Для того чтобы агент был активным мутагеном, он должен обладать определенными свойствами: во-первых, легко проникать клетки организма, сохраняя его жизнеспособность, и, во-вторых, достигать ядра клетки и влиять на химическую структуру хромосом и происходящие в них химические процессы.
Все известные до сих пор наиболее активные мутагены обладают этими свойствами. К ним относятся, как мы видели, в первую очередь ионизирующие излучения, а затем ультрафиолетовые лучи. Существуют также и сильные химические мутагены.
Агенты, действию которых на клетки организма препятствуют его защитные механизмы, оказываются слабыми мутагенами, например, температура. Так, при постепенном повышении температуры в организме вступают в действие функциональные защитные механизмы, позволяющие ему сохранять постоянство внутренней среды (физиологический гомеостаз). Это справедливо и в отношении ряда химических агентов.
При длительном действии агента организм может приспособиться к нему за счет различных защитных приспособительных механизмов. Последние вырабатываются как в индивидуальном развитии, так и в ряду поколений за счет накопления соответствующих мутаций и закрепления их в генотипе отбором. Например, колхицин у растений вызывает полиплоидию, но он содержится в растении Colchicum (безвременник), не вызывая у него появления полиплоидных клеток. Следовательно, мутагенный эффект того или иного фактора может контролироваться приспособленностью к нему организма.
Изучение мутагенного эффекта химических агентов было начато давно. Первые экспериментальные работы, в которых был получен мутационный эффект под действием химических агентов, проведены в 1934 г., в Советском Союзе В. В. Сахаровым и М. Е. Лобашевым. Тогда же Лобашевым были предложены некоторые принципы выбора химических мутагенов, которые в дальнейшем получили подтверждение. Указывалось, что химическое вещество, используемое в качестве мутагена, должно обладать 1) высокой проникающей способностью, 2) свойством изменять коллоидное состояние хромосом и 3) определенным действием на изменение гена или хромосомы. В исследованиях тех же лет М. Е. Лобашевым было показано влияние бескислородной среды на мутации.
Первые поиски сильных химических мутагенов были малоуспешными, еще не были известны такие химические вещества, которые могли бы конкурировать по эффективности с ионизирующими излучениями. Однако впоследствии И. А. Рапопортом в СССР и Ш. Ауэрбах в Англии были найдены мощные химические мутагены, названные первым супермутагенами.
Так, например, в работе И. А. Рапопорта 1946 г. при действии сублетальной дозы водного раствора формалина (формальдегида) на личинок дрозофилы было получено 47 летальных мутаций на 794 исследованных по методу ClB половых хромосом, или 5,9%, тогда как в контроле — лишь l летальная мутация на 833 хромосомы, т. е. 0,12%. В исследованиях Ш. Ауэрбах и Д. Робсона было показано влияние серного и азотного аналогов горчичного газа (иприта), при действии которых возникает до 24% летальных, сцепленных с полом, мутаций, тогда как в контроле их было только 0,2%. Далее выяснилось, что этот агент вызывает все виды прямых и обратных точковых мутаций, а также хромосомные перестройки. Проведенное ими сравнение действия этих веществ, а также формальдегида и уретана с действием рентгеновых лучей показало, что в обоих случаях нет никаких принципиальных различий в характере вызываемых изменений — возникают как генные мутации, так и хромосомные перестройки.
В настоящее время открыто очень много химических веществ, обладающих мутагенным эффектом. Используемые методы воздействия химическими веществами на организмы с целью получения мутаций определяются целью исследования, дозировкой, особенностью объекта, стадией развития организма, а для половых клеток животных — стадиями гаметогенеза.
Значение методики для оценки результатов опытов поучительно выявляется на следующем примере. Формальдегид проявляет себя как активный мутаген при внесении его в пищу личинок дрозофилы. Но воздействие парами его на тех же личинок или имаго не оказывается мутагенным. Заключение об эффективности мутагена на основе одной методики может оказаться неверным.
В таблице приведен список некоторых изученных химических мутагенов, вызывающих почти все виды мутаций у разных организмов. Эти вещества могут изменять характер своей активности в зависимости от вида, к которому относится организм, от стадии его развития, от состояния ядра в митотическом цикле и т. д.
Химические вещества, повышающие частоту мутаций и вызывающие разрывы хромосом
После того, как была изучена молекулярная структура хромосом, действие химических мутагенов стали рассматривать исходя из химических процессов, происходящих в молекуле ДНК. Э. Фриз, например, все наиболее изученные химические мутагены разделяет на две крупные группы: мутагены, действующие на нуклеиновые кислоты в процессе их репликации, и мутагены, действующие на них в фазе нереплицирующейся ДНК, т. е. «покоя», с последующей репликацией.
