авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Астрологический Прогноз на год: карьера, финансы, личная жизнь


ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ

Под редакцией С. А. Гераськина и Е. И. Сарапульцевой

Допущено

Учебно-методическим объединением

по классическому университетскому образованию

в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по направлению «Биология» и биологическим специальностям

1 УДК 57(075.8) ББК 28.088я73 Б633 А в т о р ы:

С. А. Гераськин, Е. И. Сарапульцева, Л. В. Цаценко, В. М. Глазер, С. К. Абилев, С. Г. Смирнова, И. А. Замулаева, Л. Н. Комарова, Е. И. Степченкова, С. Г. Инге-Вечтомов, А. И. Ким, Д. В. Крутенко, Т. И. Евсеева, Г. Ф. Михайлова, Н. В. Амосова Р е ц е н з е н т ы:

зав. кафедрой ботаники Кубанского государственного аграрного университета, д-р биол. наук, проф. С. Б. Криворотов;

зав. лабораторией экологической генетики Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН, д-р биол. наук, проф. А. В. Рубанович Биологический контроль окружающей среды : генетиче Б633 ский мониторинг : учеб. пособие для студ. высш. проф. об разования / [С. А. Гераськин, Е. И. Сарапульцева, Л. В. Цацен ко и др.];

под ред. С. А.Гераськина и Е. И.Сарапульцевой. — М. : Издательский центр «Академия», 2010. — 208 с.

ISBN 978-5-7695-6536- В учебном пособии освещены теоретические основы и методология генетического мониторинга окружающей среды, описаны наиболее часто используемые практические методики. По структуре и содержанию книга представляет собой основу практикума к таким дисциплинам, как «Био логический и экологический мониторинг», «Генетика и селекция», «Гене тический мониторинг трансгенов», входящим в учебные планы многих специальностей биолого-экологической и агрономической направлен ности.

Для студентов учреждений высшего профессионального образова ния.

УДК 57(075.8) ББК 28.088я Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается © Коллектив авторов, © Образовательно-издательский центр «Академия», ISBN 978-5-7695-6536-6 © Оформление. Издательский центр «Академия», ПРЕДИСЛОВИЕ Учебное пособие подготовлено коллективом специалистов в области генетического мониторинга и биотестирования окружаю щей среды, имеющих большой опыт преподавания соответствую щих дисциплин.

Задача пособия — пополнение генетических знаний и интегра ция их в практической работе по выявлению в окружающей среде генотоксикантов, представляющих опасность для живых систем.

По структуре и содержанию книга представляет собой основу практикума к таким дисциплинам, как «Биологический и эколо гический мониторинг», «Генетический мониторинг трансгенов», «Генетика и селекция», входящим в учебные планы многих специ альностей биолого-экологической и агрономической направлен ности. В ней изложены предмет, цели, задачи и методы генетиче ского мониторинга окружающей среды. Приведены современные данные о генотоксикантах, способных индуцировать мутации в клетках микроорганизмов, растений, животных и человека. Дана система оценки генетической опасности на разных уровнях орга низации живой материи: молекулярном, клеточном, организмен ном и популяционном. Имеется словарь ключевых терминов и понятий.

При разработке учебного пособия авторы использовали опыт преподавания курсов «Генетика и селекция», «Биологический и экологический мониторинг», «Биобезопасность и экологический риск» для студентов, обучающихся по направлению «Биология», а также курсов «Генетический мониторинг» и «Генетически моди фицированные организмы в сельском хозяйстве» для студентов биологических специальностей аграрных вузов, обучающихся по специальности «Генетика и селекция сельскохозяйственных куль тур». Эти курсы становятся особенно востребованными в связи с быстро меняющейся ситуацией на сельскохозяйственном рынке.

Большое внимание уделяется генетическому мониторингу трансгенов, которые являются неотъемлемой частью современных продовольственных рынков. Для мониторинга генетически моди фицированных организмов (ГМО) необходим универсальный подход. В качестве одного из вариантов предлагается ПЦР-анализ по конкретной специфической вставке, внедренной в геном транс генных растений. Детально представлено положение дел в этой области исследований, впервые описаны методы генетического мониторинга агропопуляций высших растений.

