Генетическая токсикология, по определению, является изучением того, как химические или физические агенты влияют на сложный процесс наследственности. Генотоксичные химические вещества определяются как соединения, способные модифицировать наследственный материал живых клеток. Вероятность того, что конкретное химическое вещество вызовет генетическое повреждение, неизбежно зависит от нескольких переменных, включая уровень воздействия химического вещества на организм, распределение и удержание химического вещества после его поступления в организм, эффективность систем метаболической активации и/или детоксикации в организме. ткани-мишени и реактивность химического вещества или его метаболитов с критическими макромолекулами внутри клеток. Вероятность того, что генетическое повреждение вызовет заболевание, в конечном счете зависит от характера повреждения, способности клетки восстанавливать или усиливать генетическое повреждение, возможности выражения любого вызванного изменения и способности организма распознавать и подавлять размножение аберрантные клетки.

У высших организмов наследственная информация организована в хромосомах. Хромосомы состоят из плотно сжатых нитей ДНК, связанных с белками. Внутри одной хромосомы каждая молекула ДНК существует в виде пары длинных неразветвленных цепей нуклеотидных субъединиц, соединенных вместе фосфодиэфирными связями, соединяющими 5-углеродный фрагмент одной дезоксирибозы с 3-м углеродом следующего (рис. 1). Кроме того, к каждой субъединице дезоксирибозы присоединено одно из четырех различных нуклеотидных оснований (аденин, цитозин, гуанин или тимин), как бусинки на нитке. В трехмерном пространстве каждая пара нитей ДНК образует двойную спираль, все основания которой ориентированы внутрь спирали. Внутри спирали каждое основание связано с комплементарным ему основанием на противоположной цепи ДНК; водородная связь диктует прочное нековалентное соединение аденина с тимином и гуанина с цитозином (рис. 1). Поскольку последовательность нуклеотидных оснований комплементарна по всей длине дуплексной молекулы ДНК, обе нити несут по существу одинаковую генетическую информацию. Фактически, во время репликации ДНК каждая цепь служит шаблоном для производства новой партнерской цепи.

Рис. 1. Первичная (а), вторичная (б) и третичная (в) организация наследственной информации человека

Используя РНК и набор различных белков, клетка в конечном итоге расшифровывает информацию, закодированную линейной последовательностью оснований в определенных областях ДНК (генах), и производит белки, которые необходимы для основного выживания клетки, а также для нормального роста и дифференцировки. По сути, нуклеотиды функционируют как биологический алфавит, который используется для кодирования аминокислот, строительных блоков белков.

Когда вставляются неправильные нуклеотиды или нуклеотиды теряются, или когда во время синтеза ДНК добавляются ненужные нуклеотиды, такая ошибка называется мутацией. Подсчитано, что менее одной мутации происходит на каждые 10⁹ нуклеотидов, включенных в ходе нормальной репликации клеток. Хотя мутации не обязательно вредны, изменения, вызывающие инактивацию или сверхэкспрессию важных генов, могут приводить к различным нарушениям, включая рак, наследственные заболевания, аномалии развития, бесплодие и эмбриональную или перинатальную смерть. Очень редко мутация может привести к увеличению выживаемости; такие случаи лежат в основе естественного отбора.

Хотя некоторые химические вещества реагируют непосредственно с ДНК, для большинства требуется метаболическая активация. В последнем случае электрофильные интермедиаты, такие как эпоксиды или ионы карбония, в конечном счете ответственны за индукцию повреждений в различных нуклеофильных участках генетического материала (рис. 2). В других случаях генотоксичность опосредуется побочными продуктами взаимодействия соединений с внутриклеточными липидами, белками или кислородом.

Рис. 2. Биоактивация: а) бенз(а)пирена; и б) N-нитрозодиметиламин

Из-за их относительной распространенности в клетках белки являются наиболее частой мишенью взаимодействия токсикантов. Однако модификация ДНК вызывает большую озабоченность из-за центральной роли этой молекулы в регуляции роста и дифференцировки через несколько поколений клеток.

На молекулярном уровне электрофильные соединения имеют тенденцию атаковать кислород и азот в ДНК. Сайты, наиболее подверженные модификации, показаны на рис. 3. Хотя атомы кислорода в фосфатных группах в остове ДНК также являются мишенями для химической модификации, считается, что повреждение оснований имеет большее значение с биологической точки зрения, поскольку эти группы считаются основными информационными. элементов в молекуле ДНК.

