Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

ствие УФ^нзлучения. М., 1975, с. 84.

Завильгельский Г. В., Парибок В. П. Молекулярные механизмы действия УФ-нзлучения на клетку.— В сб.: Ультрафиолетовое излучение, вып. 5. М., 1971, с. 5.

Смит К., Хэнеуолт Ф. Молекулярная фотобиология. Процессы инактивации и восстановления. М., 1972.

Cleaver J. Е. Repair processes for photochemical damage in mammalian cells.— Adv. Radiat. Biol., 1974, 4, 1.

Grossman L. Enzymes involved in the repair of DNA.—Adv. Radiat. Biol., 1974, 4, 77.

Sutherland J. C. Photophysics and photochemistry of photo-reactivation.— Photochem. and Photobiol., 1977, 25, 435.

W i t k i n E. UV-mutagenesis and inducible DNA repair in E. coli.— Bacteriol. Rev., il976, 40, 869.

Глава ХУШ. МУТАЦИОННЫЕ И РЕКОМБИНАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

1. МУТАЦИИ

В наиболее общей форме мутации — это наследуемые качественно новые изменения генетического аппарата, связанные с возникновением иной нуклеотидной последовательности в ДНК. Прежде чем перейти к рассмотрению фотобиологических аспектов мутагенеза, целесообразно привести краткую классификацию мутаций и не* которые сведения из терминологии.

Различают крупные хромосомные перестройки (выпадение, перемещение на новое место нлн ниверсня на 180° значительных фрагментов хромосом) и точечные мутации. Именно последние представляют наибольший интерес для фотобиологии. При точечных мутациях происходит замена одного нз оснований в ДНК на другое, выпадение (делеция) нлн вставка одного нз нуклеотидных остатков. Замена пуринового основания на пурииовое и пирнмндннового — на пиримн-днновое называется транзнцней, а пуринового на пнримндиновое или наоборот — трансверзией. Следствием и транзиций и трансверзий может быть: 1) образование бессмысленных кодонов, ие кодирующих аминокислоты УАГ (амбер-мутация), УАА (охра-мутация) и УГА. Этн три типа мутаций называются ноисенс-мутациямн и приводят к прерыванию синтеза либо и-РНК, либо белка; 2) изменение смысла ко дон а, приводящего к включению в белок неверной аминокислоты (миссенс-мутации).

Выпадение и вставки оснований приводят к сдвигу чтения генетического кода на одну букву, в результате чего первичная структура белка резко меняется — мутация ?р сдвигом рамки. Сдвиг рамки может сопровождаться возникновением в цепи ДНК бессмысленных ко-донов. Последствия мутаций со сдвигом рамки могут быть частично или даже полностью устранены второй мутацией со сдвигом рамки, восстанавливающей правильность чтения букв,— обратные или су-прессорные мутации.

Частота мутаций — отношение числа мутировавших к числу выживших клеток. Скорость мутационного процесса — число мутаций на один цикл репликации ДНК в клетке.

Ультрафиолетовый свет является одним из естественные мутагенных факторов. Наибольшей мутагенной активностью обладает свет с длиной волны менее 300 нм. Мутагенное действие видимого света (с очень низким квантовым выходом), как правило, зависящее от кислорода, по-видимому, в большинстве случаев обусловлено фотодинамическим эффектом. Свет с длиной волны 300 нм, обладающий слабой бактерицидной активностью, мутаций не вызывает.

Индуцированные светом мутации возникают у вирусов, микроорганизмов, одноклеточных растений и животных, а также клеток и культур тканей высших растений и животных. При надежной оптической экранировке половых клеток высших растений и животных прямой фотомутагенез становится практически невозможным. Например, при УФ-облучении взрослых дрозофил только 0,1% квантов биологически активного света достигают зародышевых клеток. Однако не исключаются и косвенные мутации, вызываемые фотохимическими продуктами, переносимыми между клетками организма (химический мутагенез). Выявлены такие штаммы бактерий, у которых при облучении УФ-светом, обладающим эффективным летальным действием, мутации практически не наблюдаются. Наряду с мутациями ультрафиолетовый свет вызывает различного типа хромосомные аберрации (разрывы, делеции и транслокации хромосом).

Описано три типа спектров действия фотомутагенеза: 1) чисто нуклеиновый (ДНК) с максимумом при 260—265 нм (рис. 59); 2) чисто белковый с максимумом при 280 нм; 3) смешанный спектр с нуклеиновыми и белковыми компонентами. Наиболее часто встречаются спектры действия первого и третьего типов.

Для некоторых биологических тест-объектов (обратные мутации чувствительного к стрептомицину штамма Е. coli В/г) отмечается линейность между частотой мутации и дозой облучения, для других (например, летальные мутации у дрозофилы) — экспоненци-альность. Как правило, эффективность УФ-света нелинейно зависит от его дозы (рис. 60): она снижается

Рис. 59. Спектры действия гибели (X), мутации (О) дрожжей (а) и мутагенеза Е. сэП И/г )0Р (б) (Raut С, Simpson W., 1955):

при слишком малых или больших дозах. При этом нелинейность, по данным Свенсона и Штадлера, имеет неодинаковый характер для различных длин волн ультрафиолетового света. У многих микроорганизмов зависимость отношения числа мутаций к числу выживших клеток описывается кривой следующего типа (см, рис. 60): рост — плато (максимум)—-падение («завал»). Подобные кривые получены для бактериофагов, насекомых и высших растений. Иногда, однако, «завала» кривой не происходит даже при очень больших дозах (100—500 Дж/м2).

