УДК 575.224
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ: ИТОГИ И ПРОБЛЕМЫ
© 2013 г. С. К. Абилев1, 2, В. М. Глазер2
1 Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Российской академии наук Москва 119991
e-mail: abilev@vigg.ru
1 2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, кафедра генетики, Москва 119991
e-mail: vmglaser3@mail.ru Поступила в редакцию 25.07.2012 г.
Обзор посвящен истории возникновения генетической токсикологии как научного направления, задачам генетической токсикологии и развитию ее методологии. Рассматриваются стратегии и правила тестирования генотоксичных соединений с целью выявления потенциальных канцерогенов для человека и соединений, способных индуцировать наследуемые мутации у человека. Отмечены основные достижения генетической токсикологии в ХХ веке и рассматриваются ее основные проблемы в XXI веке.
DOI: 10.7868/S0016675813010025
Впервые возможность индукции мутаций химическими соединениями у дрозофилы при воздействии йодом на личинки мух была показана в 1932 г. в опытах В.В. Сахарова, сотрудника Института экспериментальной биологии, которым руководил Н.К. Кольцов. Анализ видимых мутаций, сцепленных с полом, позволил обнаружить у мух передаваемые по наследству новые мутации [1]. Подобные же результаты были получены М.Е. Лобашовым в те же годы при использовании других веществ [2]. В середине 40-х годов И.А. Рапопорт открыл мутагенное действие формалина и этиленимина [3], а Ш. Ауэрбах и Дж. Робсон — иприта (горчичный газ) [4]. Позже были открыты многие другие химические мутагены, эксперименты с которыми показали, что наследственные изменения могут быть искусственно вызваны у любого организма — от вирусов до животных. Поэтому химические мутагены служили как средство для получения новых мутаций и изучения закономерностей их наследования. Они нашли широкое применение в селекционной работе для получения мутантных форм растений и микроорганизмов с новыми хозяйственно-важными свойствами. Показательно, что с помощью химического мутагенеза к 1991 г. в СССР было создано более 380 новых высокопродуктивных сортов основных сельскохозяйственных культур, из них 116 районировано [5].
Одновременно накапливались сведения о потенциальной опасности мутагенных соединений для человека. Так, в 1956 г. ботаник Альфред Бар-тельмес опубликовал в Мюнхене обзорную статью, названную "Мутагенные лекарства", в которой собрал и проанализировал многочисленные результаты изучения цитогенетических эффектов
самых различных химических соединений, распространенных в окружающей среде, и призвал обратить внимание на возможные генетические последствия таких веществ [6]. В начале 60-х годов японские ученые обнаружили мутагенную активность у нитрофурановых соединений, широко используемых в производстве мясных и рыбных сосисок в качестве консервантов [7]. Уже к середине 60-х годов была достигнута критическая масса данных, свидетельствующих о мутагенной активности широко распространенных в окружающей среде веществ, и ученые подняли вопрос о необходимости включения в систему изучения безопасности химических соединений проверку их на мутагенную активность.
Группа ученых во главе с А. Холландером, руководителем биологического отдела Оак-Ридж-ской Национальной лаборатории США, в 1969 г. организовала Общество по изучению мутагенов окружающей среды США [8]. Так были заложены организационные основы зарождения нового научного направления — генетической токсикологии, которая впоследствии стала междисциплинарной наукой на стыке генетики, токсикологии, гигиены и биохимии чужеродных соединений. Все виды регистрируемых последствий прямого или косвенного воздействия химического соединения или его метаболитов на ДНК рассматривались как генотоксичность (повреждения ДНК и индукция мутаций). В начале 70-х годов во многих странах мира были организованы национальные общества по мутагенам окружающей среды, существует и Европейское общество по мутагенам окружающей среды, членами которого являются и некоторые ученые России.
В СССР исследования по генетической токсикологии развивались в рамках Секции генетических аспектов проблемы "Человек и биосфера" Государственного Комитета по науке и технике, руководимой академиком Н.П. Дубининым, директором Института общей генетики АН СССР. В рамках работы Секции ежегодно проводились научные конференции, издавались сборники научных трудов по актуальным проблемам генетической токсикологии, разрабатывались методические рекомендации по изучению генотоксических эффектов химических соединений [9—12]. Существенный вклад в разработку методологии тестирования на генетическую безопасность лекарственных средств внесли сотрудники отдела генетической безопасности (зав. отделом Л.М. Фонштейн) НИИ по биологическим испытаниям химических соединений под руководством Л.А. Пирузяна [13—15].
