фогельштейн в 2017 г. оценили, что в среднем около двух третей мутаций в опухолях — результат случайных ошибок репликации, а остальная треть связана с наследственностью и средой (курением, ультрафиолетом, вирусами и т. д.) [9]. Для одних видов рака (рак лёгкого, кожи) роль среды очень велика, для других (некоторые опухоли мозга, костей у детей) — мала.

Вывод для профилактики: устранить все мутации невозможно, но отказ от курения, защита от ультрафиолета, вакцинация и снижение воздействия канцерогенов на работе предотвращают значительную часть случаев рака. Анализ мутационных «подписей» в опухолях позволяет понять, какие мутагены действовали на клетки конкретного больного [10].

28. Итог: что важно знать

• Мутагены — факторы, вызывающие мутации или повышающие их частоту; мутагенез — процесс возникновения мутаций.
• Спонтанные мутации возникают из-за ошибок репликации, таутомерных сдвигов, утраты и дезаминирования оснований, окислительных повреждений, ошибок расхождения хромосом, мобильных элементов.
• Физические мутагены: ионизирующее излучение (разрывы ДНК, радикалы воды; особенно хромосомные мутации), ультрафиолет (пиримидиновые димеры; рак кожи), высокая температура.
• Химические мутагены: аналоги оснований, алкилирующие, дезаминирующие, интеркалирующие вещества, образующие аддукты (бензпирен, афлатоксин).
• Биологические мутагены: вирусы (ретровирусы, гепатит B, папилломы), мобильные элементы, хроническое воспаление.
• Мёллер (1927) показал, что рентгеновское облучение повышает частоту мутаций пропорционально дозе; Ауэрбах и Рапопорт открыли химический мутагенез.
• Мутагены действуют ненаправленно; порога безопасности для генных мутаций нет.
• Тест Эймса выявляет мутагенность веществ по частоте обратных мутаций у бактерий; большинство канцерогенов — мутагены.
• Индуцированный мутагенез — метод селекции растений и микроорганизмов (сорта ячменя, риса, продуценты антибиотиков).
• Защита: барьеры, ферменты обезвреживания, антиоксиданты, репарация, апоптоз; для человека — избегание мутагенов.

29. Частые ошибки

• «Мутагены вызывают полезные мутации, нужные организму». Мутагены действуют ненаправленно и вызывают любые мутации; большинство из них вредны.
• «Без мутагенов мутаций нет». Спонтанные мутации возникают постоянно из-за ошибок репликации и химической нестабильности ДНК.
• «Малые дозы облучения безопасны для генов». Для генных мутаций порога нет: частота растёт пропорционально дозе. Малые дозы дают малый, но не нулевой риск.
• «Ультрафиолет вызывает в основном хромосомные мутации». Ультрафиолет вызывает в основном генные мутации (через пиримидиновые димеры); хромосомные перестройки характерны для ионизирующего излучения.
• «После радиационных аварий рождается много детей-мутантов». У детей облучённых родителей в Японии и после Чернобыля достоверного роста наследственных нарушений не выявлено; главные последствия — рак у облучённых и поражения у облучённых в утробе.
• «Мутации от облучения передаются потомкам всегда». Только если мутация возникла в половых клетках или их предшественниках; мутации в соматических клетках не наследуются.
• «Канцерогены и мутагены — разные вещества». Большинство канцерогенов — мутагены (вывод теста Эймса), хотя есть канцерогены, действующие иначе (например, через гормоны или воспаление).
• «Колхицин — мутаген, вызывающий генные мутации». Колхицин нарушает веретено деления и вызывает геномные мутации (полиплоидию), а не генные.
• «Загар защищает от всех последствий солнца». Загар частично защищает, но сам возникает в ответ на повреждение ДНК; ожоги повышают риск меланомы.
• «Мобильный телефон и микроволновка вызывают мутации». Энергии радиоволн и микроволн недостаточно, чтобы повредить ДНК; мутагенно лишь излучение с энергией кванта начиная с ультрафиолетового.
• «Тератоген и мутаген — одно и то же». Тератоген вызывает пороки развития зародыша, не изменяя генотип; мутаген изменяет ДНК, и изменения могут наследоваться.

