Генотоксичность - Genotoxicity

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 влияние на ДНК: индукцию мутаций, активацию несвоевременного события и прямое повреждение ДНК, ведущее к мутациям. Постоянные наследственные изменения могут затронуть либо соматические клетки организма, либо половые клетки, которые будут переданы будущим поколениям. 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 исследуют повреждения ДНК в клетках, подвергшихся воздействию токсичных субстратов. Это повреждение ДНК может проявляться в виде одно- и двухцепочечных разрывов, потери эксцизионной репарации, перекрестного сшивания, щелочно-лабильных участков, точечных мутаций, а также структурных и числовых хромосомных аберраций. 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

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, хром переходного металла 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. Взаимодействие было специфическим для гуанинового нуклеотида в генетической последовательности. Чтобы сузить взаимодействие между комплексом 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 обнаружено, что полимераза остановилась на этом участке, и аденин был неправильно включен в последовательность ДНК, противоположную основанию 8-оксо-G. Таким образом, эти поражения преимущественно содержат G -> T трансверсии . 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 ". Следовательно, это показывает, как высоковалентный хром может действовать как канцероген с 8-оксо-G, образующими ксенобиотики .

Другим примером генотоксического 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, перекрестные связи ДНК, разрывы ДНК, обмен сестринскими хроматидами, микроядра, хромосомные аберрации, генные мутации и хромосомные мутации in vivo и in vitro ». Наиболее частыми мутациями в генах являются трансформации G: C -> T: A и тандемная замена оснований. Пирролизидиновые алкалоиды мутагены in vivo и in vitro и, следовательно, ответственны за канцерогенез в печени. 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 и гепатоцитах печени . В конце концов исследователи обнаружили, что «окопник оказывает мутагенное действие на печень, а ПА, содержащиеся в окопнике, по-видимому, ответственны за токсичность, вызванную окопником, и за индукцию опухоли».

Методы испытаний

Цель тестирования на генотоксичность - определить, будет ли субстрат влиять на генетический материал или вызывать рак. Их можно проводить в клетках бактерий, дрожжей и млекопитающих. Благодаря знаниям, полученным в ходе испытаний, можно контролировать раннее развитие организмов, уязвимых к генотоксическим веществам.

Бактериальный анализ обратной мутации

Анализ обратной мутации бактерий, также известный как анализ Эймса , используется в лабораториях для проверки на мутацию 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.

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

токсикологические испытания in vitro

Целью тестирования in vitro является определение того, вызывает ли субстрат, продукт или фактор окружающей среды генетическое повреждение. Один метод включает цитогенетические анализы с использованием различных клеток млекопитающих. Типы аберраций, обнаруженных в клетках, затронутых генотоксическим веществом, включают хроматидные и хромосомные разрывы, хромосомные разрывы, 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. Это похоже на тест на микроядер и анализ хромосомных аберраций, которые обнаруживают структурные и числовые хромосомные аберрации в клетках млекопитающих.

В конкретной ткани млекопитающего можно выполнить анализ TK +/- лимфомы мыши для проверки изменений в генетическом материале. 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).

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.

Обзор использования SOS-ответа для тестирования генотоксичности

in vivo тестирование

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. Микроядерный небольшая структура отдельно от ядра , содержащего ядерную ДНК возникнувшего из фрагментов ДНК или целых хромосом , которые не были включены в дочерней клетке во время митоза. Причины этой структуры - митотическая потеря ацентрических хромосомных фрагментов (кластогенность), механические проблемы из-за разрыва и обмена хромосом, митотическая потеря хромосом (аневгенность) и апоптоз. Микроядерный тест in vivo аналогичен тесту in vitro, поскольку он проверяет структурные и численные хромосомные аберрации в клетках млекопитающих, особенно в клетках крови крыс.

Кометный анализ

Анализ комет - один из наиболее распространенных тестов на генотоксичность. Методика предполагает 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 в том, что он обнаруживает низкие уровни повреждения ДНК, требует лишь 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.

Рак

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 (например, пестицидов). Некоторые химические вещества обладают способностью вызывать хрупкие участки в областях хромосомы, где присутствуют онкогены , 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 генотоксические 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 могут быть связаны с индивидуальными различиями в эффективности механизмов репарации ДНК.

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

Генотоксическая химиотерапия

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 пролиферации . Если это повреждение достаточно серьезное, оно заставит клетки претерпеть апоптоз .

Риски

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

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 , что повышает риск вторичного рака, такого как лейкемия .

Различные методы лечения

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

Уход Механизм Примеры
Алкилирующие агенты вмешиваться в репликацию и транскрипцию ДНК путем модификации оснований ДНК. Бусульфан , Кармустин , Мехлорэтамин
Интеркалирующие агенты мешают репликации и транскрипции ДНК, вклиниваясь в промежутки между нуклеотидами ДНК Даунорубицин , Доксорубицин , Эпирубицин
Ингибиторы ферментов подавляют ферменты, которые имеют решающее значение для репликации ДНК Децитабин , Этопозид , Иринотекан

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • 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.
  • Smith MT (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 .