Пособие включает теоретические основы и методологию гене тического подхода к биотестированию качества окружающей среды, в том числе мониторинг человека и генетически модифи цированных организмов (гл. 1 — 5). Теоретические главы завер шаются списком литературы, куда вошли монографии, учебники, учебные пособия известных ученых в области генетики, биоин женерии, биоэкологии и охраны окружающей среды.

Практическая часть пособия содержит подробное описание 12 методов генетического контроля окружающей среды, включая методы мониторинга человека (гл. 6). Работы приведены в форме, доступной для воспроизведения их студентами на практических занятиях продолжительностью 2 — 4 академических часа. Боль шинство практических работ сопровождается рисунками, спра вочным материалом и рабочими таблицами, к каждой работе дается список литературы.

Глава 1 учебного пособия написана Л. В. Цаценко и Е. И. Сара пульцевой;

глава 2 — С. А. Гераськиным, Л. В. Цаценко и Т. И. Ев сеевой;



глава 3 — С. К. Абилевым, В. М. Глазером, И. Ким, С. А. Ге раськиным, С.Г.Инге-Вечтомовым, Е.И.Степченковой, Е. И. Сара пульцевой и Л.В.Цаценко. Авторами главы 4 являются С.Г.Смирнова и И. А. Замулаева;

главы 5 — Л. В. Цаценко, Е. И. Сарапульцева, Л. Н. Комарова и Д. В. Крутенко. В подготовке и подробном опи сании практических заданий по освоению методов генетического контроля приняли участие все авторы книги, в том числе Г. Ф. Ми хайлова (подразделы 6.9;

6.10) и Н. В. Амосова (подраздел 6.6).

Гл а в а ЦЕЛИ, заДачИ И мЕСтО гЕнЕтИчЕСкОгО мОнИтОРИнга В СИСтЕмЕ наук 1.1. Цели и задачи генетического мониторинга Генетический мониторинг — это научное направление, в рам ках которого разрабатываются методология и практические мето ды оценки появления и накопления в окружающей среде геноток сических веществ, изучения спектра их мутационного воздействия и способности индуцировать тот или иной вид генетических на рушений. К генотоксикантам относят вещества и агенты, способ ные индуцировать мутации в половых и соматических клетках, что является причиной наследуемых изменений в первом случае и бластомогенеза — во втором. Как отдельное научное направ ление генетический мониторинг возник на рубеже 70 — 80-х гг.

ХХ в. в связи с необходимостью разработки методов анализа из менений наследственных структур организма под влиянием тех ногенных факторов.

Основной целью генетического мониторинга является выявле ние объема и содержания генетического груза1 в популяциях жи вых организмов, а также количественных критериев оценки по следствий мутагенеза.

Термин «мониторинг» (от лат. мonitor — тот, кто напоминает, предупреждает, надзирает) вошел в обиход специалистов по охра не окружающей среды в 1972 г., когда на Стокгольмской конфе ренции ООН по окружающей среде было предложено создать глобальную систему мониторинга (Global Environment Monitoring Systems — GEMS). Термин «генетический мониторинг» в отно шении популяции человека применили Н. П. Дубинин и Ю. П. Ал тухов (1975 г.), определив его как наблюдение за уровнем мутаци онного груза в популяциях человека.

Наличие и степень проявления генетических изменений харак теризуют мутагенную активность среды, а возможность сохранения генетических изменений в популяциях отражает эффективность Генетическим грузом называют накопление летальных и сублетальных от рицательных мутаций, вызывающих при переходе в гомозиготное состояние выраженное снижение жизнеспособности особей или их гибель.

функционирования защитных систем организмов. В норме боль шинство генетических нарушений распознается и элиминируется клеткой, например: с помощью внутриклеточных систем репара ции, путем апоптоза или посредством иммунной системы. Досто верное превышение спонтанного уровня таких нарушений являет ся индикатором стрессового воздействия. Генетические изменения могут выявляться на генном, хромосомном и геномном уровнях.

Нестабильная экологическая обстановка и ухудшение общего состояния биосферы делают необходимым широкое использова ние генетического мониторинга. Генетический мониторинг вклю чает методы, позволяющие количественно оценить и прогнози ровать направленность и интенсивность мутационного процесса в популяциях, а в случае необходимости подобрать систему меро приятий, направленных на предотвращение отрицательных по следствий для живых организмов. Отсюда вытекает основная цель генетического мониторинга — получение информации о наслед ственных изменениях, которая необходима и достаточна для при нятия решений о мерах по защите генофонда от мутагенных фак торов окружающей среды, ослаблению их действия и предупреж дению вредных отдаленных последствий.