30. Интересные факты

• Шарлотта Ауэрбах, открывшая химический мутагенез, бежала из нацистской Германии в Шотландию; результаты её опытов с ипритом были засекречены до конца войны.
• И. А. Рапопорт, открывший супермутагены, прошёл войну, был трижды выдвинут к званию Героя Советского Союза, но в 1948 г. отказался отречься от генетики на сессии ВАСХНИЛ и был уволен; к работе по мутагенезу он вернулся лишь в конце 1950-х гг.
• В клетке человека за сутки теряется около 10 000 пуриновых оснований и происходит несколько сотен случаев дезаминирования цитозина — почти все эти повреждения исправляются.
• Тихоходки и бактерия Deinococcus radiodurans выдерживают дозы излучения, в тысячи раз превышающие смертельную для человека, благодаря очень эффективной репарации ДНК.
• В Рамсаре (Иран) и Гуарапари (Бразилия) естественный радиационный фон в десятки раз выше среднего из-за радиоактивных пород и песков; заметного роста наследственных болезней у местных жителей не обнаружено, но исследования продолжаются.
• Мутация, позволяющая грейпфрутам «Стар Руби» иметь ярко-красную мякоть, получена облучением почек тепловыми нейтронами в 1959 г.
• Бромистый этидий — краситель, используемый в каждой генетической лаборатории для окрашивания ДНК в геле, — сильный мутаген; поэтому с ним работают в перчатках, а многие лаборатории заменили его более безопасными красителями.
• Мёллер в нобелевской лекции 1946 г. призвал ограничить применение рентгеновских лучей в медицине — в то время ими, например, просвечивали ноги покупателей в обувных магазинах, чтобы подобрать обувь.
• Работа Тимофеева-Ресовского, Циммера и Дельбрюка 1935 г. была напечатана в малотиражном сборнике и вошла в историю как «Зелёная тетрадь» — по цвету обложки отдельного оттиска.
• Лабораторные тетради Марии Склодовской-Кюри до сих пор радиоактивны; чтобы с ними работать в Национальной библиотеке Франции, исследователи подписывают документ о понимании риска и надевают защитную одежду.
• Бактерия Deinococcus radiodurans была открыта в 1956 г. в банке мясных консервов, которые пытались стерилизовать гамма-излучением: всё живое погибло, а она выжила.
• После аварии на Чернобыльской АЭС в зоне отчуждения, покинутой людьми, расплодились лоси, кабаны, волки и даже завезённые лошади Пржевальского: для диких животных отсутствие человека оказалось важнее, чем повышенный радиационный фон, хотя у части из них находят повышенную частоту мутаций и катаракт.

31. Частые вопросы

32. ЕГЭ

Тема входит в элемент 3.4 кодификатора [11]: «Спонтанные и индуцированные мутации… Причины возникновения мутаций. Мутагены и их влияние на организмы». В части 1 встречаются задания на классификацию мутагенов (физические, химические, биологические), на соотнесение мутагенов с типом мутаций, на определения. В части 2 — объяснение действия излучения на ДНК, анализ опытов с облучением (бактерии, растения, мухи), вопросы о мерах защиты от мутагенов, о значении индуцированного мутагенеза в селекции.

Что обязательно знать к экзамену

• Определения мутагенеза и мутагенов, деление мутаций на спонтанные и индуцированные.
• Три группы мутагенов и примеры каждой.
• Действие ионизирующего излучения и ультрафиолета на ДНК.
• Опыт Мёллера и его выводы.
• Использование мутагенов в селекции и меры защиты человека.

