ПУТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ МУТАЦИЙ ПРИ

26
УДК 575.116.4:546.3
ПУТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ МУТАЦИЙ ПРИ
ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЕ МУТАГЕНЕЗА
Ж.Б. Сабиров
РГКП «Национальный центр гигиены труда и профессиональных заболеваний»
МЗ и СР РК, г. Караганда
Анализ состава пыли промышленных городов указывает на наличие в них
значительной концентрации тяжелых металлов, способных проявлять мутагенные
свойства, зачастую проявляющиеся как хромосомные аберрации. Воздействие химических агентов на организм, в частности тяжелых металлов может являться основной или вспомогательной причиной нескольких путей возникновения структурных хромосомных мутаций.
Ключевые слова: ДНК, хромосомные аберрации, тяжелые металлы, генотоксические, структурные аномалии, перекисное окисление липидов, активные формы кислорода (АФК), аденозинтрифосфат (АТФ), оксид азота (NO)
Загрязнение окружающей среды является следствием деятельности промышленных предприятий, влияния автотранспорта и других антропогенных воздействий. Инфраструктуру большей части крупных городов Казахстана составляет промышленно развитые предприятия, производственная деятельность которых негативно влияет на окружающее среду, и приводит к накоплению в ней разнообразных компонентов, в том числе оказывающих генотоксическое воздействие. Среди них химические соединения - канцерогенные углеводороды, алкилирующие соединения, окислы углерода, азота, серы; тяжелые металлы - никель,
кадмий, свинец, ртуть и другие.
Тяжелые металлы в последние десятилетия являются одним из самых распространенных факторов загрязнения окружающей среды. В связи с этим назрела
настоятельная необходимость ответить на ряд вопросов о степени генотоксической опасности многих веществ, включающих в свои структуры ионы тяжелых металлов. Мнения различных исследователей о генетической активности тяжелых
металлов неоднозначны, поскольку функциональная роль металлов в организме
до конца еще не выяснена. Но резюмируя различные исследования по генотоксической активности различных тяжелых металлов можно сделать вывод, что эти
вещества зачастую способны проявлять мутагенные свойства, проявляющиеся как
хромосомные аберрации (ХА) [1].
Хромосомные аберрации - это обширный и гетерогенный класс изменений,
включающий выпадение (потери), добавления (удвоение, умножение) участков
ISSN 1727-9712
Гигиена труда и медицинская экология. №2 (47), 2015
27
хромосом, а также их перемещения в пределах одной хромосомы или между хромосомами. Различают внутрихромосомные аберрации (фрагментацию, дефишенси
и делеции, дупликации, инверсии, транспозиции) и межхромосомные (транслокации).
При разрывах на пресинтетической стадии изменяется вся хромосома, и
наблюдаются двойные аберрации; при разрывах на постсинтетической стадии
изменяется только одна хроматида, и наблюдаются одиночные фрагменты.
Рассматривая механизмы повреждения наследственных структур можно
сказать, что под влиянием тяжелых металлов происходит повреждение третичной
структуры хромосом, что ведет к частичной денатурации ДНК. При связывании
двухвалентных тяжелых металлов с ДНК возможны мутации типа транверсий и
транзиций (Лерина, 1972). Так они могут вызывать хромосомные аберрации, индуцировав точковые мутации, нарушать ферментные взаимодействия, ингибируя
отдельные энзимы.
Новые экспериментальные данные о связывании белков с ДНК, показывают механизмы регуляции экспрессии генов и методы распознавания сайтов связывания в геномах. Известна способность тяжелых металлов взаимодействовать с
различными аминокислотами, последствия чего сказываются на активности белковых активных веществ [2].
Кроме того, ионы тяжелых металлов, связываясь с ферментами репликации, репарации и рекомбинации, снижают их ферментативную активность. Таким
образом, ионы тяжелых металлов могут проявлять свойства как прямого мутагена, так и косвенного, не влияя на молекулу ДНК собственно, но при этом способствуют появлению мутаций.
Также тяжелые металлы могут влиять на активность некоторых ферментов
антиоксидантной системы, активация которых предназначена для окисления чужеродных соединений, в результате чего происходит снижение их функции, генерация производных форм кислорода, свободных радикалов и, как следствие, появлению окислительного стресса [3].
