CC BY
72
Принципы эколого-генетического тестирования, особенности действия слабых доз мутагенов и перспективы использования их фенотипических эффектов при комплексной оценке опасности загрязняющих веществ
Р.Ф. Гарипова, к.биол.н,
Оренбургский ГАУ
Система генетического мониторинга предусматривает накопление материала по специфическим экспресс-тест-системам, оценивающим вещество как потенциальный мутаген на всех уровнях живого, и ставит целью оценить фактор как
источник мутагенного загрязнения. Способов экспресс-анализа отдаленных последствий воздействия малых доз мутагенов не разработано, отсюда возможно ошибочное отклонение агента среды, недооценка его опасности.
Активность физических и химических мутагенов в слабых дозах проявляется в виде положительных модификаций. Впервые стимуляция,
«+» — модификация по Рапопорту И.А. (1984) [1], была открыта Н.С. Эйгес (1962) [2] и С.И. Макаровой (1966) [3]. Стимулирующий эффект использованных мутагенов подтвердили многие ученые на самых различных культурах растений, а также, практически параллельно, накапливался материал о позитивном влиянии малых доз мутагена на животных и микроорганизмы. С повышением дозы стимулирующий эффект сменялся ингибирующим. Причем граница перехода колебалась в ряду концентраций, зависела от сопутствующих немутагенных факторов.
Среди первичных изменений, наблюдаемых у растений при воздействии мутагенов от малых до летальных доз, известны морфозы — отклонения в физиологических и формообразовательных процессах, наступающие в ответ на необычные раздражения, к которым данный вид не мог выработать приспособительной реакции на протяжении своего филогенеза (Н.Д. Тарасенко, 1980) [4]. Наиболее сильно морфозы выражены в начале развития растений, полученных от обработанных мутагеном семян (М1). К концу развития М1 их число снижается. У сеянцев морфозы наблюдаются на стадии семядольных листьев и первых настоящих листочков. Листья срастаются частично или полностью, или, наоборот, отщепляют от себя дополнительные листовые пластинки, наблюдаются различные деформации семядольных листьев, примечательных мясистостью, хрупкостью, более темной зеленой окраской. В качестве прочих первичных нарушений чаще встречаются «слепые» побеги с толстыми, жесткими деформированными листьями, имеющими большое число вторичных листочков. У таких побегов в результате гибели терминальных точек роста наблюдается торможение верхушечного роста и анормальное развитие нижних листьев.
Химические мутагены вызывают морфозы менее часто, чем радиационные. Стимулирующие дозы мутагенов увеличивают частоту морфозов. Так, обработка семян картофеля 0,1%-ным раствором этиленимина приводит к превышению по сравнению с контролем максимального веса надземной массы в 4,4 раза и увеличение частоты морфозов на 0,4% [4]. Кроме того, стимулирующие дозы увеличивают вариабельность полиген-ных признаков, как, например, урожайность или содержание крахмала в клубнях. Средние значения по этим признакам превосходят контроль. Но часто обнаруживается чувствительность к некоторым вирусам. Причина разнообразия и непредсказуемости последствий воздействия заключается в множественности признаков, представляющих иммунитет, и полигенности каждого из этих признаков.
Таким образом, малые дозы мутагена даже в стимулирующем режиме расшатывают относительное постоянство генома.
Все виды ионизирующих излучений и некоторые химические мутагены вызывают значительную химерность у растений М1. В практике изучения мутагенов обычно исследуются хлорофиль-ные химеры.
Химерные организмы известны и среди растений, и среди животных, и людей. Индуцируются химеры тератогенными факторами. Порок развития при этом может быть связан или не связан с нарушением генетического аппарата. Считается, что тератогенным фактором может оказаться любой экологический фактор, если интенсивность его оказывается больше оптимальной [5]. Среди тератогенных факторов, помимо канцерогенов различных классов, некоторых углеводородов, соединений серы, амидов, аминов, альдегидов, фосфороорганических ядохимикатов, пестицидов и прочих агентов, отмечается ряд металлов и их соединений — ртуть, метилхлорид ртути, теллур, хлорид лития, соли кадмия, сульфат меди, нитрат свинца, цинк, барий [6].
По И.М. Нейману (1979) [7], химические вещества, способные повышать чувствительность тканей, способствуют созданию благоприятных условий для индукции опухолей. В целостном организме многочисленные процессы на тканевом и системном уровнях оказывают существенное влияние на развитие отдаленной патологии, в том числе, вызывают нарушения нейроэндокринной регуляции у животных и человека, снижающие адаптивные возможности организма, провоцирующие стресс и приводящие к ускоренному старению и истощению.
Основу отдаленной лучевой патологии на клеточном уровне составляют три типа нарушений, возникающих в результате непосредственного воздействия радиации. К ним относятся клеточная гибель, консервация наследственных нарушений и нелетальные наследственные изменения, то есть нарушения, которые стойко репродуцируются при размножении соматических клеток. Отсюда следует, что одним из механизмов формирования отдаленных последствий облучения является накопление повреждений в генетическом аппарате соматических клеток [8]. В связи с проблемой радиационного загрязнения окружающей среды в литературе чаще рассматриваются отдаленные эффекты малых доз мутагенов на примере влияния на организмы ионизирующего излучения.