Проблема генетического мониторинга состоит в том, чтобы подобрать информационные показатели, способные с возможно большей полнотой отражать состояние генетических систем, дать оценку количественных параметров этих систем, а также их кор ректную интерпретацию.

Основные задачи генетического мониторинга включают: гене тико-токсикологическую оценку;

выявление зон повышенного риска;

оценку динамики и временных трендов генетических про цессов;

апробацию разных тест-систем;

построение универсаль ных математических моделей для разных типов популяций.

Различают следующие виды генетического мониторинга:

1) мониторинг природных генетических систем;

2) территориальный генетический мониторинг в связи с за грязнением природной среды;

3) мониторинг искусственных и экспериментальных генетиче ских систем.

Новым направлением в адаптивной селекции растений явля ется создание сортов-популяций, копирующих природные попу ляции. По мнению ряда исследователей, успех в создании новых типов агрофитоценозов будет зависеть от полноты моделирования в их структуре и функции принципов организации естественных растительных сообществ, характеризующихся высокой степенью гетерогенности. Ввиду этого необходимо разрабатывать принци пы двух типов генетического мониторинга: мониторинг природных и искусственных генетических систем.

1.2. Подходы к генетическому мониторингу Последствия воздействия факторов внешней среды на при родные и аграрные экологические системы в значительной степе ни определяются иерархичностью организации биоты. На каждом уровне биологической организации существуют свои специфиче ские способы защиты от экзогенных стрессоров (репарация, ре популяция, регенерация, изменение видового состава и структуры биоценоза и др.). Поэтому до высших уровней биологической организации стрессовые воздействия чаще всего доходят с запаз дыванием и в значительно смягченной, косвенной форме, хотя есть и обратные примеры, когда малое воздействие за счет систем ных и биологических механизмов усиления способно приводить к значительным эффектам. Таким образом, наиболее ранние из менения можно зафиксировать на молекулярно-клеточном уров не организации живой материи. При этом генетические тесты имеют уникальное значение для оценки изменений, наступающих, как правило, до появления морфологических, физиологических, популяционных и других отклонений от нормы. Генетические тесты фиксируют наиболее серьезные последствия загрязнения окружающей среды — усиливающееся мутагенное давление на биосферу, проявляющееся в увеличении частоты канцерогенеза и наследственных заболеваний, возрастании генетического груза в популяциях человека, животных и растений, изменении их гене тической структуры. Накопление генетических нарушений в долгосрочной перспективе ведет к ухудшению здоровья и репро дуктивной способности слагающих популяцию организмов. Сле довательно, именно генетические тест-системы должны исполь зоваться для ранней диагностики изменений, возникающих в результате хозяйственной деятельности человека.

Для оперативного выявления большинства мутагенов и канце рогенов в окружающей среде применяют краткосрочные генети ческие тесты. Давно известно, что некоторые химические вещества способны вызывать рак у человека и животных. Химические ве щества также вызывают мутации в половых клетках, которые повышают частоту наследственных заболеваний. Многие тысячи таких химических веществ, включая фармакологические препа раты, бытовые химические вещества и пищевые добавки, пести циды и нефтепродукты, уже присутствуют в окружающей среде и каждый год синтезируют все новые и новые химические соедине ния. Помимо этого, существуют и природные химические веще ства, относительно которых известно, что они обладают мутаген ной и/или канцерогенной активностью (например, микотоксины, содержащиеся в пищевых продуктах). Поэтому важно, чтобы хи мические вещества, воздействию которых люди подвергаются преднамеренно (например, во время терапевтических процедур), в повседневной жизни (это, в частности, относится к бытовым химическим веществам, косметическим средствам и т. п.), по не досмотру или небрежности (как в случае с пестицидами), испы тывались на способность индуцировать генетические нарушения (мутации).

Мутагенные химические вещества взаимодействуют с ДНК, вызывая изменения в ее структуре. Эти процессы могут приводить к потере, увеличению или замене оснований, изменяя тем самым содержащуюся в ДНК генетическую информацию.