Разбор заданий части 1

Задание. Установите соответствие между мутагенами и их группами: А) рентгеновские лучи; Б) иприт; В) вирус гепатита B; Г) ультрафиолет; Д) колхицин; Е) мобильные генетические элементы. 1) физические; 2) химические; 3) биологические. Ответ: А1, Б2, В3, Г1, Д2, Е3.

Задание. Выберите три верных утверждения: 1) мутагены повышают частоту мутаций; 2) мутагены вызывают только полезные мутации; 3) ультрафиолет вызывает образование пиримидиновых димеров; 4) спонтанные мутации возникают без внешних причин и не связаны с химией ДНК; 5) ионизирующее излучение вызывает разрывы хромосом; 6) мутагены действуют только на половые клетки. Ответ: 135.

Разбор заданий части 2

Задание. Семена ячменя облучили двумя дозами гамма-излучения и вырастили вместе с контрольными. В опытных вариантах появились белые и бледные проростки, а при большей дозе часть семян не взошла. Объясните результаты. Что служит контролем? К какому виду изменчивости относится появление белых проростков?

Ответ. 1) Облучение вызвало мутации, в том числе в генах синтеза хлорофилла, — появились хлорофильные мутанты. 2) С ростом дозы растёт частота мутаций и число погибших зародышей (летальные мутации, тяжёлые повреждения). 3) Контроль — необлучённые семена, выращенные в тех же условиях. 4) Это мутационная (индуцированная) изменчивость.

Задание. Почему опыт с облучением бактерий ультрафиолетом обязательно сопровождают контрольной чашкой без облучения? Что показывает сравнение облучённых клеток дикого типа и клеток с нарушенной репарацией? Ответ. 1) Контроль показывает уровень спонтанных мутаций и выживаемость без облучения; только сравнение с ним позволяет судить о действии ультрафиолета. 2) Клетки с нарушенной репарацией погибают при той же дозе гораздо чаще: они не могут удалить пиримидиновые димеры. 3) Значит, выживание после облучения и частота мутаций зависят не только от дозы, но и от работы систем репарации ДНК.

Задание. Почему людям, работающим с источниками ионизирующего излучения, особенно важно защищать половые органы? Ответ. 1) Излучение вызывает мутации в любых клетках. 2) Мутации в половых клетках и их предшественниках могут передаться потомству. 3) Поэтому защита половых органов снижает риск наследственных изменений у детей (а защита организма в целом — риск опухолей).

33. Для олимпиад

Как действует 5-бромурацил

5-бромурацил похож на тимин и встраивается в ДНК напротив аденина. Но из-за атома брома он чаще, чем тимин, переходит в редкую таутомерную форму, в которой спаривается с гуанином. Если при следующей репликации напротив него встанет гуанин, а затем напротив гуанина — цитозин, исходная пара А–Т превратится в пару Г–Ц (транзиция). Возможен и обратный путь: 5-бромурацил, встроенный в редкой форме напротив гуанина, затем спаривается с аденином, и пара Г–Ц превращается в А–Т. Поэтому аналоги оснований вызывают транзиции в обоих направлениях и могут вызывать обратные мутации.

Специфичность мутагенов: как различить их по типу мутаций

Мутанты, полученные одним мутагеном, можно попытаться вернуть к норме другим. Если мутация, вызванная 2-аминопурином (транзиция), обратима под действием 5-бромурацила (тоже транзиции), а мутация, вызванная акридином (сдвиг рамки), обращается только акридином, но не аналогами оснований, это подтверждает разные механизмы их действия. Именно так в 1950–1960-е гг. Эрнст Фризе, Сеймур Бензер и Фрэнсис Крик выясняли, какие мутагены вызывают замены, а какие — вставки и выпадения.

