Генетическая токсикология. 
Генетика

Открытие индуцированного мутационного процесса потребовало от исследователей больших усилий. Прежде чем Г. Меллер (1927) опубликовал свою работу о мутагенном эффекте радиации у дрозофилы, целый ряд подобных опытов, предпринятых в школе Т. Х. Моргана, окончился неудачей. Открытие химического мутагенеза у дрозофилы В. В. Сахаровым и М. Е. Лобашевым основывалось на достоверных, но небольших эффектах. Исторический парадокс заключается в том, что в наше время воздействия, которые имеют реальную или потенциальную мутагенную активность, встречаются повсеместно. Для многих распространенных загрязнителей окружающей среды, таких, как промышленные отходы или вещества, используемые в промышленности, например диэтилсульфат, этиленимин, Р-пропиолактон и др., как радиоактивные отходы, пестициды (инсектициды, фунгициды, гербициды), установлена генетическая активность. Она установлена и для химических соединений, с которыми человек контактирует в повседневной жизни: лекарства, пищевые добавки, прежде всего консерванты и пищевые красители, косметические средства; некоторые красители для волос, аэрозольные лаки.

Распространение мутагенов в окружающей среде чревато повышением частоты мутаций, а следовательно, увеличением генетического груза человечества, что в свою очередь влечет за собой физические страдания больных, ставит сложные моральные и экономические проблемы перед обществом. Генетическая токсикология изучает мутагенную активность факторов антропогенной природы, прежде всего химических соединений, разрабатывает методы и способы оценки их генетической активности. Эта наука ставит своей целью свести к минимуму степень риска мутагенных воздействий, уменьшить генетическую опасность во всех областях человеческой деятельности.

Эта в значительной степени прикладная наука возникла на основе исследований мутационного процесса, популяционной генетики и экологии. Генетическая токсикология тесно связана с экологической генетикой, и, по мнению некоторых исследователей, является ее частью. Эти дисциплины перекликаются в той области, которая касается взаимодействия организмов с факторами окружающей среды, особенно мутагенными, а также в области генетики популяций. В то же время генетическая токсикология имеет самостоятельные прикладные задачи по ограничению распространения мутагенов, а также по изучению канцерогенов, многие из которых представляют собой мутагены.

Знание механизмов мутационного процесса убеждает в том, что мутагенез, репарация и рекомбинация имеют много общих этапов, связанных с репликацией ДНК. В связи с этим в основу работ по генетической токсикологии положено выявление не только мутагенной, но и рекомбиногенной активности, а также изучение влияния внешних воздействий на процесс репарации генетического материала. В целом этот подход и представляет собой выявление генетической активности факторов среды. Генетически активные факторы можно разделить на три категории: физические, химические и биологические.

Физические факторы. К их числу относятся различные виды ионизирующей радиации и ультрафиолетовое излучение. Исследование действия радиации на мутационный процесс показало, что пороговая доза в этом случае отсутствует, и даже самые небольшие дозы повышают вероятность возникновения мутации в популяции. Повышение частоты мутаций опасно не столько в индивидуальном плане, сколько с точки зрения увеличения генетического груза в популяции. Например, облучение одного из супругов дозой, удваивающей частоту мутации (1,0−1,5 Гй), незначительно повышает опасность иметь больного ребенка (с уровня 4—5% до уровня 5−6%). Если такую же дозу получит население целого района, то число наследственных заболеваний в популяции через поколение удвоится.

Японские ученые изучили хромосомные аберрации в лейкоцитах крови людей, подвергшихся атомной бомбардировке в Хиросиме и Нагасаки. Они показали, что перестройки в лейкоцитах обнаруживаются даже спустя тридцать лет после атомных взрывов. При этом была прослежена четкая зависимость частоты перестроек от дозы и характера излучений в диапазоне от 0,01 до 5,0 Гй. Общая частота аберраций оказалась выше у людей, пострадавших от атомного взрыва в Хиросиме, чем у жителей Нагасаки, поскольку в первом случае излучение содержало большую примесь нейтронов, оказавшихся эффективнее в индукции мутаций (табл. 13.1), чем у-излучение.

