Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В генетике , генотоксичность описывает свойства химических агентов , что ущерб генетической информации внутри клетки , вызывающие мутации , которые могут привести к раке . Хотя генотоксичность часто путают с мутагенностью, все мутагены генотоксичны, в то время как не все генотоксические вещества являются мутагенными. Изменение может иметь прямое или косвенное воздействие на ДНК: индукцию мутаций, активацию несвоевременного события и прямое повреждение ДНК, ведущее к мутациям. Постоянные наследственные изменения могут влиять как на соматические клетки организма, так и на половые клетки, которые передаются будущим поколениям. [1]Клетки предотвращают экспрессию генотоксического мутации либо путем репарации ДНК или апоптоза ; однако повреждение не всегда можно исправить, что приведет к мутагенезу .

Чтобы определить генотоксичные молекулы, исследователи проводят анализ повреждений ДНК в клетках, подвергшихся воздействию токсичных субстратов. Это повреждение ДНК может быть в форме одно- и двухцепочечных разрывов, потери эксцизионной репарации, перекрестного сшивания, щелочно-лабильных участков, точечных мутаций, а также структурных и числовых хромосомных аберраций. [2] Известно, что нарушение целостности генетического материала вызывает рак. Как следствие, было разработано множество сложных методов, включая анализ Эймса, токсикологические тесты in vitro и in vivo , а также анализ комет для оценки способности химических веществ вызывать повреждение ДНК, которое может привести к раку.

Механизмы [ править ]

Определение переходов и трансверсий . Это распространенная мутация, вызванная генотоксичными соединениями.

Генотоксические вещества вызывают повреждение генетического материала в клетках за счет взаимодействия с последовательностью и структурой ДНК. Например, переходный металл хрома взаимодействует с ДНК в своей высоковалентной степени окисления, вызывая повреждения ДНК, ведущие к канцерогенезу . Метастабильная степень окисления Cr (V) достигается за счет восстановительной активации. Исследователи провели эксперимент по изучению взаимодействия ДНК с канцерогенным хромом с использованием комплекса Cr (V) -Salen в определенной степени окисления. [3] Взаимодействие было специфическим для гуанинануклеотид в генетической последовательности. Чтобы сузить взаимодействие комплекса Cr (V) -Salen с основанием гуанина, исследователи модифицировали основания до 8-оксо-G, чтобы обеспечить сайт-специфическое окисление. Реакция между двумя молекулами вызвала повреждения ДНК; два поражения, наблюдаемые на модифицированном участке основания, были гуанидиногидантоином и спироиминодигидантоином. Для дальнейшего анализа участка поражения было замечено, что полимераза остановилась на этом участке, и аденин был неправильно включен в последовательность ДНК, противоположную основанию 8-оксо-G. Следовательно, эти поражения преимущественно содержат трансверсии G -> T.. Считается, что высокомалентный хром действует как канцероген, поскольку исследователи обнаружили, что «механизм повреждения и продукты окисления оснований для взаимодействия между высоковалентным хромом и ДНК ... имеют отношение к образованию in vivo повреждений ДНК, ведущих к раку в организме человека». человеческие популяции, подвергшиеся воздействию хроматов ". [3] Следовательно, это показывает, как высокомалентный хром может действовать как канцероген с 8-оксо-G, образующими ксенобиотики . [3]

Другим примером генотоксичного вещества, вызывающего повреждение ДНК, являются пирролизидиновые алкалоиды (ПА). Эти вещества содержатся в основном в растениях и ядовиты для животных, включая человека; около половины из них были идентифицированы как генотоксичные, а многие - как канцерогенные. В результате тестирования исследователи пришли к выводу, что при метаболической активации «ПА продуцируют аддукты ДНК, сшивание ДНК, разрывы ДНК, обмен сестринскими хроматидами, микроядра, хромосомные аберрации, генные мутации и хромосомные мутации in vivo и in vitro ». [4] Наиболее частыми мутациями в генах являются трансформации G: C -> T: A и тандемная замена оснований. Алкалоиды пирролизидина обладают мутагенными свойствами in vivo и in vitro.и, следовательно, ответственны за канцерогенез в печени. [4] Окопник - это пример вида растений, который содержит четырнадцать различных PA. Активные метаболиты взаимодействуют с ДНК, вызывая повреждение ДНК, индукцию мутаций и развитие рака в эндотелиальных клетках печени и гепатоцитах . В конце концов исследователи обнаружили, что «окопник оказывает мутагенное действие на печень, а PA, содержащийся в окопнике, по-видимому, ответственен за токсичность, вызванную окопником, и за индукцию опухоли». [5]