Доза и частота мутаций

Пусть в опыте на дрозофиле частота рецессивных летальных мутаций в X-хромосоме без облучения 0,2 %, а при дозе 10 Гр — 2,8 %. Если зависимость линейная, прирост на 1 Гр — (2,8 − 0,2) / 10 = 0,26 %. Ожидаемая частота при 5 Гр — 0,2 + 5 × 0,26 = 1,5 %. Удвоение спонтанной частоты (до 0,4 %) достигается при дозе 0,2 / 0,26 ≈ 0,8 Гр — такую дозу называют удваивающей. Для мышей и, по оценкам, для человека удваивающая доза для наследственных мутаций — около 1 Гр.

Почему метилированные основания и ультрафиолет оставляют «подписи»

Каждый мутагенный процесс чаще даёт определённые замены в определённом окружении. Ультрафиолет — Ц → Т в участках, где рядом стоят два пиримидина; табачный дым — Г → Т; дезаминирование метилированного цитозина — Ц → Т в динуклеотидах CG, накапливающиеся с возрастом как «часы»; ферменты APOBEC — Ц → Т или Ц → Г в окружении ТЦА/ТЦТ. Статистический анализ тысяч геномов опухолей позволил выделить несколько десятков таких «мутационных подписей» и связать многие из них с конкретными причинами [10].

Теория мишени: простейший расчёт

Если мутация возникает при попадании хотя бы одной ионизации в чувствительный объём, а ионизации распределены случайно, доля «непоражённых» мишеней при дозе D равна e^−kD, где k пропорционально размеру мишени. При малых дозах e^−kD ≈ 1 − kD, и частота мутаций растёт линейно с дозой. Если же для эффекта нужны два независимых попадания (например, два разрыва для образования перестройки), частота растёт пропорционально квадрату дозы. Поэтому генные мутации растут с дозой линейно, а частота многих хромосомных перестроек — быстрее, «линейно-квадратично».

Почему мутагены «работают» на делящихся клетках

Повреждение ДНК становится мутацией, только если клетка скопирует повреждённую ДНК раньше, чем исправит её: тогда ошибка закрепляется в обеих цепях дочерней молекулы. Поэтому делящиеся клетки (кроветворные, эпителиальные, половые, клетки зародыша) особенно чувствительны к мутагенам, а неделящиеся нейроны и мышечные волокна накапливают меньше мутаций. По той же причине мутагенное действие выше при облучении в фазе синтеза ДНК клеточного цикла.

34. Задания с разбором

Задание 1

Выберите три физических мутагена: 1) гамма-излучение; 2) азотистая кислота; 3) ультрафиолет; 4) вирус папилломы человека; 5) рентгеновское излучение; 6) бензпирен.

Задание 2

Чем спонтанные мутации отличаются от индуцированных? Назовите две причины спонтанных мутаций.

Задание 3

Как ультрафиолет повреждает ДНК?

Задание 4

Установите соответствие между мутагеном и механизмом действия: А) 5-бромурацил; Б) акридиновый краситель; В) ионизирующее излучение; Г) азотистая кислота. 1) встраивается вместо тимина; 2) встраивается между парами оснований; 3) разрывает цепи ДНК; 4) отщепляет аминогруппы оснований.

Задание 5

Найдите ошибки и исправьте. 1) Мутагены повышают частоту мутаций. 2) Мутагены вызывают направленные мутации. 3) Ионизирующее излучение вызывает разрывы хромосом. 4) Вирусы не могут быть мутагенами. 5) Тест Эймса выявляет мутагенность веществ.

Задание 6

Что показал опыт Мёллера с облучением дрозофил?

Задание 7

Почему клетки бактерий с нарушенной репарацией после облучения ультрафиолетом погибают чаще, чем клетки дикого типа?

Задание 8

Объясните, почему курение повышает риск рака лёгких.

Задание 9

Что такое тест Эймса? Почему в нём используют экстракт печени?

Задание 10

Выберите три биологических мутагена: 1) ретровирусы; 2) рентгеновские лучи; 3) мобильные генетические элементы; 4) иприт; 5) вирус гепатита B; 6) ультрафиолет.