В настоящее время делается попытка классификации химических мутагенов по их структуре и действию. К первой группе относят высокоактивные химические вещества, которые могут переносить алкильные группы на другие молекулы. Сюда входят наиболее активные химические мутагены (иприт, формальдегид, этилметансульфонат и др.), которые по своему мутагенному эффекту сходны с ионизирующими излучениями. Такие вещества иногда называют радиомиметическими.
Ко второй группе относят перекиси. Активными в них являются свободные радикалы (OH, H, HO2), поэтому все факторы, способствующие образованию свободных радикалов, усиливают мутагенный эффект перекисей. К таким факторам относятся кислород, вода, ультрафиолетовые лучи, видимый свет и т. д.
Механизм действия третьей группы — метаболит-аналогов заключается в замещении ими нормальных метаболитов в ходе обменных процессов в клетке. К этой группе относятся, например, различные производные пуриновых и пиримидиновых оснований — бромурацил, аминопурин, производные фолиевой кислоты, аминоптерин и др.
К последней, четвертой, группе относят вещества, принцип действия которых еще не ясен: это различные минеральные соли, алкалоиды, некоторые красители и др.
При изучении действия химических веществ обнаружено еще одно интересное явление, как потом оказалось, общее с влиянием ионизирующих излучений и ультрафиолетовых лучей, а именно явление отсроченных мутаций. Оно заключается в том, что возникающие в момент воздействия химическим мутагеном (иприт, формальдегид и уретан) мутации проявляются в зиготе не первого, на второго поколения в виде многочисленных гонадных мозаиков, половые клетки у которых в отдельном участке гонады несут определенную мутацию.
Это явление объясняется следующим образом. Если каждая хромосома политенна, то она состоит из кратного двум числа хромонем. Мутация гена может возникнуть лишь в одной из многих хромонем данной хромосомы. Естественно, что при этом мутация проявится лишь в том поколении, в котором, наконец, вся хромосома окажется состоящей из хромонем, возникших в результате редупликации исходной измененной хромонемы. Явление отсроченных мутаций обнаружено у дрозофилы и кукурузы. Однако это явление до сих пор остается малоисследованным.
Химические мутагены весьма разнообразны по своему эффекту. Влияние одних из них сходно с действием ионизирующей радиации как по активности, так и по типу вызываемых мутаций (генные мутации и хромосомные перестройки), действие других сильно отличается.
По данным И. А. Рапопорта, формальдегид как мутаген более эффективен при воздействии на сперматозоиды насекомых, а при воздействии на оогонии, ооциты и яйца — не активен. Дихлорэтан чаще вызывает мутации в женских половых клетках, чем в мужских. Диэтилсульфат вызывает почти равное количество мутаций у тех и других. Для действия ряда химических мутагенов (этиленимин) на женские и мужские половые клетки существует определенная зависимость частоты возникновения мутаций от продолжительности экспозиции, т. е. от дозы мутагена.
Наблюдаемое сходство и различие химических мутагенов и ионизирующих излучений, по-видимому, определяется тем, преимущественно какого типа возникают мутации на разных стадиях развития половых клеток. Хромосомные мутации, возникающие в клетках до мейоза, могут в значительной части элиминироваться, а генные сохраняться. Кроме того, химические мутагены более разнообразны по характеру действия на атомном, молекулярном и хромосомном уровнях.
Считается, что мутагенный эффект могут дать агенты, обладающие одним из следующих свойств:
- подавлять синтез предшественников нуклеиновых кислот — пуринов, или пиримидинов; могут быть агенты, которые подавляют синтез одного какого-либо основания: тимина, аденина или гуанина;
- включаться в ДНК и РНК как аналоги оснований, замещая природные; к таким искусственным аналогам относятся 5-бромурацил и 5-хлорурацил, которые могут замещать тимин в ДНК бактерий.
Такого рода классификация условий действия мутагенов учитывает возможность изменения кодовой наследственной информации лишь на молекулярном уровне и не охватывает изменений, происходящих на хромосомном уровне: индуцирование хромосомных перестроек, межгенных рекомбинаций. Очевидно, что в мутациях на хромосомном уровне участвуют более комплексные процессы, затрагивающие белковые и неорганические химические компоненты хромосомы. Общей теории действия мутагенов пока еще нет. Существующие гипотезы относительно молекулярного механизма мутаций будут освещены в следующей главе.
Изучению химического мутагенеза принадлежит большая роль в раскрытии тайны явления наследственности и наследственной изменчивости.