Широкое изучение химического мутагенеза началось после того, как в 1942 г. Шарлотта Ауэрбах и Дж. Робсон обнаружили в опытах на дрозофиле мощное мутагенное действие иприта и его производных. В 1946 г. отечественный генетик И А. Рапопорт выявил такие же свойства у этиленимина и формальдегида. С тех пор было обнаружено множество химических соединений, способных вызывать в ДНК разного рода нарушения:
1) ковалентные сшивки двух близко расположенных оснований;
2) ковалентное связывание азотистых оснований с алифатическими и ароматическими радикалами;
3) химические перестройки азотистых оснований (дезаминирование, нарушение кольцевой структуры, полная элиминация);
4) нарушение сахарофосфатного каркаса полинуклеотида.

В соответствии со спецификой мутагенной активности среди химических агентов можно выделить:
1) соединения, мутагенные в отношении как реплицирующейся, так и не реплицирующейся ДНК (алкилирующие соединения, окислители-восстановители);
2) соединения, мутагенные только в отношении реплицирующейся ДНК (производные пуринов и пиримидинов, акридиновые красители);
3) прочие химические, в том числе биогенные мутагены (экзогенная ДНК, вирусы, бактериофаги и др.).

Алкилирующие агенты, представляющие собой наиболее обширную группу химических мутагенов - это химические соединения, которые переносят алкильные группы на биологические макромолекулы. Они являются источниками для введения в молекулы реагирующих с ними веществ радикалов (алкильных групп): метила (СН3), этила (С2Н5), пропила (С3Н7) и т.д.

В общем виде процесс алкилирования, т.е. замещении атома водорода в молекуле алкильной группой, можно представить формулой Х-Н->Х — X-R алкилирующим агентам относятся несколько гетерогенных классов химических соединений: этиленимины, алкилалкансульфонаты, эпоксиды, многоатомные спирты, производные нитрозомочевины и аминоимидазола и некоторые другие природные и синтезированные химические соединения. Среди алкилирующих агентов, непосредственно взаимодействующих с ДНК, - серный и азотистый иприты, пропиолактон, алкилсульфонаты, алкилнитрозамины и др. Фактически все потенциально нуклеофильные группы азотистых оснований реакционно активны в отношении метилирующих и этилирующих агентов. Возможные участки замещения в ДНК представляют собой: у аденина -атом азота в 1-м, 3-м и 7-м положении (N-l, N-3, N-7), у гуанина-в тех же трех положениях, у цитозина-атом азота в N-l и N-3, аутимина - в N-3. Таким образом, алкилируются преимущественно свободные атомы азота, которые не включены в формирование водородных связей, расположены близко к фосфатной группе и находятся на внешней стороне в закрученной двуспиральной ДНК.

Основной участок реакции (на его долю может приходиться до 90% общего алкилирования) для многих из перечисленных агентов — атом азота в 7-м положении гуанина. Такое взаимодействие ведет к ослаблению связи между алкилированным азотистым основанием и сахарофосфатным остовом и выпадению пурина из алкилированной ДНК (возникает апуриновая брешь).

На место выпавшего пурина в образовавшийся апуриновый сайт может встроиться какое-либо другое основание, что ведет к возникновению транзиций (GC—AT) —основного типа изменений, лежащих в основе мутаций под действием алкилирующих агентов. Кроме того, в результате ошибок генетической репарации могут возникать мутации типа транзиций AT - GC, трансверсий и сдвига рамки считывания.

Появляющиеся в результате алкилирования модифицированные азотистые основания могут быть как химически нестабильными, так и стабильными. В первом случае они подвергаются неферментативному гидролизу с образованием апуриновых и апиримилиновых участков. Во втором случае модифицированные основания могут быть удалены N-гликозилазами, что также приводит к образованию апуриновых и апиримидиновых участков, которые в дальнейшем репарируются по эксцизионному типу. Оставшиеся нерепарированными стабильные модифицированные азотистые основания обусловливают ошибки считывания генетической информации в ходе репликации и транскрипции.

Алкилирующие соединения вызывают также поперечные сшивки цепей в молекуле ДНК, приводящие к разрывам хромосом и появлению хромосомных аберраций. По скорости алкилирования ДНК различают быстро реагирующие сшивающие агенты (например, иприты) и медленно, пролонгированно реагирующие (например, тиофосфамид), при действии которых количество сшивок нарастает с течением времени. Репарация таких тяжелых повреждений ДНК, как внутри- и межмолекулярные сшивки, ингибирующие ее синтез и транскрипцию, также происходит по эксцизионному типу.

Кроме того, под действием алкилирующих соединений могут образовываться сшивки ДНК-белок, причем двух типов: сшивки белка с одной молекулой ДНК и соединение двух молекул ДНК с помощью белкового мостика. Помимо названных, не исключена возможность образования в хроматине мостиков белок-белок, затрудняющих контакт ДНК-полимеразы с матрицей. Уменьшение числа сшивок ДНК-белок при длительном инкубировании клеток после воздействия сшивающих алкилирующих агентов показано на многих объектах, но механизм их репарации не изучен.

- Читать далее "Алкилирующие соединения и мутации. Виды алкилирующих химических веществ."