Генетический подход

Наличие и степень проявления генетических изменений харак­теризует мутагенную активность среды, а возможность сохране­ния генетических изменений в популяциях отражает эффектив­ность функционирования иммунной системы организмов.

В норме большинство генетических нарушений распознаются и элиминируются клеткой, например путем апоптоза за счет внут­риклеточных систем или посредством иммунной системы. Досто­верное превышение спонтанного уровня таких нарушений явля­ется индикатором стресса. Генетические изменения могут выяв­ляться на генном, хромосомном и геномном уровнях. Принято выделять следующие типы мутаций. Генные, или точковые, — их делят на две группы: замены оснований в ДНК и вставки или выпадения нуклеотидов, приводящие к сдвигу рамки считывания генетического кода. Генные мутации делят также на прямые и об­ратные (реверсии). Мутации типа сдвига рамки считывания зна­чительно менее склонны к спонтанным реверсиям, чем мутации типа замен оснований. Хромосомные перестройки (аберрации) зак­лючаются в различных нарушениях структуры хромосом. Геномные мутации — изменение количества хромосом в ядре.

Относительно просты, хорошо воспроизводимы и высокочув­ствительны генетические тесты, основанные на оценке изменения хромосом в соматических клетках (изменения кариотипа, хро­мосомные аберрации, сестринские хроматидные обмены, микроидра и др.).

Для выявления канцерогенов и мутагенов применяются крат­косрочные генетические тесты.

Уже давно известно, что некоторые химические вещества спо­собны вызывать рак у человека. Относительно недавно пришло и постоянно ширится понимание того, что химические вещества способны вызывать мутации в половых клетках человека, которые повышают частоту генетических или наследственных заболеваний. Многие тысячи химических веществ, включая фармакологические препараты, бытовые химические вещества и пищевые добавки, пестициды и нефтепродукты, уже присутствуют в окружающей среде, и каждый год в нее поступают все новые и новые химичес­кие соединения. Помимо этого существуют и природные хими­ческие вещества, относительно которых известно, что они обла­дают мутагенной и/или канцерогенной активностью (например, микотоксины, содержащиеся в пищевых продуктах). Поэтому важ­но, чтобы химические 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 недосмотру или небрежности (как в случае с пестицидами), испытывались на способность вызывать рак и генетические нару­шения (мутации).

Относительно немногие химические вещества идентифициро­ваны в качестве канцерогенов благодаря установленной связи этих веществ с возникновением рака у человека. Однако канцероген­ная активность обычно определяется на основании способности какого-либо вещества вызывать опухоль у лабораторных живот­ных в результате воздействия на протяжении жизни. Исследова­ния такого рода могут длиться в течение двух или трех лет и тре­буют дефицитных реактивов и высококвалифицированных специалистов. Это обстоятельство привело к поиску альтернатив­ных путей выявления химических веществ, обладающих канцеро­генными свойствами, в результате чего был разработан ряд срав­нительно недорогих тестов, во многих из которых вместо цельно­го организма млекопитающих используются другие биологичес­кие системы. Поскольку на проведение тестов уходит значительно меньше времени, чем на классические долгосрочные исследова­ния на грызунах, их стали называть краткосрочными тестами.

Известно, что генетические дефекты являются причиной зна­чительной доли заболеваний у человека, однако до сих пор не ясно, в какой мере присутствующие в окружающей среде хими­ческие вещества обусловливают генетические болезни. Это неуди­вительно, поскольку вероятность такой опасности для здоровья определяется на протяжении жизни, по меньшей мере, одного по­коления.

Изменения информации, содержащейся в ДНК, возникают в результате изменений в структуре молекулы ДНК, отчего после­довательность оснований, передающаяся следующему поколению, оказывается нарушенной; это в свою очередь может приводить к появлению потомков, отличающихся по своим признакам от ро­дителей. Такие изменения называются мутациями, и, хотя многие мутации вредны, некоторые из них совместимы с нормальным, здоровым состоянием и обусловливают лишь мелкие различия между особями одного вида. Мутации такого вида являются дви­жущей силой эволюции.

Мутагенные химические вещества взаимодействуют с ДНК, вызывая изменения в ее структуре. Эти процессы могут приводить к потере, увеличению или замене оснований, изменяя тем самым их расположение в ДНК и влияя на точность передаваемой генетической информации.

Почти все краткосрочные методы, позволяющие получить результаты в течение максимум нескольких недель, основаны на демонстрации хромосомных повреждений, генных мутаций или повреждения 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 применяется очень широкий спектр организмов — от бактерий и дрожжей до насекомых, растений и культивируемых клеток мле­копитающих. Существуют также краткосрочные тесты, в которых лабораторные животные подвергаются воздействию изучаемого химического вещества на протяжении периодов от нескольких часов до недель.

Чаще всего для выявления мутагенных химических веществ применяются тесты с использованием бактерий; эта группа те­стов в целом и наиболее апробирована.

Химические вещества можно оценить в отношении их способ­ности индуцировать хромосомные повреждения у растений, насе­комых и млекопитающих. Для млекопитающих обычной тест-сис­темой является культура клеток, можно использовать какую-либо перевиваемую клеточную линию или культуру лимфоцитов чело­века. Для изучения повреждения хромосом in vivo хорошо разра­ботан метод анализа метафазных хромосом в клетках костного мозга крыс, мышей или хомячков. Кроме того, хромосомные фрагмен­ты в некоторых клетках костного мозга и других тканей можно идентифицировать в виде микроядер: так называемый микроядер­ный тест зарекомендовал себя, как сравнительно простой метод выявления химических веществ, способных индуцировать хромо­сомные повреждения.

Благодаря огромным успехам, достигнутым в области приме­нения в генетической токсикологии тестов с использованием микроорганизмов и клеток млекопитающих, растительные объекты стали применяться в таких исследованииях значительно реже, чем раньше. Однако некоторые растения, например конские бобы (Vicia faba), лук (Allium сера), традесканция (Tradescantia paludosa), кукуруза (Zea mays), ячмень (Hordeum vulgare), соя (Glycine max), могут обладать существенными преимуществами по сравнению с другими тест-системами, в частности при скрининге химических веществ на мутагенность. Исследование генетических изменений как на генном, так и на хромосомном уровне можно проводить на растениях без использования сложного лабораторного оборудова­ния, необходимого для постановки других тестов, что при некоторых обстоятельствах может оказаться большим преимуществом. Возможным недостатком этих тестов является существенное различие метаболизма растений и млекопитающих. Следовательно, в настоящее время еще рано ставить вопрос о возможности достоверной экстраполяции на человека результатов, полученных в экспериментах на растениях.