Методы тестирования [ править ]

Целью тестирования на генотоксичность является определение того, будет ли субстрат влиять на генетический материал или может вызвать рак. Их можно проводить в клетках бактерий, дрожжей и млекопитающих. [2] Благодаря знаниям, полученным в результате испытаний, можно контролировать раннее развитие организмов, уязвимых к генотоксическим веществам. [1]

Бактериальный анализ обратной мутации [ править ]

Также: Тест Эймса

Анализ обратной мутации бактерий, также известный как анализ Эймса , используется в лабораториях для проверки на мутации гена. В этом методе используется множество различных бактериальных штаммов, чтобы сравнить различные изменения в генетическом материале. Результат теста обнаруживает большинство генотоксических канцерогенов и генетических изменений; Типы обнаруженных мутаций - это сдвиги рамки считывания и замены оснований. [6]

Процедура теста Эймса для проверки наличия генных мутаций в различных штаммах бактерий

токсикологические испытания in vitro [ править ]

Целью тестирования in vitro является определение того, вызывает ли субстрат, продукт или фактор окружающей среды генетическое повреждение. Один из методов включает цитогенетические анализы с использованием различных клеток млекопитающих. [6] Типы аберраций, обнаруживаемых в клетках, затронутых генотоксическим веществом, включают хроматидные и хромосомные разрывы, разрывы хромосом, делеции хроматид, фрагментацию, транслокацию, сложные перестройки и многое другое. В кластогенных или aneugenic эффектов от повреждения генотоксического будут вызывать увеличение частоты структурных или численных аберрации генетического материала. [6] Это похоже на тест на микроядер.и анализ хромосомных аберраций, который обнаруживает структурные и числовые хромосомные аберрации в клетках млекопитающих. [1]

В конкретной ткани млекопитающего можно выполнить анализ TK +/- лимфомы мыши для проверки изменений в генетическом материале. [6] Генные мутации обычно представляют собой точечные мутации, изменяющие только одно основание в генетической последовательности, чтобы изменить последующий транскрипт и аминокислотную последовательность; эти точечные мутации включают замены оснований, делеции, сдвиги рамки считывания и перестройки. Кроме того, целостность хромосом может быть нарушена из-за потери хромосом и кластогенных повреждений, вызывающих множественные генные и мультилокусные делеции. Конкретный тип повреждения определяется размером колоний, различая генетические мутации (мутагены) и хромосомные аберрации (кластогены). [6]

Тест SOS / umu оценивает способность вещества вызывать повреждение ДНК; он основан на изменениях индукции SOS-ответа из-за повреждения ДНК. Преимущества этого метода заключаются в том, что это быстрый и простой метод, удобный для многих веществ. Эти методы применяются для воды и сточных вод в окружающей среде. [7]

Обзор использования SOS-ответа для тестирования генотоксичности

тестирование in vivo [ править ]

Целью тестирования in vivo является определение потенциала повреждения ДНК, которое может повлиять на структуру хромосомы или нарушить митотический аппарат, что изменяет число хромосом; Факторами, которые могут повлиять на генотоксичность, являются ADME и репарация ДНК. Он также может обнаруживать генотоксические агенты, пропущенные в тестах in vitro . Положительный результат индуцированного хромосомного повреждения - увеличение частоты микронуцеллированных PCE. [6] микроядерныйпредставляет собой небольшую структуру, отдельную от ядра, содержащую ядерную ДНК, возникшую из фрагментов ДНК или целых хромосом, которые не были включены в дочернюю клетку во время митоза. Причинами этой структуры являются митотическая потеря ацентрических хромосомных фрагментов (кластогенность), механические проблемы из-за разрыва и обмена хромосом, митотическая потеря хромосом (аневгенность) и апоптоз. Микроядерный тест in vivo похож на тест in vitro, поскольку он проверяет структурные и численные хромосомные аберрации в клетках млекопитающих, особенно в клетках крови крыс. [6]

Кометный анализ [ править ]

Смотрите также: Анализ комет

Анализ комет - один из наиболее распространенных тестов на генотоксичность. Методика включает лизис клеток с использованием детергентов и солей. ДНК, высвобожденную из лизированной клетки, подвергают электрофорезу в агарозном геле в условиях нейтрального pH. Клетки, содержащие ДНК с увеличенным количеством двухцепочечных разрывов, будут быстрее перемещаться к аноду. Преимущество этого метода состоит в том, что он обнаруживает низкие уровни повреждений ДНК, требует очень небольшого количества клеток, дешевле, чем многие методы, прост в применении и быстро отображает результаты. Однако он не определяет механизм, лежащий в основе генотоксического эффекта, или точный химический или химический компонент, вызывающий разрывы. [8]

