В отличие от рентгеновских, ультрафиолетовые (УФ) лучи не действуют на половые клетки большинства многоклеточных организмов, поскольку проникают в ткани очень слабо, не обладают достаточной энергией для индукции ионизации атомов и только возбуждают электронные оболочки. Их мутагенный эффект (возникновение генных мутаций и хромосомных перестроек) обнаруживается лишь в клетках, образующих монослой: микроорганизмах, пыльце и др.

Ультрафиолетовые лучи оказались первым мутагеном, чье действие на бактериальные клетки было подробно изучено. О том, что ультрафиолетовое излучение убивает бактерии, известное 1877 г., а в 1914 г. была выявлена способность УФ-лучей индуцировать у бактерий наследуемые варианты, отличающиеся от исходного типа по патогенности и морфологии колоний. Но лишь тридцать лет спустя М. Демерец показал, что среди клеток чувствительного к фагу Т1 штамма E. coli, выживших после облучения определенной дозой ультрафиолет, доля мутантов превышает их спонтанный уровень среди необлученных бактерий более, чем в тысячу раз.

Ключевые исследования, позволившие установить механизм действия ультрафиолета, были начаты в 1946 г. на Е. col: Эвелин Виткин. Она показала, что мутагенный эффект УФ-лучей в большинстве случаев носит всего лишь потенциальный характер и вероятность появления индуцированных мутаций в значительной степени зависит от того, в каких физиологических условиях находится клетка после облучения. Э. Виткин предположила, что клетка имеет механизм, способствующий восстановлению от повреждающего действия ультрафиолета. Дальнейшие исследования показали правильность ее предположения.

В отличие от рентгеновских лучей, мутагенность которых не зависит от длины волны, степень мутагенности ультрафиолетовых лучей является функцией последней. Максимум поглощения УФ-облучения входящими в состав ДНК пуринами и пиримидинами лежит в области 260 нм. Эта же величина соответствует максимуму мутагенности УФ-лучей, что указывает на прямую связь процесса индукции предмутационных повреждений ДНК с поглощением УФ-лучей ее азотистыми основаниями. Основные фотопродукты, возникающие при облучении двухцепочечной ДНК - пиримидин-пиримидиновые (преимущественно тимин-тиминовые)димеры, формирующие между соседними основаниями в цепи ДНК циклобутановые кольца.

Ультрафиолетовые лучи вызывают не только образование димеров, но и их разрушение. Когдадимеризация оснований в ДНК при воздействии лучей с длиной волны 240 нм достигает примерно 15%, начинается расщепление димеров; процессы образования и расщепления димеров приходят в равновесие, характеризующееся насыщением, при котором дальнейшее увеличение дозы УФ не приводит к росту числа димеров в ДНК. Для каждой длины волны характерно определенное равновесие между образованием и разрушением димеров. Так, например, доля димеров при длине волны 280 нм составляет 70%. Установлено, что частота появления димеров зависит, помимо длины волны УФ-лучей, от температуры и рН среды (максимальная - при 23 °С и рН= 8).

Присутствие димеров в ДНК приводит к ошибкам при ее репликации. Механизм вырезания ультрафиолет индуцированных повреждений ДНК, работающих на свету (фотореактивация), рассмотрен нами в гл. 10. Добавим, что исследования актиномицетов позволили установить временные характеристики формирования мутаций после воздействия УФ-света. Оказалось, что мутагенный эффект тем выше, чем больше промежуток времени между облучением клеток ультрафиолетом и последующей их обработкой видимым светом. Так, интервал между 98%-ным восстановлением от повреждений и временем получения максимального числа мутаций составлял 7 ч, а непосредственно в момент своего действия УФ-свет вызывал появление не истинных мутаций, а первичных пиримидин-пиримидиновых димеров, которые эффективно репарировались при включении видимого света сразу после обработки ультрафиолетом.

Таким образом, для перехода образовавшихся димеров в истинные мутации требуется некоторое время, в течение которого происходят определенные химические изменения в молекулярной структуре ДНК. Кроме того, было установлено, что характерной особенностью мутагенеза при воздействии УФ-света на клетки является необходимость синтеза в них белков. Максимальный выход мутаций наблюдается, когда облучение производится в момент максимально близкий к S-фазе. Ингибирование синтеза ДНК после УФ-облучения снижает выход мутаций на 90%.

Кроме прямого действия на ДНК, ультрафиолетовые лучи индуцируют мутации и косвенно, вызывая образование в клетках свободных радикалов и перекисей, обладающих мутагенными свойствами. Такие же мутагенные вещества возникают под действием УФ-света в жидких питательных средах для культивирования бактерий, что заметно увеличивает у них частоту мутаций.

- Читать далее "Роль химических соединений в развитии мутаций. Химия и мутации генов."