Таблица 13.1

Хромосомные мутации у людей, переживших атомные бомбардировки в Хиросиме и Нагасаки.

Приведенные цифры красноречиво свидетельствуют о генетической опасности применения ядерного оружия.

Следует иметь в виду, что генетическую опасность таит не только применение атомной энергии в военных целях, но и ее использование в мирных целях в случае аварийных ситуаций, приводящих к загрязнению среды радиоактивными излучениями. Это требует постоянного контроля за соблюдением правил эксплуатации исследовательских и промышленных атомных реакторов.

Нежелательные последствия для популяций живых организмов может иметь также усиление воздействия ультрафиолетового излучения. Хорошо известен мутагенный эффект коротковолнового излучения (с длиной волны до 280 нм), в зоне которого находится спектр поглощения нуклеиновых кислот. Генетической активностью обладает также длинноволновой ультрафиолетовый свет (280−320 нм), или так называемый ближний ультрафиолетовый свет, входящий в спектр солнечного излучения. Обычно ультрафиолетовый свет с этой длиной волны задерживается озоновым слоем атмосферы. Озоновый слой атмосферы может разрушаться при некоторых техногенных воздействиях, что приводит к проникновению через атмосферу ближнего ультрафиолетового света, воздействующего на растения, животных и микроорганизмы. Кроме того, спектр некоторых производственных источников ультрафиолетового излучения также содержит ближний ультрафиолетовый свет.

Развитие технологии, приводящее к новым физическим воздействиям на окружающую среду: действие ультразвука, токов высокой частоты, переменного магнитного поля и т. д. — требует постоянного генетикотоксикологического контроля для своевременного выявления и предотвращения генетических последствий действия этих факторов.

Химические факторы. Химизация сельского хозяйства и других областей человеческой деятельности, развитие химической промышленности обусловили синтез огромного количества веществ (в общей сумме от 3,5 до 4,3 млн), в том числе таких, которых в биосфере никогда не бьшо за миллионы лет предшествующей эволюции. Это означает прежде всего неразложимость, длительное сохранение чужеродных веществ, попадающих в окружающую среду. То, что было принято первоначально за достижения в борьбе с вредными насекомыми, в дальнейшем обернулось сложной проблемой. Широкое применение в 1940;1960;е гг. инсектицида ДДТ, относящегося к классу хлорированных углеводородов, привело к его распространению по всему земному шару вплоть до льдов Антарктиды.

Большинство пестицидов обладает большой устойчивостью к химическому и биологическому разложению и имеет высокий уровень токсичности.

Классическим примером неосмотрительности стало применение ДДТ для уничтожения комаров на оз. Клир-Лейк в США (Калифорния). После обработки концентрация этого инсектицида в воде составила 0,02 части на 10, в планктоне — 10 на 10⁶, в планктоноядных рыбах — 903 на 10⁶, в хищных рыбах — 2 690 на 10⁶, в птицах, питающихся рыбой, — 2 134 на 10^б. Таким образом, концентрация ДЦТ по мере повышения уровня в пищевой цепи повысилась в 100 000 раз и привела к сокращению численности птиц на этом озере.

Применение пестицидов таит опасность для здоровья людей и обусловливает увеличение генетического груза, поскольку для ряда их ингредиентов характерна генетическая активность, особенно для полихлорбифе— нилов. У ряда основных компонентов гербицидов, применявшихся армией США во время войны в Индокитае для обеспечения удобства наблюдения с воздуха в джунглях, уничтожения посевов и т. д., обнаружена мутагенная активность. Это касается, в частности, «оранжевого» реактива, содержащего следующие мутагены: 2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту (2,4-Д), 2,4,5-трихлорофеноксиуксусную кислоту (2,4,5-Т) и диоксин.