Свободнорадикальные формы кислорода служат активатором перекисного
окисления. Субстратом перекисного окисления липидов (ПОЛ) служат полиненасыщенные жирные кислоты, а метаболизм их продуктов может быть нарушен в
результате мутаций в локусах некоторых генов [4]. Диеновые коньюгаты, являющиеся первичным продуктом перекисного окисления, увеличивают полярность
гидрофобных углеводородных хвостов жирных кислот, которые образуют липидный биослой мембраны. При физиологическом процессе регуляции клеточной активности участки углеводородных хвостов, полярность которых возросла, вытесняются из глубоких слоев мембраны к поверхности, что облегчает процесс самообновления мембраны и влияет на ее проницаемость и ионный транспорт [5-8].
При избыточном появлении свободнорадикальных форм кислорода самоускоряющееся ПОЛ приводит к полному разрушению ненасыщенных липидов, нарушеISSN 1727-9712
Гигиена труда и медицинская экология. №2 (47), 2015
28
нию структуры и функции белков и других молекул и, как следствие, к гибели
клетки. Радикалы, образующиеся при перекисном окислении липидов, также повреждают молекулы ДНК [9]. Повреждения генома, опосредованные продуктами
перекисного окисления липидов – гидроперекисями, малоновым диальдегидом,
которые способны образовывать с ДНК аддукты [10,11]. Первичным пусковым
патогенетическим механизмом развития патологии у человека при воздействии
химических загрязнителей окружающей среды, вероятно, является изменение основной цитохром Р-450 зависимой системы детоксикации, сопровождающееся нарушением ферментной организации и барьерной функции биомембран, модификацией структуры нуклеиновых кислот и белка [12-14].
Согласно современным представлениям длительная гиперпродукция активных форм кислорода, возникающая в организме человека в ответ на действие повреждающих факторов окружающей среды, может увеличивать вероятность трансформации клеток. Непосредственной мишенью избытка активного кислорода могут быть ДНК. При этом возникают следующие типы повреждения ДНК: разрывы
сахаро-фосфатной цепи, гидроксилирование азотистых оснований, образование
сшивок между нитями ДНК. В результате действия АФК на молекулу ДНК возникают хромосомные аберрации, которые представляют собой нарушения структуры хромосом [15].
В последние годы активно изучается роль оксида азота, обладающего свойствами свободного радикала благодаря непарному электрону на внешней орбитали. В организме он синтезируется ферментом NO – синтетазой, локализованной
главным образом в эндотелии сосудов и нервных окончаниях, а также в клетках
соединительной ткани – макрофагах, нейтрофилах и фибробластах [16].
Считается, что оксид азота может усиливать цитотоксичность свободных
радикалов, причем NO-генерирующие соединения, вступая в реакцию свободнорадикального окисления, могут образовывать при взаимодействии с супероксидным анион-радикалом еще более цитотоксическое соединение – пероксинитрит,
участвующий в образовании гидроксильного радикала. Пероксинитрит, один из
самых мощных оксидантов, может повреждать ДНК и вызывать ковалентные модификации белков в клетке, инициируя тем самым апоптоз [17]. Апоптоз, индуцируемый оксидом азота, может опосредоваться повреждением ДНК, активацией
проницаемости митохондриальных пор, повреждением фосфолипидов митохондриальной мембраны и выходом цитохрома С из митохондрий, снижением уровня
АТФ [18].
Снижение пролиферативного потенциала клеток под влиянием оксида азота, возможно, связано с его способностью инактивировать действие железосодержащих ферментов, участвующих в синтезе АТФ и репликации ДНК [19].
Резюмируя различные исследования по генотоксичности химических агентов, в том числе и тяжелых металлов, можно сделать заключение об их способISSN 1727-9712
Гигиена труда и медицинская экология. №2 (47), 2015
29
ности проявлять мутагенные свойства, патогенез и этиология которых освещена
не в полной мере [20-25].
Таким оброзом, можно сделать вывод о том, что воздействие химических
агентов на организм, в частности тяжелых металлов может являться основной или
вспомогательной причиной нескольких путей возникновения структурных хромосомных мутаций:
1. Возможно прямое воздействии тяжелых металлов на молекулу ДНК.