Рак [ править ]

Генотоксические эффекты, такие как делеции, разрывы и / или перестройки, могут привести к раку, если повреждение не приводит сразу к гибели клеток. Участки , чувствительные к поломке, называемые хрупкими участками , могут возникать в результате воздействия генотоксичных агентов (таких как пестициды). Некоторые химические вещества обладают способностью вызывать хрупкие участки в тех областях хромосомы, где онкогеныприсутствуют, что может привести к канцерогенным эффектам. В соответствии с этим выводом, профессиональное воздействие некоторых смесей пестицидов положительно коррелирует с повышенным генотоксическим повреждением людей, подвергшихся воздействию. Повреждение ДНК неодинаково по степени тяжести в разных популяциях, потому что люди различаются по своей способности активировать или детоксифицировать генотоксичные вещества, что приводит к вариабельности заболеваемости раком среди людей. Различие в способности детоксифицировать определенные соединения происходит из-за унаследованного индивидуума полиморфизма генов, участвующих в метаболизме химического вещества. Различия также можно объяснить индивидуальными различиями в эффективности механизмов репарации ДНК [9]

Метаболизм некоторых химических веществ приводит к производству активных форм кислорода , который представляет собой возможный механизм генотоксичности. Это проявляется в метаболизме мышьяка , который производит гидроксильные радикалы , которые, как известно, вызывают генотоксические эффекты. [10] Точно так же ROS были вовлечены в генотоксичность, вызванную частицами и волокнами. Генотоксичность неволокнистых и волокнистых частиц характеризуется высокой продукцией АФК воспалительными клетками . [11]

Генотоксическая химиотерапия [ править ]

Генотоксическая химиотерапия - это лечение рака с использованием одного или нескольких генотоксических препаратов. Лечение традиционно входит в стандартный режим . Используя разрушительные свойства генотоксинов, лечение направлено на то, чтобы вызвать повреждение ДНК в раковых клетках. Любой ущерб, нанесенный раку, передается потомкам раковых клеток по мере продолжения их размножения . Если это повреждение достаточно серьезное, оно заставит клетки претерпеть апоптоз . [12]

Риски [ править ]

Недостатком лечения является то, что многие генотоксические препараты одинаково эффективны как на раковые, так и на нормальные клетки. Селективность действия того или иного лекарства основана на чувствительности самих клеток. Таким образом, хотя быстро делящиеся раковые клетки особенно чувствительны ко многим лекарственным препаратам, часто поражаются нормально функционирующие клетки. [12]

Еще один риск лечения заключается в том, что многие препараты не только генотоксичны, но и обладают мутагенными и цитотоксическими свойствами . Таким образом, действие этих препаратов не ограничивается только повреждением ДНК. Кроме того, некоторые из этих лекарств, предназначенных для лечения рака, также сами являются канцерогенами , повышая риск вторичного рака, такого как лейкемия . [12]

Различные методы лечения [ править ]

В этой таблице показаны различные методы лечения рака на основе генотоксичности с примерами. [12]

УходМеханизмПримеры
Алкилирующие агентывмешиваться в репликацию и транскрипцию ДНК путем модификации оснований ДНК.Бусульфан , Кармустин , Мехлорэтамин
Интеркалирующие агентымешают репликации и транскрипции ДНК, вклиниваясь в промежутки между нуклеотидами ДНКДаунорубицин , Доксорубицин , Эпирубицин
Ингибиторы ферментовподавляют ферменты, которые имеют решающее значение для репликации ДНКДецитабин , Этопозид , Иринотекан

См. Также [ править ]

  • Рак
  • Канцероген
  • Канцерогенез
  • Канцерогенность
  • Мутаген
  • Мутагенез