Выявление канцерогенных свойств химических веществ в экс периментах на животных — сложное и дорогое научное исследо вание. В нем, как правило, используется несколько сотен грызу нов, которым предполагаемый канцероген вводится на протяже нии большей части их жизни. Поэтому в последнее тридцатилетие наблюдается внедрение в практику исследований относительно быстрых тестов. Эти тесты экономичны и позволяют получить результаты в течение нескольких недель. Почти все краткосрочные методы основаны на выявлении хромосомных повреждений, ген ных мутаций или повреждений ДНК, при этом многие из них являются тестами in vitro (т. е. проводятся на экспериментальных биологических системах без использования целостных живых организмов). В этих тестах используется широкий спектр орга низмов — от бактерий и дрожжей до насекомых, растений и куль тивируемых клеток млекопитающих. Существуют также кратко срочные тесты, в которых лабораторные животные подвергаются воздействию изучаемого химического вещества на протяжении небольшого периода времени — от нескольких часов до недель.

Хотя в литературе описано более сотни тест-систем для исследо вания генотоксичности на разных уровнях биологической орга низации — от бактериофагов до млекопитающих, регулярно при меняются менее 20 из них, а некоторые могут быть выполнены лишь в специализированных лабораториях.

Иерархическая структурно-функциональная организация жи вого предполагает оценку генетических изменений на разных уровнях биологической организации. Например, применительно к агропопуляциям используют следующие подходы.

• Клеточный уровень — цитогенетический скрининг. Преиму щество цитогенетического анализа заключается в том, что он дает характеристику состояния всего генома. Это один из наиболее чувствительных генетических тестов, который может быть ис пользован в качестве «биологического дозиметра» техногенного загрязнения территории.

Основные растительные тест-системы для скрининга мутагенов и мониторинга in situ условно делят на две группы: в первой ис пользуют спорофиты, во второй — гаметофиты. Цитологические методы на спорофитах включают изучение митоза в меристемах побегов и корешков растений и мейоза в цветковых почках. К ци тогенетическим тестам на гаметофитах относят тесты на микро ядра в тетрадах микроспор, а также прохождение митоза в пыль цевых зернах и пыльцевых трубках. Для моногенных признаков спорофитов разработаны спот-тесты на сое, табаке, кукурузе и других объектах, для гаметофитов — тесты специфического локу са (методы с анализом активности отдельных ферментов, система локуса waxy). В цитоэмбриологических исследованиях широко используются полигенные признаки: проращиваемость пыльцы, мужская стерильность и др. При использовании пыльцы растений в качестве тест-системы при мониторинге, скрининге и для вы явления токсического действия мутагенов необходимо учитывать такие ее генетические характеристики, как орнаментация, вид, форма, стерильность и жизнеспособность, содержание белков и крахмала.

• На организменном уровне ведется наблюдение за частотой «сторожевых» фенотипов. В качестве «сторожевых» могут быть выбраны мутантные фенотипы по форме колоса или метелки, а также различные отклонения в развитии растения — тератоморфы.

Рис. 1.1. Схема проведения генетического мониторинга фитопопуляции (на примере озимой пшеницы) Следует различать отклонения в развитии, вызванные действием генетических и экологических факторов.

• На популяционном уровне проводят учет элементов, характе ризующих продуктивность популяции растений, а именно коли чество развитых и неразвитых цветков в колосе или метелке, массу 1 000 зерен. Оценку гетерогенности семенного потомства исследуемых форм проводят по критериям: энергия прорастания семян;

всхожесть;

выживаемость проростков;

количество про ростков;

индекс устойчивости (толерантности), определяемый как отношение длины корней у проростков на растворе с исследуемым загрязнителем к приросту корней на растворе того же состава без загрязнителя;

выявление генотипов, характерных для той или иной среды в зависимости от уровня техногенной нагрузки.

Успех генетического мониторинга зависит от системы тестов, к которым предъявляются специфические требования. Так, для зерновых колосовых культур набор тестов для генетического мо ниторинга будет охватывать все уровни биологической организа ции (рис. 1.1) — пример приведен для озимой мягкой пшеницы и ячменя. Набор тестов может меняться для каждой культуры, так как зависит от индивидуальных особенностей фаз органогенеза.