Рисунок 3. Первичные участки химически индуцированного повреждения ДНК.

Соединения, содержащие один электрофильный фрагмент, обычно проявляют генотоксичность, образуя моноаддукты в ДНК. Точно так же соединения, которые содержат два или более реактивных фрагмента, могут реагировать с двумя разными нуклеофильными центрами и тем самым образовывать внутри- или межмолекулярные поперечные связи в генетическом материале (рис. 4). Межцепочечные сшивки ДНК-ДНК и ДНК-белки могут быть особенно цитотоксическими, поскольку они могут образовывать полные блоки репликации ДНК. По понятным причинам смерть клетки исключает возможность ее мутации или неопластической трансформации. Генотоксические агенты также могут действовать, вызывая разрывы в фосфодиэфирном остове или между основаниями и сахарами (с образованием базовых участков) в ДНК. Такие разрывы могут быть прямым результатом химической реактивности в месте повреждения или могут возникать во время репарации одного из вышеупомянутых типов повреждения ДНК.

Рисунок 4. Различные типы повреждений комплекса белок-ДНК

За последние тридцать-сорок лет было разработано множество методов для мониторинга типа генетического повреждения, вызванного различными химическими веществами. Такие анализы подробно описаны в других разделах этой главы. Энциклопедия.

Неправильная репликация «микроповреждений», таких как моноаддукты, абазические сайты или одноцепочечные разрывы, может в конечном итоге привести к заменам пар нуклеотидных оснований или вставкам или делециям коротких полинуклеотидных фрагментов в хромосомной ДНК. Напротив, «макропоражения», такие как объемные аддукты, перекрестные связи или двухцепочечные разрывы, могут вызывать увеличение, потерю или перестройку относительно больших фрагментов хромосом. В любом случае последствия могут быть разрушительными для организма, поскольку любое из этих событий может привести к гибели клеток, потере функции или злокачественному перерождению клеток. Как именно повреждение ДНК вызывает рак, в значительной степени неизвестно. В настоящее время считается, что этот процесс может включать неадекватную активацию протоонкогенов, таких как мой с и РАНи/или инактивация недавно идентифицированных генов-супрессоров опухолей, таких как р53. Аномальная экспрессия любого типа гена нарушает нормальные клеточные механизмы контроля клеточной пролиферации и/или дифференцировки.

Преобладание экспериментальных данных указывает на то, что развитие рака после воздействия электрофильных соединений является относительно редким событием. Частично это можно объяснить внутренней способностью клетки распознавать и восстанавливать поврежденную ДНК или неспособностью клеток с поврежденной ДНК выжить. Во время восстановления поврежденное основание, нуклеотид или короткий участок нуклеотидов, окружающих место повреждения, удаляются, и (используя противоположную цепь в качестве матрицы) синтезируется и сплайсируется новый фрагмент ДНК. Чтобы быть эффективной, репарация ДНК должна происходить с большой точностью до клеточного деления, до возможности распространения мутации.

Клинические исследования показали, что у людей с наследственными дефектами в способности восстанавливать поврежденную ДНК часто развивается рак и/или аномалии развития в раннем возрасте (таблица 1). Такие примеры дают убедительные доказательства связи накопления повреждений ДНК с болезнями человека. Точно так же агенты, которые способствуют пролиферации клеток (такие как ацетат тетрадеканоилфорбола), часто усиливают канцерогенез. Для этих соединений повышенная вероятность неопластической трансформации может быть прямым следствием уменьшения времени, доступного клетке для адекватной репарации ДНК.

Таблица 1. Наследственные, склонные к раку заболевания, которые, по-видимому, связаны с дефектами репарации ДНК

Самые ранние теории о том, как химические вещества взаимодействуют с ДНК, восходят к исследованиям, проведенным во время разработки горчичного газа для использования в войне. Дальнейшее понимание возникло благодаря усилиям по выявлению противоопухолевых агентов, которые могли бы избирательно останавливать репликацию быстро делящихся опухолевых клеток. Возросшее общественное беспокойство по поводу опасностей в окружающей среде побудило к дополнительным исследованиям механизмов и последствий химического взаимодействия с генетическим материалом. Примеры различных типов химических веществ, обладающих генотоксичностью, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Примеры химических веществ, проявляющих генотоксичность в клетках человека

Назад