Генетический мониторинг

Ученые... должны себя чувствовать ответственными за все последствия их открытий...

В.И. Вернадский

Основной целью генетического мониторинга является выявление объема и содержания генетического груза каждого поколения популяций человека, а также количественных критериев последствий мутагенеза (количественные оценки риска – КОР – и относительной генетической эффективности –ОГЭ). Генетическим грузом называют часть наследственной изменчивости популяции, которая определяет появление особей, избирательно погибающих в процессе естественного отбора.

История открытия и изучение мутаций

Понятие и сам термин «мутация» появились в глубокой древности, во II в. н.э., во времена правления римского императора Адриана. Почты, в нашем понимании, тогда не существовало. Письма в разные концы государства доставляли гонцы – конные и пешие, которые отдыхали и меняли лошадей в придорожных трактирах. На латинском перемена – mutatio.

Планомерное исследование мутаций организмов началось только в 1880 г. с работ Гуго де Фриза. Но задолго до этого уже были отмечены многие более или менее явные случаи мутаций. В 1590 г. в одном из садов Гейдельберга выросло растение чистотел большой (Chelidonium majus) с листьями ланцетовидной формы. В конце XVII в. в Новой Англии (в штате Массачусетс) появилась овца с очень короткими искривленными ногами и длинным туловищем, ставшая родоначальницей породы анконских овец. Эти овцы не могли перепрыгивать даже через низкие изгороди или каменные ограды пастбищ, поэтому не могли наносить ущерб полям. Для таких овец не нужны пастухи, собаки, высокие ограды. Экономическая выгода от разведения анконской породы очевидна. Затем появилась комолая корова, преимущества содержания которой не нуждаются в пояснении.

Ч.Дарвин хорошо знал случаи подобных внезапных изменений. Для них он предложил термин «единичные изменения», или «спорты».

Термин «мутация» в современном звучании был предложен Гуго де Фризом в классическом труде «Мутационная теория» (1890 г.). Главным объектом его исследований было растение энотера. Одновременно с русским исследователем С.И. Коржинским он обнаружил среди энотер один экземпляр, значительно превосходивший другие по размеру. На протяжении пяти лет ученый следил за развитием этой энотеры. Все потомки этого измененного (мутантного) организма сохранили «гигантизм» – они были высокие, с большим количеством листьев, стеблей. Де Фриз нашел и другие мутантные формы энотеры – низкого роста, более нежного строения, некоторые были очень слабы, а другие весьма крепки. Различались и плоды растений: у одних растений они были сходны с плодами материнского вида, у других – короче и толще, у третьих – тоньше и длиннее.

Де Фриз удивительно правильно сформулировал понятие мутации: явление скачкообразного, прерывного изменения наследственного признака. С.И. Коржинский, просмотрев огромное количество архивных ботанических материалов, пришел к аналогичному выводу: «возникновение новых форм есть явление, общее для всего мира живых существ, а наследственные изменения всегда возникают скачками, а не постепенно». В современное определение включены понятия молекулярной биологии: мутация – это внезапное качественное изменение структуры ДНК в одном локусе (генная) или изменение числа или микроструктуры хромосом (хромосомная).

Изучение мутаций проводится на моделях экспериментально индуцированных мутаций и, кроме того, тщательно изучаются случаи врожденных аномалий у детей, генетические болезни и т.д.

Попытки искусственно вызвать мутации предпринимались еще Л.Пастером, который сконструировал специальный аппарат, при помощи которого надеялся нарушить наследственность. Другие исследователи пытались вызвать мутации с помощью химических соединений, резких изменений температуры. К сожалению, эти работы не только не получили признания, но и не имели значения, поскольку тогда еще не было метода, позволяющего определить частоту мутаций, отличить истинные мутации от простого расщепления признаков.

Только в 1925 г. наши соотечественники Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов добились успеха: в их экспериментах облучение дрожжей рентгеновскими лучами достоверно увеличило частоту мутаций. Спустя два года, в 1927 г., сходный результат получил американский ученый Г.Меллер, облучая плодовую мушку дрозофилу – классический объект генетических исследований. В том же году в Берлине состоялся V Международный генетический съезд, на котором сообщение Г.Меллера стало сенсацией: рентгеновские лучи вызывали 150-кратное увеличение частоты мутаций.

Через 9 лет американский ученый Т.Морган продолжил изучение на дрозофиле радиационного мутагенеза. Вскоре совместными усилиями генетиков всего мира было идентифицировано более 500 мутаций, вызванных облучением. В 1946 г. за работы в этой области Г.Меллер был удостоен Нобелевской премии. Таким образом, было показано, что ионизирующая радиация обладает сильным мутагенным действием.

Прошло совсем немного времени, и в 1955–1958 гг. ученые нашей страны во главе с академиком Н.П. Дубининым, оценивая генетический эффект радиации, установили, что доза 10 рад (10 бэр) удваивает частоту мутаций в клетках фибробластов человека
(в культуре). Эта величина в качестве максимально допустимой дозы была принята Научным комитетом по радиации, а затем утверждена Генеральной Ассамблеей ООН (Женева).

Исследования мутагенного эффекта химических соединений были начаты также достаточно давно. Первые экспериментальные работы были проведены нашими соотечественниками – известными учеными В.В. Сахаровым и М.Е. Лобашевым в 1934 г. Они показали, что действие химических соединений вызывает увеличение частоты мутаций в клетках гречихи. Позже И.А. Раппопорт в СССР и Ш.Ауэрбах в Великобритании открыли мощные химические мутагены и назвали их супермутагенами.

В 1946 г. И.А. Раппопорт обнаружил, что при действии формальдегида в сублетальной дозе на личинок дрозофилы возникло 47 летальных мутаций (в расчете на 794 хромосомы), сцепленных с полом. В контрольной группе была найдена только одна мутация на 833 хромосомы.

Ш.Ауэрбах и Д.Робсон показали, что под действием серного и азотного аналогов горчичного газа (иприта) на дрозофилу частота мутаций, сцепленных с полом, возрастала с 0,2% (контроль) до 24%. В дальнейшем эти авторы обнаружили, что указанные вещества вызывают как перестройки хромосом, так и все виды прямых и обратных точковых мутаций. Проведенные английскими учеными сравнения действия химических веществ (иприт, формальдегид и уретан) с радиационным воздействием не выявили принципиальных различий в характере индуцируемых изменений: химические соединения, подобно радиационному облучению, индуцируют как генные, так и хромосомные мутации.

Впоследствии было показано, что большое количество искусственно синтезируемых веществ – мутагены и канцерогены. Это открытие привело к заключению, сделанному в 70-х гг. прошлого столетия профессором кафедры медицинской генетики Висконского университета Кру: «Есть все основания для беспокойства в связи с тем, что некоторые химические вещества могут быть настолько же опасными, как радиация, и даже больше».

В 1960-х гг. была сделана первая попытка классификации химических мутагенов по их структуре и действию.

Спонтанный и индуцированный мутагенез у человека под действием мутагенов внешней среды

Спонтанный мутационный процесс в ДНК хромосом половых и соматических клеток человека, животных, растений и микроорганизмов происходил на протяжении всей истории жизни на Земле. В результате часть зигот погибала на стадии плода, часть новорожденных появлялась с дефектами.

Продолжение следует