1.3. История зарождения генетического мониторинга как научного направления Генетический мониторинг основан на фундаментальных зна ниях, накопленных генетикой. В процессе становления генетики как науки можно выделить несколько этапов. До конца ХIX в.

в биологии существовали разные гипотезы о природе наследствен ности и изменчивости. Основными предпосылками для форми рования научных представлений об этих явлениях служили на блюдения за половым размножением у животных и растений, результаты опытов по гибридизации растений и развитие учения о клетке. Основы современных представлений о наследственности и изменчивости организмов были впервые сформулированы чеш ским исследователем Г. Менделем (G. J. Mendel) в 1865 г. Он уста новил закономерности наследования родительских признаков в гибридном потомстве и сделал вывод, что формирование каж дого наследственного признака определяется парой материальных наследственных задатков, один из которых организм получает от матери, другой — от отца. Конкретная реализация признака определяется взаимоотношениями доминантности — рецессив ности между материнским и отцовским задатками. При созрева нии половых клеток в каждую отдельную клетку попадает только по одному гену от каждой пары. Проведенные независимо друг от друга в начале ХХ в. опыты Г. де Фриза в Голландии, К. Корренса в Германии и Э. Чермака в Австрии показали универсальное зна чение сформулированных Г. Менделем принципов для живой природы и человека.

Важнейшим шагом в развитии генетики стало построение Т. Морганом (Th. Н. Morgan) и его сотрудниками в 1910 — 1915 гг.

хромосомной теории наследственности, согласно которой гены располагаются на хромосомах в линейной последовательности и воспроизводятся при клеточных делениях, а хромосомы могут обмениваться своими участками (кроссинговер), что приводит к рекомбинации генетического материала. Следующим шагом было установление химической природы генов. Советский генетик Н. К. Кольцов одним из первых развил представление о форме существования наследственного материала (1927 г.), а Н. В. Тимо феев-Ресовский с соавторами в середине 30-х гг. ХХ в. вычислили примерный объем гена. В 1944 г. О. Эйвери (О. Т. Avery) с соавто рами показали, что носителем наследственного материала явля ется молекула ДНК. В 1953 г. Дж. Уотсон (J. D. Watson) и Ф. Крик (F. Н. С. Crick) предложили модель строения ДНК, механизмы ее репродукции и изменчивости, а несколько позже создали теорию универсального генетического кода, с помощью которого генетиче ская информация, зашифрованная в ДНК, реализуется в структуре белка. Эти открытия означали переход генетики на молекулярный уровень исследования фундаментальных биологических процессов.

В начале ХХ в. Г. де Фризом (Н. de Vries) была сформулирова на мутационная теория, хотя экспериментально индуцировать мутации долгое время не удавалось. В 1925 г. Г. А. Надсон и Г. С. Фи липпов открыли на низших грибах мутагенное действие рентге новских лучей, показав, что после облучения возникают разно образные новые расы, свойства которых воспроизводятся в по томстве. В 1927 г. Г. Меллер (Н. J. Muller) в опытах на дрозофиле убедительно доказал, что ионизирующее излучение способно индуцировать мутации. Позже И. А. Рапопорт и Ш. Ауэрбах (Ch. Auerbach) открыли явление мутагенеза под влиянием хими ческих веществ. Теперь известно, что в окружающей нас природ ной среде содержится много разнообразных химических, физиче ских и биологических факторов (мутагенов), способных вызывать мутации у всех живых организмов, включая человека. К концу 80-х гг. ХХ в. у человека было выявлено свыше 4 тысяч мутантных фенотипов. Особое значение для слежения за частотой мутагене за приобрел анализ мутаций белков крови. Мутационный анализ позволил изучить структуру гена гемоглобина и другие важные особенности строения, функции и организации генетического материала у человека.

В начале ХХ в. датский генетик В. Иоганнсен (W. Johannsen) сформулировал понятия «генотип» (совокупность наследственных задатков) и «фенотип» (совокупность их проявлений). Российский биолог И. И. Шмальгаузен ввел понятие «норма реакции генотипа»

(рамки, в пределах которых может варьировать проявление фено типа в ответ на изменения условий среды). Советскими генетиками Б.Л.Астауровым и Н.В.Тимофеевым-Ресовским в 20—30-е гг. ХХ в.