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Kolle S (01.06.2012). «Генотоксичность и канцерогенность» . BASF Химическая компания. Архивировано из оригинала на 2013-06-28 . Проверено 16 марта 2013 .
  2. ^ a b «Генотоксичность: проверенные альтернативы неживотного происхождения» . AltTox.org. 2011-06-20 . Проверено 16 марта 2013 .
  3. ^ a b c Sugden KD, Campo CK, Martin BD (сентябрь 2001 г.). «Прямое окисление гуанина и 7,8-дигидро-8-оксогуанина в ДНК комплексом высокомалентного хрома: возможный механизм генотоксичности хромата». Химические исследования в токсикологии . 14 (9): 1315–22. DOI : 10.1021 / tx010088 + . PMID 11559048 . 
  4. ↑ a b Chen T, Mei N, Fu PP (апрель 2010 г.). «Генотоксичность пирролизидиновых алкалоидов» . Журнал прикладной токсикологии . 30 (3): 183–96. DOI : 10.1002 / jat.1504 . PMC 6376482 . PMID 20112250 .  
  5. ^ Mei N, Го L, Фу PP, Fuscoe JC, Луан Y, Chen T (октябрь 2010). «Метаболизм, генотоксичность и канцерогенность окопника» . Журнал токсикологии и гигиены окружающей среды, часть B: критические обзоры . 13 (7–8): 509–26. DOI : 10.1080 / 10937404.2010.509013 . PMC 5894094 . PMID 21170807 .  
  6. ^ Б с д е е г Furman G (2008-04-17). «Тестирование на генотоксичность фармацевтических препаратов в современной и развивающейся практике» (PDF) . Paracelsus, Inc. Архивировано из оригинального (PDF) 16 января 2014 года . Проверено 16 марта 2013 .
  7. ^ Končar H (2011). «Тестирование генотоксичности in vitro» . Национальный институт биологии. Архивировано из оригинала на 2013-03-07 . Проверено 16 марта 2013 .
  8. ^ Тайс Р.Р., Агурелл Э., Андерсон Д., Берлинсон Б., Хартманн А., Кобаяши Н. и др. (2000). «Анализ одноклеточного геля / кометы: руководство по генетическому токсикологическому тестированию in vitro и in vivo» (PDF) . Экологический и молекулярный мутагенез . 35 (3): 206–21. DOI : 10.1002 / (SICI) 1098-2280 (2000) 35: 3 <206 :: AID-EM8> 3.0.CO; 2-J . PMID 10737956 .  
  9. Перейти ↑ Bolognesi, Claudia (июнь 2003 г.). «Генотоксичность пестицидов: обзор исследований биомониторинга человека». Мутационные исследования . 543 (3): 251–272. DOI : 10.1016 / S1383-5742 (03) 00015-2 . PMID 12787816 . 
  10. ^ Лю SX, Атар M, Lippai I, Waldren C, Hei TK (февраль 2001). «Индукция оксирадикалов мышьяком: значение механизма генотоксичности» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (4): 1643–8. Bibcode : 2001PNAS ... 98.1643L . DOI : 10.1073 / pnas.98.4.1643 . PMC 29310 . PMID 11172004 .  
  11. ^ Schins RP (январь 2002). «Механизмы генотоксичности частиц и волокон». Ингаляционная токсикология . 14 (1): 57–78. DOI : 10.1080 / 089583701753338631 . PMID 12122560 . S2CID 24802577 .  
  12. ^ а б в г Уолш Д. (2011-11-18). «Генотоксические препараты» . Cancerquest.org . Архивировано из оригинала на 2013-03-02 . Проверено 16 марта 2013 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Jha AN, Cheung VV, Foulkes ME, Hill SJ, Depledge MH (январь 2000 г.). «Обнаружение генотоксинов в морской среде: принятие и оценка комплексного подхода с использованием эмбрионально-личиночных стадий морской мидии Mytilus edulis». Мутационные исследования . 464 (2): 213–28. DOI : 10.1016 / s1383-5718 (99) 00188-6 . PMID  10648908 .
  • Сигель А, Сигель Х, Сигель РК (2011). Ионы металлов в токсикологии: эффекты, взаимодействия, взаимозависимости . Ионы металлов в науках о жизни. 8 . стр. vii – viii. DOI : 10.1039 / 9781849732512 . ISBN 978-1-84973-094-5. PMID  21473373 .
  • Бал В., Протас А.М., Каспрзак К.С. (2011). «Глава 13. Генотоксичность ионов металлов: химические взгляды». В Sigel R, Sigel, Sigel H (ред.). Ионы металлов в токсикологии: эффекты, взаимодействия, взаимозависимости (ионы металлов в науках о жизни) . Ионы металлов в науках о жизни. 8 . Кембридж, англ .: Королевское химическое общество. С. 319–373. DOI : 10.1039 / 9781849732116-00319 . ISBN 978-1-84973-091-4.
  • Смит М.Т. (декабрь 1996 г.). «Механизм лейкемии, вызванной бензолом: гипотеза и предположения о причинах лейкемии» . Перспективы гигиены окружающей среды . 104 Дополнение 6: 1219–25. DOI : 10.1289 / ehp.961041219 . PMC  1469721 . PMID  9118896 .