По Н.П. Дубинину и Ю.Н. Пашину (1979) [9], малый эффект мутагена для целей скрининга наиболее важен, поскольку он реально обладает возможностью увеличивать спонтанный мутационный уровень как у отдельных индивидуумов, так и целых популяций, в то время как воздействию больших концентраций реально могут подвергаться сравнительно небольшие контингенты людей.
Малые дозы мутагенов (химической или физической природы) склонны индуцировать насле-
дуемые клеточно-летальные эффекты, проследить за которыми можно на одноклеточных организмах [10]. Рассматриваемое явление подразделяется на стохастические и нестохастические изменения в ряду поколений.
Стохастические наследуемые клеточно-летальные эффекты фиксируются как гибель клеток не только в первом поколении, но и после того или иного числа клеточных делений, что проявляется в образовании абортивных колоний.
Кроме того, потомство выживших клеток способно образовывать колонии, содержащие значительную долю нежизнеспособных клеточных элементов. Было установлено, что полученные повреждения обратимы как на клеточном, так и на популяционном уровне. Отдельные «нестабильные» линии, характеризующиеся повышенной вероятностью гибели клеток в течение продолжительного периода времени, можно поддерживать селективно. Основными признаками стохастического летального повреждения являются: гра-дулярная зависимость от дозы мутагена, гетерогенность поражения клеток в популяции и обратимость. Эти признаки не применимы при описании нестохастических клеточно-летальных изменений. Отличительными признаками нестохастического клеточно-летального эффекта являются: скачкообразность возникновения практически у 100% клеток; независимость (по степени проявления) от дозы; низкие значения индуцирующих доз; отсутствие в течение неопределенно долгого времени репарации на уровне как клетки, так и популяций; неспецифичность для мутагенных агентов; особенности ядерно-цитоплазматических взаимоотношений при индукции и наследовании эффекта и др. [10].
На многоклеточных организмах клеточно-летальные эффекты выражаются в форме дистрофических изменений в тканях, морфофизиологических аномалий, некрозов и других патологических изменений на более высоком организменном уровне. Чем выше организация живого, тем разнообразнее наблюдаемые отдаленные эффекты. Известно, что эффекты слабых концентраций мутагенов, сверхоптимальных температур, старения, дистрофических явлений в тканях сопровождаются общими для всех клеток явлениями: снижением барьерной функции мембран, активации их пе-рекисного окисления, нарушением белково-липидных связей, повреждением структурной цело-
стности мембран. По нашему мнению, степень проявления наследуемой клеточной летальности характеризует способность клеток противостоять ряду факторов с общим механизмом воздействия на клеточную мембрану. Вещество, способное индуцировать такую летальность, разрушает универсальную систему защиты клетки, основанную на избирательности проникновения веществ через мембрану.
Таким образом, биологическое тестирование, основанное на использовании классических тест-систем для оценки мутагенности веществ, — это первый и основной этап в прогнозировании опасности веществ, поступающих в окружающую среду. Отклонение малых доз мутагена как несущественных ошибочно, так как малые дозы создают фон для развития патологических изменений на всех уровнях организации живого. Биотестирование должно учитывать не только повышение частоты мутаций, но морфофизиологические нарушения, наличие «+»-модификаций и депрессии у растений; характер токсического воздействия вещества на рост, развитие индуцированных особей и их потомство; проявление наследуемых клеточно-летальных эффектов на одноклеточных, так как на этом уровне можно оценить первичную реакцию генома на внешнее воздействие и потенциальную способность агента провоцировать отдаленные патологии.
1. Рапопорт, И.А. Действие генетически активных веществ на фенотип и чистота генетического состояния // Химический мутагенез в повышении продуктивности сельскохозяйственных растений. М.: Наука, 1984. С. 85—97.
2. Эйгес, Н.С. Мутагенный эффект этиленимина при воздействии на сухие семена озимой пшеницы // Тезисы Моск. конф. молодых ученых-биологов. М.: МГУ, 1962. С. 267.
3. Макарова, С.И. Некоторые закономерности действия нит-ровоалкилмочевины // Супермутагены. М.: Наука, 1966. С. 116-121.
4. Тарасенко, Н.Д. Экспериментальная наследственная изменчивость у растений. Новосибирск: Наука, 1980. 200 с.
5. Слепян, Э.И. Тератогенные факторы среды // Экологическое прогнозирование: сб. статей. М.: Наука, 1979. С. 186-187.
6. Саноцкий, И.В. Эмбриотропное действие химических факторов среды / И. В. Саноцкий, Л. С. Сальникова // Экологическое прогнозирование: сб. статей. М.: Наука, 1979. С. 236-253.
7. Москалев, Ю.И. Отдаленные последствия ионизирующих излучений. М.: Медицина, 1991. 464 с.
8. Дубинин, Н.П. Индикация мутагенов в окружающей среде / Н.П. Дубинин, Ю.В. Пашин // Экологическое прогнозирование: сб. статей. М.: Наука, 1979. С. 132-253.
9. Нейман, М.М. Канцерогенные факторы в окружающей среде // Экологическое прогнозирование: сб. статей. М.: Наука, 1979. С. 158-162.
10. Бычковская, И.Б. Проблема отдаленной радиационной гибели клеток. М.: Энергоатомиздат, 1986. 160 с.
