УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2011, том 131, № 3, с. 244-259
УДК 591.151.4:612.014.481/.482
МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ КЛЕТОК ЧЕЛОВЕКА
К МУТАГЕНАМ
© 2011 г. Г. Д. Засухина
Учреждение Российской академии наук Институт общей генетики им.Н.И.Вавилова, Москва
E-mail: zasukhina@vigg.ru
Рассмотрена роль ряда систем, обеспечивающих клеточный гомеостаз при воздействии мутагенов. Акцент сделан на механизмах репарации ДНК, антиоксидантном статусе, генетическом полиморфизме, антимутагенном статусе. Представлены результаты исследований генетического полиморфизма в клетках человека, характеризующихся ингибированием репарации ДНК. Кроме того, приведены оригинальные данные по адаптивному ответу, свидетельствующие об отсутствии вклада репаративных систем в этот феномен.
Ключевые слова: репарация ДНК, генетический полиморфизм, антимутагены, адаптивный ответ.
Организм человека и соответственно клетки органов и тканей постоянно подвергаются атаке эндо- и экзогенных факторов. Вместе с тем в процессе эволюции выработались мощные системы защиты клетки от повреждений, подавляющее большинство которых связано с эндогенными воздействиями. Имеется огромное число взаимосвязанных процессов, когда, например, повреждение ДНК индуцирует каскад систем, активность которых направлена на сохранение клеточного гомеостаза. В данном сообщении внимание будет уделено главным, но, возможно, просто наиболее изученным механизмам защиты клеток.
Роль сигналлинга, т.е. совокупности активированных под влиянием радиации и химических мутагенов генов, их экспрессии, взаимоподчиненности, вклад хроматиновой организации и ряд других процессов, будут только частично упомянуты, так как активация одного гена влечет за собой последовательно целую цепь событий, требующих специального освещения (активация check-point, включение различных систем репарации, активация апоптоза, а также ряда стрессор-ных генов и т.п.). Коротко будут описаны только некоторые заболевания с дефектом репарации ДНК, хотя в настоящее время известен ряд патологий, при которых обнаружено ингибирование восстановительных процессов.
Основной акцент в настоящем обзоре сделан на процессах репарации ДНК, антиоксидантном статусе, генетическом полиморфизме, адаптивном ответе и защите клеток антимутагенами.
На уровне организма имеется сложная иерархия систем, оказывающих влияние на состояние защитных механизмов клетки человека, к которым относится оксидантный и антиоксидантный статус, гормоны, цитокины, являющиеся гормо-ноподобными медиаторами белковой природы (более 100 видов ) и т.п. Пример одного из ци-токинов - ИЛ-16 - показывает, что этот цитокин влияет на функции различных систем: пролиферация кроветворных клеток, дифференцировка и созревание В- и Т-лимфоцитов, нейронов, стимуляция гепатоцитов, снижение уровня липидов и др. [24]. Кроме того, известно возрастное увеличение содержания ИЛ-16 в клетках млекопитающих, а также связь его повышенной продукции при ишемии, опухолях, инфекциях и т.п.
Следовательно, активность и уровень продукции каждого компонента защитной системы зависит от многих причин (в том числе стрессовых состояний), что опосредовано оказывает влияние на клеточный гомеостаз. На уровне клетки ее стабильность обеспечивается балансом между уровнем спонтанных и индуцированных повреждений и активностью защитных систем. На защиту организма и, в частности , клетки направлен огромный арсенал защитных механизмов, поэтому в данном сообщении будут даны сведения о некоторых, наиболее значимых системах, обеспечивающих стабильность на уровне клетки человека.