были разработаны представления о комплексной обусловленности признаков организма взаимодействием генотипических, внутри организменных и внешнесредовых факторов. В 1944 г. американ ские генетики Г. Бидл (G. W. Beadle) и Е. Тейтем (Е. L. Ta-tum), обобщив опыт изучения биохимических мутантов у микроскопи ческих грибов, предложили гипотезу о регуляции генами синтеза ферментов, выражаемую принципом «один ген — один фермент», что перевело феногенетику на биохимический, а затем и на мо лекулярный уровень.

В 20-е гг. ХХ в. параллельно и независимо друг от друга гене тиком из СССР С. С. Четвериковым, англичанами Р. Фишером (R. Fisher) и Дж. Холдейном (J. В. S. Haldane), американским уче ным С. Райтом (S. Wright) были заложены основы популяционной генетики. Ими сформулировано представление о генетической гетерогенности популяций, а также о роли системы скрещивания, колебаний численности, миграций организмов, мутаций, репро дуктивной изоляции и естественного отбора в изменениях гено типического состава популяций и их эволюции. Позже популя ционная генетика составила основу синтетической теории эво люции.

Первостепенной задачей генетики стали оценка и последующее длительное динамическое слежение (мониторинг) за возможными отрицательными генетическими последствиями применения хи микатов, а также воздействия факторов, присутствующих в окру жающей среде, как для самого человека, так и для животных, растений и микроорганизмов. Значение генетического монито ринга факторов окружающей среды тем более велико, что мута генез наряду с тератогенезом и канцерогенезом составляет основ ной комплекс отдаленных опасных последствий повышения кон центрации биологически активных факторов в биосфере.

Гл а в а ФактОРы, ВЛИяющИЕ на гЕнЕтИчЕСкИЕ СтРуктуРы ОРганИзмОВ 2.1. Характеристика факторов, вызывающих наследственные изменения По современным оценкам количество загрязняющих среду обитания отходов ежегодно увеличивается в среднем на 4 %. Опас ность техногенных стрессоров состоит прежде всего в том, что биологические системы — организмы, популяции и биоценозы — недостаточно адаптированы к ним. Многие техногенные факторы отличаются по величине, интенсивности, продолжительности и моменту воздействия от существующей в природе нормы, что обусловливает их повышенную эффективность. До 90 % всех слу чаев рака у человека в настоящее время обусловлено воздействи ем факторов окружающей среды, из них 70 — 80 % — воздействи ем химических канцерогенов и около 10 % — радиационных.

Количество произведенных и находящихся в окружающей среде токсичных хлорорганических веществ достаточно для уничтоже ния всех аэробных организмов. Кроме 22 радионуклидов имеется 12 металлов (Be, Al, Cr, As, Se, Cd, Sn, Sb, Ba, Hg, Tl, Pb), токсич ных во всех своих водо-, щелоче- и кислотно-растворимых соеди нениях.

Возрастающее распространение техногенных химических со единений в окружающей среде сделало первостепенной задачу выявления генетически активных химических соединений. Для ее решения было необходимо разработать простые высокочувстви тельные методы, позволяющие оценить мутагенность широкого набора химических соединений и их сложных смесей. Были пред ложены многочисленные тесты с использованием микроорга низмов (часть таких тестов подробно описана в гл. 6). Однако микроорганизмы в качестве тест-объектов имеют существенный недостаток: система метаболизма у млекопитающих и бактерий значительно отличается. В организме млекопитающих и человека подавляющее большинство химических соединений претерпевают биотрансформацию, поэтому мутагенные и канцерогенные эф фекты определяются непрямым действием исходного соединения, а продуктов их метаболизма. В результате большинство известных химических соединений является не прямыми мутагенами и кан церогенами, а промутагенами и проканцерогенами. Это не по зволяет регистрировать с помощью микроорганизмов мутагенную активность метаболитов химических соединений, образующихся в процессе биотрансформации. Выход из этой ситуации был най ден.

Увеличение во всех компонентах биосферы количества доступ ных для живых организмов форм тяжелых металлов делает акту альным анализ последствий этих, обусловленных развитием че ловеческой цивилизации, процессов на биоценозы. Особенно важны такие исследования в отношении растений, поскольку со хранение оптимальных условий жизнедеятельности на нашей планете во многом зависит от состояния фитоценозов, их способ ности выполнять свои функции в биосфере.