Появление максимума может быть обусловлено большей вероятностью гибели мутированных клеток или увеличением вероятности реверсии мутированных клеток к дикому состоянию. Согласно второй гипотезе, в основе реверсии мутантов к дикому состоянию может лежать, например, усиление репарационных процессов вследствие задержки деления или снятия генетического дефекта супрессорными мутациями. Если бы появление максимума было обусловлено увеличением вероят*

иости реверсии мутированных клеток к дикому состоянию, то при больших дозах облучения, при которых выход мутантов максимален, должны были наблюдаться явные аномалии в кривых выживаемости. Такие аномалии, однако, не наблюдаются в действительности. В связи с этим представляется более обоснованной первая гипотеза.

Увеличение вероятности гибели мутированных клеток может быть вызвано: 1) ростом вероятности гибели несущих мутации клеток под действием последующих фотоповреждений ДНК, поскольку мутанты обладают повышенной фоточувствитель-Ю ностью; 2) увеличением | ^ гибели мутированных кле-^ ^ ток через взаимодействия ядра с цитоплазмой, поврежденной большими дозами УФ-света; 3) гетерогенностью клеточной популяции; 4) возникновением некритических повреждений ДНК, препятствующих миграции энергии к критическим мутагенным участкам полинуклеотидной цепи.

Первое, третье и четвертое предположения легко уязвимы для критики. Например, при справедливости первого предположения оставшаяся после первого облучения популяция клеток (отличная по геному от исходной) обладала бы при Повторном облучении повышенной фоточувствительностью, что не подтверждается экспериментом. К настоящему времени следует считать наиболее обоснованным объяснение максимума за счет взаимодействия мутантного ядра с дефектной цитоплазмой. Действительно, отмечается повышенная смертность мутантов в период их «темновой» жизни.

Мутагенная фоточувствительность, как правило, существенно зависит от всех факторов, которые были рассмотрены в гл. XV. При мутагенном эффекте, как и при летальном, температура облучения практически несущественна, а пострадиационная важна. Эффектив* ность мутагенного действия ультрафиолетового света мало зависит от концентрации кислорода в среде. Мутации у фагов вызываются при облучении их не только внутри клетки-хозяина на различных стадиях инфекционного цикла, но и вне ее — in vitro.

Что же известно о молекулярных механизмах фотомутагенеза? Судя по спектрам действия, первичные фотофизические и фотохимические процессы локализованы главным образом в самой ДНК, хотя на основании косвенных данных высказывается предположение о возможности непрямого мутагенеза через фотообразование в клетке химических мутагенов, модифицирующих геном.

Значительный вклад в мутагенез вносит основное повреждение ДНК — образование пиримидиновых и прежде всего тиминовых димеров. Аргументами в пользу этого являются следующие факты: 1) обнаружение димеров в мутированных клетках; 2) сходство спектров действия мутагенеза фагов со спектром поглощения тимидина; 3) фотореактивируемость предмутаци-онного состояния: сравнение штаммов phr+ и phr-показало, что около 90% стрептомициновых и «про-тотрофных» мутаций обусловлено димерами; 4) параллелизм между снижением частоты мутаций и количеством димеров у дефицитных по ферментам темновой репарации мутантов Е. coli в последующих после УФ-облучения генерациях родительских клеток; 5) возникновение мутаций у фага Т4 в результате обменно-ре-зонансной триплет-триплетной миграции энергии от дериватов ацетофенона к тимину — сенсибилизированные мутации транзиций и сдвига рамки; 6) кодирование Г—У и У—У возникающими при УФ-облучении ДНК урациловыми димерами согласно опытам по синтезу полипептидов in vitro.

Вместе с тем ряд экспериментальных фактов указывает на то, что за возникновение мутаций ответственны не только пиримидиновые димеры, но и другие фотоповреждения ДНК. Это означает, что тиминовые димеры инициируют только определенную часть возникающих при УФ-облучении мутаций. К мутациям могут приводить и следующие фотохимические повреждения ДНК. 1. Гидратация цитозина с последующей заменой его через стадию оксиметилурацила в ходе репликации на тимин (транзиция), о чем свидетельствуют рост частоты мутаций у некоторых микроорганизмов с повышенным содержанием гуанина и цитозина и отсутствие ревертантов фагов после обработки гидро-ксиламином. Так, например, расчет, проведенный Г. Б. Завильгельским, показал, что у фага сд вклад нелетальных гидратов цитозина в мутагенез примерно равен удвоенному вкладу димеров тимина и всех остальных летальных повреждений. Известно также, что фотопродукты цитозина читаются как тимин или, возможно, как гуанин. 2. Сшивки ДНК — белок, являющиеся серьезным препятствием для ферментативной репликации ДНК. 3. Фототаутомеризация оснований, приводящая к замене пар аденин—тимин на

страница 55
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Фотобиология" (3.60Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(22.10.2019)