К середине 70-х годов были получены многочисленные результаты изучения большого числа химических соединений, использующихся в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и в быту. В 1977 г. была создана Международная комиссия по защите от мутагенов и канцерогенов окружающей среды (ICPEMC — International Commission for the Protection against Environmental Mutagens and Carcinogens) и при ее поддержке в 80-х годах были опубликованы результаты углубленных исследований генотоксичности, включая эпидемиологические исследования пестицида дихлофоса [16], промышленных соединений эпихлоргидрина [17], винилхлорида[18], лекарственного средства для лечения туберкулеза изиониазида [19] и других распространенных в окружающей среде химических соединений.
Выявление возможных мутагенов в окружающей среде, испытание на мутагенность продуктов промышленного синтеза (красители, лекарственные средства, пестициды и др.) стало одной из важных задач генетической токсикологии.
ЗАДАЧИ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ТОКСИКОЛОГИИ
Главной задачей генетической токсикологии является оценка способности химических соединений вызывать мутации в клетках человека. Однако невозможность проведения прямой оценки мутагенной опасности химических соединений непосредственно для человека, с одной стороны, и необходимость оценки потенциальной генетической опасности большого числа химических соединений, с другой, привели к созданию разнообразных методов регистрации генотоксических эффектов, вызываемых ксенобиотиками. Такие методы были названы тест-системами. При этом в качестве индикатора стали использовать микроорганизмы, клетки млекопитающих и человека in vitro, модельные растения и лабораторных жи-
вотных. Широкое применение для тестирования химических соединений нашли хорошо известные в генетике методы учета хромосомных аберраций и генных мутаций в клетках млекопитающих в условиях in vitro и in vivo, учета рецессивных мутаций у дрозофилы и доминантных летальных мутаций у грызунов. В 70-х годах было предложено более 100 методов изучения генетической активности химических соединений с помощью тест-систем [20]. Из них в результате валидации широкое применение получили не более 20 тестов.
Используемые тест-системы должны быть хорошо воспроизводимыми и обладать высокой пропускной способностью. В этом отношении лидирующую позицию занял тест Salmonella/микросомы, который был предложен Б. Эймсом в 1973 г. [21]. Сущность этого метода заключается в регистрации способности испытуемого соединения или его метаболитов индуцировать в клетках те-стерных штаммов Salmonella typhimurium, ауксо-трофных по гистидину, реверсии к прототрофности по гистидину. Б. Эймс, известный своими исследованиями гистидинового оперона у салмонеллы, создал на основе полученных им мутантов набор индикаторных штаммов, несущих генные мутации (типа замен оснований или сдвига рамки считывания) в гистидиновом опероне. Эксперименты с использованием различных химических мутагенов, отличающихся структурой их молекул, показали, что по частоте обратных мутаций, реверсий, у тестерных штаммов можно определить не только степень их мутагенной активности, но и механизм их мутагенного действия (замены оснований или сдвиг рамки считывания). Для метаболической активации тестируемого соединения было предложено использовать экстракт из печени крыс, содержащий ферменты эн-доплазматического ретикулума, способные превращать некоторые потенциально мутагенные вещества (промутагены) в мутагены.
Позже, в результате развития новых молеку-лярно-генетических подходов, появились бактериальный SOS-хромотест [22], методы анализа изменений в гипервариабельных тандемно повторяющихся последовательностях и учета мутаций в протяженных последовательностях относительно коротких повторов в ДНК (ESTR, expanded simple tandem repeat) как в соматических, так и в половых клетках мышей [23, 24], ряд трансгенных мышиных моделей для учета генных мутаций [25], метод "комет" для выявления повреждений ДНК в единичных клетках [26]. Для изучения органной специфичности генотоксического действия химических соединений был предложен полиорганный микроядерный тест [27].
Результаты, полученные с помощью тест-систем, имеют только прогностическое значение и
соответственно значимость результатов тестирования зависит от степени филогенетической близости используемой тест-системы к человеку. Реально в качестве "золотого стандарта" в генетической токсикологии используются лабораторные грызуны — мыши и крысы, для которых разработаны методы оценки способности химических соединений индуцировать хромосомные аберрации и генные мутации. Однако материальные затраты и требующееся время на проведение этих тест-систем достаточно велики.
В середине 1970-х годов публикации Эймса с соавт. [28] и МакКанна с соавт. [29] показали тесную связь между мутагенной активностью химических соединений в тесте Эймса и их способностью индуцировать опухоли у мышей или крыс. Это означало, что канцерогены являются мутагенами. И на этом фоне тест Эймса, включающий систему биотрансформации химического соединения in vitro, был воспринят исследователями как недорогой, простой и краткосрочный тест для скрининга большого массива химических соединений на потенциальную канцерогенность. Таким образом, тестирование на генотоксичность с
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.