2. Ионы тяжелых металлов могут воздействовать на ферменты матричных
процессов, тем самым спобствуя появлению мутаций.
3. Ионы тяжелых металлов могут влиять на активность некоторых ферментов антиоксидантной системы, что приводит к накоплению продуктов ПОЛ,
свободных радикалов и АФК, способствующих повреждению молекулы ДНК.
4. Избыточное присутствие свободно радикальных форм кислорода вызывает процессы ПОЛ, что приводит к нарушению целостности клеточной мембраны, снижению её барьерной функции и возможности прохождение во внутрь
клетки мутагенов различной природы.
Литература
1. Намазбаева З.И., Сабиров Ж.Б., Айткулов А.М., Турлыбекова Г.К. Оценка возникновения цитогенетических последствий у лиц, проживающих на территории промышленного города // Актуальные проблемы экологии: сб. науч. тр. –
2013. - С. 144-147.
2. Хлебодарова Т.М., Ощепков Д.Ю., Левицкий В.Г., Подколодная О.А. и
др. Влияние ланкирующих последовательностей на очность распознавания сайтов
связывания транскрипционных факторов // Вавиловский журнал генетики и селекции. - 2014. – Т.18, № 4/2. – С. 876-886.
3. Вахуткевич И.Ю. Влияние солей тяжелых металлов на антиоксидантный
статус кур-несушек // Вопросы естественных и математических наук: сб. ст. по
матер. междун. заочной науч.-практ. конф. - 2013. – С. 116-120.
4. Николаев И.В., Мулюкова Р.В., Каюмова Л.Р., Воробьева Е.В., Горбунова В.Ю. Анализ взаимодействия аллелей генов липидного обмена при дислипидемии // Вавиловский журнал генетики и селекции. - 2014. – Т.18, № 4/2. – С. 856866.
5. Антипенко Е.Н., Алексеенко П.Л. Оценка мутагенной активности загрязненного атмосферного воздуха для населения городов // Вестник РАМН. 1992. - №11-12. - С. 36-39.
6. Гинтер Е.К. Проблема оценки генетического груза в популяциях человека в связи с загрязнением окружающей среды // Мутагены и канцерогены окружающей среды. докл. междун. симпозиума. – М., 1994. – Ч.2. - С.215-233.
ISSN 1727-9712
Гигиена труда и медицинская экология. №2 (47), 2015
30
7. Бочков Н.П. Экологическая генетика человека // Медицина труда и
пром. экология. - 2004. - №1. - С 1-6.
8. Ильинских Н.Н., Медведев М.А., Бессуднова С.С., Ильинских И.Н. Мутагенез при различных функциональных состояниях организма. – Томск, 1990. 228 с.
9. Rodriguez H., Drouin R., Holmquist G.P., et al. Mapping of Cu/H2O2induced DNA damage at nucleotide resolution in human genomic DNA by ligationmediated polymerase chain reaction // J. Biol. Chem. - 1995. - V.270. - P. 17633-17640.
10. Adam W., Kurz A., Saxa Moller C.R. Teplice program. Impact of air pollution on human health // Free Radic. Biol. Med. - 2001. - P. 167-181.
11. Хрипач Л.В. Оксидантный статус организма и его роль в чувствительности генома к повреждающим факторам окружающей среды: Автореф. … докт.
мед. наук: 14.00.07. - М., 2003. - 34 с.
12. Sone H. Endocrine disrupter and reproductive disorders // Nipron. Rinsho. 2000. - №12. - Р. 2521-2526.
13. Рахманин Ю.А., Мухамбетова Л.Х., Пинигин М.А. Исследования
влияния химического загрязнения окружающей среды на состояние здоровья детского населения методами неинвазивной биохимической диагностики // Гигиена и
санитария. - 2004.- № 2.- С. 6-9.
14. Пономаренко Т.М., Сычёв Д.А., Чикало А.О., Бердникова Н.Г., Кукес
В.Г. Система цитохрома Р450 в лёгких: роль в патогенезе заболеваний и фармакокинетике лекарственных средств // Фармакокинетика и Фармакодинамика. -2012. №1. - С. 25-28.