Широко распространенные соли азотной кислоты (нитраты) биохимически превращаются в нитриты — соли азотистой кислоты, обладающие мутагенной активностью. В кислой среде желудка млекопитающих из нитритов и аминосоединений образуются нитрозосоединения, которые относятся к классу так называемых супермутагенов. В связи с этим во многих странах введено ограничение на использование нитрита натрия в качестве консерванта мясных и растительных продуктов.

Мутагенный эффект может быть следствием воздействия загрязнителей атмосферы и воды, производственных отходов и выхлопных газов автомобилей, содержащих алкилирующие соединения, органические соединения ртути и др.

Дополнительные проблемы для генетической токсикологии представляет определение мутагенной активности сложных смесей, содержащих соединения, усиливающие генетическую активность при взаимодействии друг с другом. Кроме того, многие вещества, сами по себе не мутагенные, в результате активации в организме человека, животных и растений приобретают генетическую активность. Мутагенные соединения содержатся в продуктах жизнедеятельности некоторых микроорганизмов, заражающих пищевые продукты. Так, установлена генетическая активность афлатоксина — токсина одного из видов плесневого гриба — аспергилла.

Большого внимания заслуживает мутагенный эффект некоторых лекарственных веществ, например актиномицина, аминоптерина, гикантона и др. С 1979 г. в нашей стране все лекарства рекомендуются к производству после их тщательного генетико-токсикологического исследования и определения степени риска при их применении. Некоторые соединения, например канцеростатики, могут обладать значительной мутагенной активностью, но их применение все же диктуется необходимостью спасения жизни больных, и после всестороннего взвешивания возможных последствий такие лекарственные препараты все же используются.

Биологические факторы. Наряду с физическими и химическими мутагенами генетической активностью обладают также некоторые факторы биологической природы. Механизмы мутагенного эффекта этих факторов изучены наименее подробно. В конце 1930;х гг. С. М. Гершензоном начаты исследования мутагенеза у дрозофилы под действием экзогенной ДНК и вирусов. С тех пор установлен мутагенный эффект многих вирусных инфекций и для человека. Аберрации хромосом в соматических клетках вызывают вирусы оспы, кори, ветряной оспы, эпидемического паротита, гриппа, гепатита и др.

Повышение частоты хромосомных мутаций наблюдается при заражении крыс микоплазмой (.Mycoplasma pulmonis). По данным Ю. Я. Керкиса, Н. Н. Ильинских и др., стрептолизин-0 (токсин гемологического стрептококка) увеличивает частоту мутаций в культуре эмбриональных фибробластов человека. Если в контроле наблюдалось 4,0 ± 0,5% аберраций хромосом, то при воздействии стрептолизина-0 этот показатель повышался до 23,4 ±0,6%. Выявлена генетическая активность (судя по числу хромосомных аберраций) заражения людей шигеллой (возбудитель дизентерии) и другими возбудителями инфекционных заболеваний.

Особого внимания заслуживает мутагенез под влиянием вакцинации. Благодаря введению живых вакцин достигнуты большие успехи в борьбе с опасными инфекциями: оспой, тифом, бруцеллезом и др. В то же время широкое распространение вакцинации, охватывающей большие количества людей и нередко проводимой повторно, повышает опасность индукции мутаций. Частота хромосомных аномалий повышается и вследствие иммунологического стресса, вызываемого пересадкой и отторжением кожного лоскута.

Рассматривая различные мутагенные факторы окружающей среды, следует принять во внимание, что они действуют не только по отдельности, но и во взаимодействии. Так, упомянутый уже природный яд афлатоксин дает мутагенный эффект в результате метаболической активации в организме человека или после воздействия на него солнечного света.

Таким образом, постоянное внимание генетической токсикологии, которую можно назвать службой генетической безопасности, должно быть обращено на существование и возможность появления новых физических, химических и биологических факторов, обладающих генетической активностью.