Задание 11

Почему при облучении особенно опасно повреждение делящихся клеток?

Задание 12

Как используют мутагены в селекции? Приведите пример.

Задание 13

Почему у детей, зачатых облучёнными родителями после атомных бомбардировок, не удалось обнаружить заметного роста наследственных нарушений, хотя облучение вызывает мутации?

Задание 14

Какие меры защиты от мутагенов вы можете предложить в повседневной жизни? Назовите три.

Задание 15

Почему пигментная ксеродерма сопровождается множественными опухолями кожи?

Задание 16

Как вещество, которое само по себе не повреждает ДНК, может стать мутагеном?

Задание 17

Сравните действие ионизирующего и ультрафиолетового излучения по двум признакам.

Задание 18

Почему в контрольной чашке Петри без облучения тоже вырастают мутантные колонии?

Задание 19 (олимпиадное)

Частота летальных мутаций без облучения 0,3 %, при дозе 20 Гр — 5,3 %. Считая зависимость линейной, найдите удваивающую дозу.

Задание 20 (олимпиадное)

Мутацию, полученную действием 2-аминопурина, удалось вернуть к норме 5-бромурацилом, а мутацию, полученную акридином, — нет. Что можно сказать о природе этих мутаций?

Литература

1. Muller H. J. Artificial transmutation of the gene // Science. 1927. Vol. 66. P. 84–87. DOI: 10.1126/science.66.1699.84.
2. Douple E. B., Mabuchi K., Cullings H. M. et al. Long-term radiation-related health effects in a unique human population: lessons learned from the atomic bomb survivors of Hiroshima and Nagasaki // Disaster Medicine and Public Health Preparedness. 2011. Vol. 5, suppl. 1. P. S122–S133. DOI: 10.1001/dmp.2011.21.
3. Yeager M., Machiela M. J., Kothiyal P. et al. Lack of transgenerational effects of ionizing radiation exposure from the Chernobyl accident // Science. 2021. Vol. 372. P. 725–729. DOI: 10.1126/science.abg2365.
4. Pleasance E. D., Cheetham R. K., Stephens P. J. et al. A comprehensive catalogue of somatic mutations from a human cancer genome // Nature. 2010. Vol. 463. P. 191–196. DOI: 10.1038/nature08658.
5. Cleaver J. E. Defective repair replication of DNA in xeroderma pigmentosum // Nature. 1968. Vol. 218. P. 652–656. DOI: 10.1038/218652a0.
6. Auerbach C., Robson J. M. Chemical production of mutations // Nature. 1946. Vol. 157. P. 302. DOI: 10.1038/157302a0.
7. Ames B. N., Durston W. E., Yamasaki E., Lee F. D. Carcinogens are mutagens: a simple test system combining liver homogenates for activation and bacteria for detection // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. 1973. Vol. 70. P. 2281–2285. DOI: 10.1073/pnas.70.8.2281.
8. Alexandrov L. B., Ju Y. S., Haase K. et al. Mutational signatures associated with tobacco smoking in human cancer // Science. 2016. Vol. 354. P. 618–622. DOI: 10.1126/science.aag0299.
9. Tomasetti C., Li L., Vogelstein B. Stem cell divisions, somatic mutations, cancer etiology, and cancer prevention // Science. 2017. Vol. 355. P. 1330–1334. DOI: 10.1126/science.aaf9011.
10. Alexandrov L. B., Nik-Zainal S., Wedge D. C. et al. Signatures of mutational processes in human cancer // Nature. 2013. Vol. 500. P. 415–421. DOI: 10.1038/nature12477.
11. ФИПИ. Кодификатор проверяемых требований к результатам освоения основной образовательной программы и элементов содержания для проведения ЕГЭ по биологии, 2027 г. М.: ФИПИ, 2026.