15. Дурнев А., Середенин С. Мутагены. Скрининг и фармакологическая
профилактика. – М.: Медицина; 1998. – 328 с.
16. Методы экспериментального исследования по установлению порогов
действия промышленных ядов на генеративную функцию с целью гигиенического
нормирования: Метод. рекомендации. - М., 1978. - 35 с.
17. Зенков Н.К., Меныцикова Е.Б., Реутов В.П. NO-синтазы в норме и при
патологии различного генеза // Вестник российской академии медицинских наук. 2000. - №4. - С. 30-34.
18. Yang J.Q., Buettner G.R., Domann F.E. et al. V-Ha-ras mitogenic signaling
through superoxide and derived reactive oxygen species // Anticancer Res.- 2001. V.21, №6A. - P.3949-56.
19. Меньшикова Е.Б., Зенков Е.К., Шергин С.М. Биохимия окислительного стресса. Оксиданты и антиоксиданты. – Новосибирск, 1994. - 203 с.
20. Сабиров Ж.Б. Оценка цитогенетического статуса лиц, проживающих в
условиях промышленного региона // Материалы научно-практ. конф. «Букетовские чтения -2015». – Караганда, 2015. – С. 243-245.
21. Харченко Т.В., Аржавкина Л.Г., Иванов М.Б., Язенок А.В. и др. Цитогенетическое обследоание работников предприятий повышенной химической
ISSN 1727-9712
Гигиена труда и медицинская экология. №2 (47), 2015
31
опасности и населения близлежащих территорий // Гигиена и санитария. – 2011. №5. – С. 42 – 44.
22. Сабиров Ж.Б., Намазбаева З.И. Оценка цитогенетического состояния
населения, проживающего на урбанизированных территориях // Матер. Всерос.
науч.-практ. конф. с междун. участием «Инновационные технологии в медицине
труда и реабилитации». – Белокуриха, Алтайский край, 2013. - С. 131-132.
23. Bonassi S., Norppa H., Ceppi M. et. al. Chromosomal aberration frequency
in lymphocytes predicts the risk of cancer: results from a pooled cohort study of 22 358
subjects in 11 countries // Carcinogenesis. – 2008. – Vol. 29, №6. – Р. 1178-1183.
24. Fucic A., Jazbec A., Mijic A. et al: Cytogenetic consequences after occupational exposure to antineoplastic drugs // Mutat. Res. – 1998. – Vol.416. – Р.59–66.
25. Tucker J.D., Tawn E.J., Holdsworth D. et. al. Biological dosimetry of radiation workers at the Sellafield nuclear facility // Radiat. Res. - 1997. - Vol.148. - Р. 216226.
Тұжырым
Өнеркәсіптік қалалардағы шаң құрамын талдау ауыр металдардың айтарлықтай концентрациясын байқатты. Ауыр металдардың генді улау белсенділігін
анықтау үшін жүргізілген зерттеулер жиі байқалатын хромосомдық ауытқу сияқты, мутациялық өзгерістерге ұшырау қабілеттілігін көрсетті. Ағзаға химиялық
агенттердің, атап айтқанда ауыр металдардың әсері құрылымдық хромосомдық
мутацияның бірнеше жолмен пайда болуының негізгі немесе қосымша себептері
болуы мүмкін.
Түйінді сөздер: ДНҚ, хромосомдық ауытқулар, ауыр металдар, гендік улану, құрылымдық ауытқулар, липидтердің асқынтотықтануы, оттегінің белсенді түрлері, аденозинтрифосфат (АТФ), азот оксиді (NO)
Summary
The composition of dust in industrial city’s indicates the presence of these large
concentrations of heavy metals indicates their ability to exert mutagentic, often manifested as chromosomal aberrations. Under the action of chemical agents on the organism such as heavy metals may be caused primary or secondary structural chromosomal
mutations.
Key words: DNA, chromosomal aberrations, heavy metals, genotoxic, structural abnormalities, lipid peroxidation, reactive oxygen species (ROS), adenosine triphosphate (ATP),
nitric oxide (NO)
ISSN 1727-9712
Гигиена труда и медицинская экология. №2 (47), 2015