Химический мутагенез

Вскоре после открытия мутагенных свойств ионизирующих лучей ученые обнаружили возможность возникновения мутаций и под действием химических веществ. Усилить частоту мутаций по сравнению с той, которая протекает в природе, получить в большом количестве максимальное разнообразие мутантов - важнейшая задача генетиков. Огромный интерес представляет управление самим мутационным процессом. Вот почему должны быть использованы такие факторы воздействия на растения, которые давали бы возможность дифференцированно изменять наследственность, вызывать специфическое мутирование. На химические мутагены возлагаются в этом отношении большие надежды.

Еще в начале 30-х годов Кольцов искал пути воздействия на яйца тутового шелкопряда в направлении развития без оплодотворения. Он получил положительные результаты при обработке яиц йодом, формалином, хлорным железом, соляной кислотой, азотнокислым серебром, бертолетовой солью. Выяснилось, что химические вещества оказывают существенное влияние на клеточное ядро, следовательно, они могут воздействовать на наследственность. Проверить такую вероятность Кольцов поручил своему сотруднику В. В. Сахарову.

Для исследования характера мутагенного действия химических веществ Сахаров использовал дрозофилу. Он обрабатывал оплодотворенные яйца насекомого раствором иода и получал большое количество мутаций. Многие из них вызывали гибель потомства, но часть его была жизнеспособной, с наследственно измененными внешними признаками. Исследователь получил мутации и под действием других химических веществ. Опыты по химическому мутагенезу на дрозофиле провел М. Е. Лобашев - он испытывал действие аммиака.

В результате исследований эти ученые сформулировали основные принципы работы с химическими мутагенами, определяли вещества, вызывающие мутации. И что особенно важно, в 1938 г. Сахаров указал на существование специфического действия химических мутагенов. Однако первые мутагены отличались меньшей эффективностью, чем радиация, и не нашли широкого применения в практике.

Значительный интерес генетиков и селекционеров к химическому мутагенезу возник в 40-е годы после успешных работ советского ученого И. А. Раппопорта и англичанки Ш. Ауэрбах. Они открыли мощное мутагенное действие некоторых химических веществ. Ауэрбах родилась в Германии, но после прихода к власти фашистов переехала в Англию и стала работать в Эдинбургском университете. Во время войны она исследовала действие горчичного газа (иприта) и родственных ему соединений.

Ауэрбах обнаружила, что эти химические вещества дают такой же эффект, как и рентгеновские лучи, в сотни раз превышая процент мутаций по сравнению с контролем. Иприт обладает и рядом специфических особенностей. При его действии наблюдается отдаленный эффект: после обработки спермиев дрозофил ипритом мутации появлялись не только в момент воздействия, но и в нескольких последующих поколениях клеток. Некоторая часть хромосомы приходит в неустойчивое состояние, которое после нескольких поколений клеток развивается в истинную мутацию. В результате часто возникают особи, представляющие собой химеры из нормальных и измененных клеток. Кроме того, иприт вызывает большие структурные нарушения хромосом (в частности, происходят разрывы хромосом).

Мутагенные свойства формальдегида и очень сильное мутагенное действие простейшего гетероциклического соединения - этиленимина - установил Раппопорт. Высокая эффективность этиленимина проявилась и на растительных объектах, и на животных. В 1948 г. Раппопорт впервые установил мутагенную активность нитрозосоединений. Несколько позже он показал мощный мутагенный эффект этих соединений в газовой фазе. С их помощью удается экспериментально получить большое количество мутаций.

Выявление Раппопортом высокоактивных химических мутагенов из класса нитрозоалкилмочевин и диазокетонов, названных супермутагенами, послужило толчком для развития во всем мире широких исследований по химическому мутагенезу. Приоритет в открытии многих новых активных химических мутагенов и испытании действия их на озимой пшенице и горохе принадлежит сотрудникам Института химической физики АН СССР. С 1965 г. там создан Центр по химическому мутагенезу. Это дало возможность провести испытание эффективности мутагенов на большом наборе сельскохозяйственных культур. На ежегодных весенних совещаниях подводятся итоги применения химических мутагенов на разных культурах. Центр регулярно осуществляет методическое руководство и оказывает практическую помощь в обработке химическими мутагенами всем учреждениям страны.

Уже обнаружены сотни химических веществ с мутагенной активностью. Действие большинства из них универсально. Они вызывают генные мутации у растений, животных и микроорганизмов. Характер активности химических веществ зависит от генетических особенностей организмов, стадии их развития, состояния ядра клетки, ряда других факторов.

Многие мутагены проявляют специфичность действия на клетку в определенный момент синтеза ДНК. Одни оказывают влияние на нее только во время синтеза, другие способны одинаково поражать ДНК в покоящемся состоянии и в период удвоения. Специфичность действия химических мутагенов состоит в их избирательном влиянии, вызывающем генные и хромосомные мутации.

Характер наследственных изменений у культурных растений зависит от дозы мутагена. При небольших концентрациях чаще возникают малые мутации, связанные с количественными признаками. С увеличением концентрации возрастает количество мутаций, обусловленных перестройкой хромосом. При действии этиленимина на семена пшеницы в концентрациях 0,01-0,04 % основную массу мутаций составляли крупноколосые формы, устойчивые к заболеваниям, со слабым восковым налетом. Все они относились к малым типам мутаций - мутанты почти не отличались от исходных сортов. Повышение концентрации до 0,06 и выше (0,12) приводило к появлению резких мутаций, связанных с существенными морфологическими изменениями колоса и соломины.

Химические вещества способны оказывать на наследственный материал не только прямое, но и непрямое воздействие. У различных организмов установлено наличие антимутагенов, которые предупреждают мутагенное действие ряда веществ, нормально участвующих в метаболических процессах, или противодействуют ему. Естественным антимутагеном служит фермент каталаза. Она сразу же прекращает мутагенное влияние перекиси водорода. Высокое содержание в клетках каталазы, по-видимому, объясняет неудачи в получении мутаций с помощью перекиси водорода.

Пример антимутагенного действия - уменьшение мутагенной активности продуктов пиролиза пищи под влиянием экстрактов из ряда овощей. В результате анализа около 60 видов овощей и фруктов было установлено, что одни из них обладают сильным, а другие - умеренным аитимутагенным действием. Среди сильных противомутагенов оказались соединения, содержащиеся в капусте, зеленом перце, луке, имбире, ананасе, яблоках, листьях мяты; умеренные антимутагены содержатся в цветной капусте, редьке, сладком картофеле, винограде, некоторых грибах.