При нормальной температуре около 37 оС главным источником повреждений клетки является спонтанный гидролиз, при котором ломаются
лабильные связи между пуриновыми или пири-мидиновыми основаниями ДНК и рибозой, в результате чего возникают апуриновые и апирими-диновые сайты (АП-сайты). Их число достигает 10 000 на клетку млекопитающих в день [76]. При этом образуется 20 000-40 000 однонитевых разрывов ДНК вследствие спонтанной деструкции дезоксирибозы или гидролиза фосфодиэфирных связей. Следующей формой спонтанного гидролиза является дезаминирование (цитозин - в ура-цил, аденин и гуанин - в гипоксантин и ксантин соответственно), продукты которого удаляются специфическими гликозилазами, в результате чего образуются АП-сайты. Вторым эндогенным источником повреждений ДНК служит образование свободных радикалов кислорода (ROS), к которым относятся О-, 1 О2, ОН-радикал. ROS образуется также как субпродукт ферментных систем, таких как цитохром 450, включающихся в детоксикацию токсических элементов. ROS могут повреждать белки, липиды мембран, ДНК и митохондрии, индуцируя различные сигнальные процессы. Следует подчеркнуть, что большинство сведений по свободнорадикальным реакциям получены при изучении действия радиации (Х-, гамма-, УФ-радиация). Так, ОН-радикалы ответственны за 70-80% однонитевых разрывов, индуцированных гамма-лучами, при которых возрастает также число двунитевых разрывов, АП-сайтов, поперечных сшивок ДНК-ДНК и ДНК-белок, а также образуется 8-оксигуанин ^-охо-G), тимин-гликоль и 5-гидрометилурацил. Число 8-охо^ на клетку в день оценивается в 27 000. Процесс метилирования ДНК в нормальных физиологических условиях приводит к образованию 4000-К7-метилгуанина, 600-К3-метиладенина и 10-30-О6-метилгуанина. Повреждение ДНК приводит к трем главным негативным типам различных эффектов: во-первых, повреждение ДНК интерферирует с транскрипцией; во-вторых, повреждение может инициировать ряд сигналов, приводящих клетку к апоптозу или к остановке митотической активности; в-третьих, повреждение может реализовываться в мутацию. Хотя эндогенные источники ДНК повреждений являются наиболее важными, экзогенные источники также вносят свой вклад в общий объем повреждений клетки. При этом их воздействие усиливается или ослабляется в зависимости от стиля жизни, профессий и места проживания. При питании человека в организм могут попадать тяжелые металлы, афлотоксин В, нитрозамины и т.п. Сигаретный дым также характеризуется большим количеством мутагенов-канцерогенов, в его состав входят бензопирен, ароматические амины, часть
которых при метаболической активации (система Р450) атакуют ДНК, другая часть выводится благодаря специфическим ферментам детоксикации. Следует подчеркнуть, что повреждающая компонента у подавляющего большинства химических мутагенов, как и при действии радиации, связана с образованием высокореактивных свободных радикалов, которые, кроме ДНК, разрушают и мембранные структуры.
Экзогенным природным источником повреждений ДНК является солнечный свет, который может быть компонентом как образа жизни, так и места проживания. Высокий уровень образования пиримидиновых димеров и других фотопродуктов - основной вид УФ-индуцированный повреждений клеток кожи. Высокий уровень аддуктов образуется у рабочих металлургических заводов, при добыче коксующего угля и на других производствах. Ранее нами было показано, что уровень сестринских хроматидных обменов - наиболее чувствительного маркера при воздействии химических мутагенов - у рабочих никелевого завода зависел гораздо больше от индивидуальных особенностей человека, чем от продолжительности работы, концентрации металла, определяемого в волосах, возраста и т.п. (40). Другим экзогенным источникам повреждений ДНК является природный фон ионизирующей радиации (2 х 10-3 Гр/год ), однако ее вклад в формирование, например, однонитевых разрывов ДНК очень невелик и оценивается как 5 х 10-3 разрывов на клетку в день [76]. Уровень радона, присутствующего не только на земле, но и в строительных материалах варьирует от 3 х 10-4 до 3 х 10-3 Гр/год. К экзогенным факторам относятся также пестициды, тяжелые металлы и озон. Если учесть, что в год появляется до 200 тыс. новых химических соединений (для промышленности, сельского хозяйства, медицины) и часть из них обладает мутагенным потенциалом, при этом некоторые соединения попадают в окружающую среду в больших количествах, то перечисление экзогенных факторов требует отдельного сообщения. Вместе с тем повреждающая компонента у большинства химических мутагенов составляет свободноради-кальная система, хотя ее активность неодинакова и зависит от типа органа или ткани отдельного индивида, стадии клеточного цикла и других причин. Так, повреждения ДНК могут быть ассимилированы в определенных районах генома, в «горячих точках», что приводит к нарушениям в экспрессии конкретного гена. Кроме того, повреждений ДНК меньше в высоко компактных гетерохроматиновых участках. Особенности клеток и тканей отражаются на способности к удалению
повреждений или, наоборот, к их ассимиляции. В высоко дифференцированных клетках (например, нейронах) восстановительные процессы менее активны, чем в пролиферирующих недифференцированных клетках. Повышенные уровни 8-охо^ и АП-сайтов могут приводить к развитию повреждений нейронов и, в результате к ишемии, диабету, болезни Альцгеймера и болезней, связанных со старением. Хотя 8-охо^ составляет примерно 5% всех повреждений, индуцированных свободными радикалами, считается, что их уровень колеблется от 0.3 до 4.2 8-охо^ на клетку в день. Эндо- и экзогенно индуцированные повреждения ДНК служат мишенью для действия защитных механизмов: репарации ДНК, антиоксидантной и других систем. Повреждение ДНК вызывает каскад событий в клетке, взаимодействующих между собой или компенсирующих друг друга, при этом остается неясным, с какого события начинается «ликвидация» повреждений [52].
МЕХАНИЗМЫ РЕПАРАЦИИ ДНК
К настоящему времени описано несколько типов репарации ДНК. Для всех этих процессов характерна вовлеченность от одной до многих ферментных систем в механизм защиты клетки, когда активация одного гена вызывает ряд последовательных событий - сигналов, приводящих в действие целый арсенал средств, направленных на устранение повреждения. Основные виды репарации ДНК излагаются по обзорам [58, 76].
Когда была установлена связь между ингиби-рованием репарации ДНК и раком [51] на клетках Xeroderma pigmentosum, не способных восстанавливать УФ-индуцированные повреждени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.