В последнее время тревогу вызывает воздействие остатков пе стицидов, ионов тяжелых металлов и других ксенобиотиков на структуру, функции и генетическую основу агропопуляций, что может привести к ухудшению генетических свойств ценных видов культурных растений. В первую очередь отрицательное воздей ствие перечисленных факторов сказывается на генетической чи стоте сорта, т. е. способности из поколения в поколение передавать сгруппированные в селекционном процессе блоки генов с хозяй ственно важными характеристиками сортов.

Для сохранения генофонда культурных растений необходимы раннее тестирование и предсказание возможных изменений на уровне организма и популяции, связанных с использованием в сельском хозяйстве пестицидов и удобрений в реально приме няемых концентрациях. Решить эту задачу можно с помощью генетического мониторинга, уделив внимание изучению причин, механизмов и последствий мутационной изменчивости, т. е. на следуемых изменений генетического материала.

2.2. Действие физических и химических факторов на наследственный аппарат клетки Существуют серьезные отличия в механизмах действия физи ческих и химических факторов, связанные в первую очередь с различиями в формах передачи энергии и путей поступления в клетки-мишени. В частности, начиная с определенной дозы иони зирующего излучения, дальнейшее ее снижение влияет только на долю пораженных ядер, оставляя неизменной величину средней энергии, абсорбированной ядром, в отличие от химических мута генов, концентрацию которых можно уменьшать вплоть до моле кулы на клетку. Специфика химических факторов обнаруживает ся также при анализе путей их поступления в клетки. Хотя излу чения частично поглощаются покрывающей клетки-мишени тканью, но качество их при этом не меняется. Химические же агенты, проходя через метаболическую систему организма, могут существенно изменяться. При этом они могут как потерять свои токсические или мутагенные свойства, так и усилить их. Яркий пример такого превращения — циклофосфамид, широко исполь зуемый в качестве цитостатика. Это немутагенное само по себе соединение в организме млекопитающих превращается в сильный мутаген. Таким образом, различия в генетическом действии этих двух групп мутагенов носят кардинальный характер. Именно поэтому калибровочная кривая, построенная на основе облучения культуры клеток in vitro, может быть использована в целях био логической дозиметрии для оценки дозы облучения in vivo. Труд но представить что-либо подобное в отношении химических субстанций.

2.2.1. Действие физических факторов Относительный вклад в техногенную нагрузку факторов физи ческой природы стремительно возрастает. За последние 50 — 60 лет суммарная напряженность электромагнитных полей и интенсив ность неионизирующих излучений увеличилась по сравнению с естественным фоном в 1 000 — 1 000 000 раз. С точки зрения эко логии и эволюции такое увеличение можно рассматривать как мгновенный скачок со сложно предсказуемыми медицинскими, биологическими и экологическими последствиями.

Ионизирующее излучение (ИИ) в отношении индукции био логических эффектов является наиболее изученным из факторов физической природы. Первые экспериментальные доказательства способности ионизирующего излучения индуцировать мутации были практически одновременно получены в середине 20-х гг.

ХХ в. Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым на плесневых грибах Mucor genevensis, Г. Меллером на дрозофиле и Р. Стадлером на овсе. В результате этих исследований биологи впервые получили возможность экспериментально воздействовать на наследственную изменчивость. Ионизирующее излучение индуцирует все типы повреждений, возникающих в ДНК и спонтанно — от модифика ции отдельных оснований до крупных перестроек, захватывающих обширные области хромосом, включающие большое количество генов. Однако спектры спонтанных и индуцированных ионизи рующим излучением повреждений ДНК существенно различаются.

Если при спонтанном мутагенезе бльшая часть (65 %) поврежде ний ДНК относится к генным мутациям, а именно к заменам пар оснований, то при радиационном мутагенезе в основном возни кают делеции. Двунитевой разрыв ДНК (ДР ДНК) — самый опас ный и сложно репарируемый тип повреждений генетического материала, индуцируемый ионизирующим излучением и некото рыми химическими мутагенами. В то же время ДР ДНК постоян но возникают в клетках, хотя и с гораздо меньшей частотой, в ходе нормального функционирования генетического аппарата.

При анализе биологических эффектов действия ИИ важно ясно представлять, какие элементарные события происходят в облучен ной клетке и как соотносится уровень индуцированных генети ческих повреждений со спонтанным. Согласно исследованиям Б. Эймса, только за счет окисления активными формами кисло рода в ДНК одной нормальной клетки человека в течение суток возникает 1 млн повреждений оснований. Такое же количество повреждений формируется при g-облучении клеток в дозе 0,5 Гр.

В свете этих данных гораздо более понятными становятся оценки генетической эффективности естественного радиационного фона, на 6 порядков уступающие скорости образования спонтанных повреждений ДНК. Эта оценка остается справедливой даже с учетом того, что спектр индуцируемых ИИ повреждений смещен в сторону более тяжелых нарушений относительно спонтанных.

Тем не менее естественный радиационный фон индуцирует в клетке ДР ДНК в 1 000 раз реже, чем они возникают спонтанно.

В начальный период развития радиобиологии принято было считать, что выход мутаций на единицу дозы одинаков как для малых, так и для больших доз (линейность), и предполагалось, что квант энергии излучения, воздействуя непосредственно на хро мосому, вызывает в молекулах ДНК необратимые изменения (беспороговость). Эти постулаты легли в основу получившей в настоящее время наибольшее распространение линейной бес пороговой концепции, подразумевающей безусловную опасность любых уровней облучения, в том числе и не превышающих естест венный радиационный фон. На молекулярном уровне действие ионизирующего излучения действительно является беспороговым, поскольку энергия любого кванта излучения превышает энергию связи в биологических макромолекулах.

Накопление экспериментальных фактов показало возмож ность модификации результатов мутационного процесса разны ми факторами, а также то, что первичные повреждения ДНК восстанавливаются в ходе репарационных процессов. Это в кор не изменило концептуальную основу понимания мутационного процесса. Уже к середине прошлого века стало ясно, что при изучении биологического действия низких доз ИИ необходимо отойти от механически перенесенных из области больших доз представлений.

В чем же заключается причина существенных различий в от ветной реакции клетки на облучение в больших и малых дозах?

Исчерпывающего ответа на этот вопрос пока не существует, по этому до настоящего времени нет и общепризнанной концепции биологического действия малых доз ИИ. Однако многое уже из вестно, и это позволяет сделать вывод, что закономерности фор мирования биологических эффектов больших и малых доз прин ципиально различаются. В этом различии существенную роль играют так называемые «немишенные» феномены, выраженность которых не увеличивается с дозой облучения. Поэтому при об лучении в больших дозах они играют незначительную роль. По нятно, что такой характер проявления немишенных реакций са мым существенным образом сказывается на форме дозовой за висимости и определяет ее нелинейность в диапазоне малых доз.

Перечислим наиболее существенные из них:

• различие систем репарации, активируемых в клетке в ответ на облучение в больших и малых дозах;

• адаптивный ответ, заключающийся в увеличении устойчиво сти к большим дозам после воздействия в малых;

• эффект свидетеля, состоящий в том, что часть не подверг шихся воздействию клеток реагируют так же, как облученные;

• генетическая нестабильность, проявляющаяся в повышенной частоте возникновения самых разных генетических нарушений (генных мутаций, аберраций хромосом, гибели) в поколениях подвергшихся воздействию (не обязательно радиационному) кле ток. Это явление может проявляться на протяжении многих по колений, характерно как для соматических, так и для половых клеток и поэтому может проявляться у потомков облученных ор ганизмов.

Учет немишенных эффектов, играющих определяющую роль в формировании ответной реакции клетки на низкодозовое ра диационное воздействие, позволяет объяснить имеющиеся в нашем распоряжении факты закономерностей индукции гене тических эффектов малыми дозами ионизирующих излучений, а именно:

• принципиальное различие биологических эффектов, инду цируемых облучением в больших и малых дозах;

• малую величину дозы, вызывающей вскоре после облучения увеличение метаболической активности в клетках разного типа;

• нелинейность формы дозовой зависимости;

• существование нижнего порога эффектов по дозе;

• зависимость эффекта от мощности дозы;

• неспецифичность в отношении природы инициирующих агентов.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.