Выпадение или включение дополнительного нуклеотида

Выпадение или включение дополнительного нуклеотида в структуру ДНК кардинальным образом изменяет триплетный код, с помощью которого храниться информация о последовательности аминокислот в синтезируемом белке. Поскольку выпадение или включение основания приводит к "сдвигу" всей последовательности нуклеотидов (рисунок 4) последствия такой мутации, как правило, пагубны.

Рисунок 4. Выпадение аденина (А*) приводит к сдвигу цепи нуклеотидов влево и полному изменению триплетного кода

Некоторые токсиканты, например производные акридина, способны вызывать подобные изменения в структуре ДНК.

Репарация ДНК

Клетки обладают способностью корректировать и устранять повреждения ДНК. Вследствие этого лишь небольшое число мутаций, инициированных токсикантом, сохраняется в процессе репликации молекулы. Однако если мутация не распознана, извращенная информация транскрибируется в РНК, а затем экспрессируется в форме неполноценного протеина. Последствия этого для клетки могут быть либо несущественны, либо критичны, в зависимости от функций, выполняемых протеином.

Ряд ферментов, участвующих в репарации поврежденных ДНК, в настоящее время хорошо изучен (см. выше). Например, метилтрансферазы принимают участие в деметилировании О-6-метилгуанина. Гликозилазы расщепляют связи между азотом-9 пурина, подвергшегося алкилированию, образуя участки депуринизированной ДНК. Фрагменты нуклеиновой кислоты, состоящие, как правило, из 3 - 4 нуклеотидов, включая депуринизированный участок, вырезаются из цепи спомощью эндонуклеаз. В дальнейшем удаленные фрагменты заполняются при участии ферментов ДНК-полимераз и "встраиваются" в общую цепь с помощью ДНК-лигаз. Сбои в этом механизме могут приводить к повреждению генетического кода клеток.

Хромосомные аберрации

Для обозначения процессов, приводящих к делеции (выпадению), перестройке фрагментов хромосом или появлению дополнительных хромосом, которые выявляются с помощью световой микроскопии клеток, используют термин - кластогенез. Наиболее частой формой кластогенеза являются разрывы хромосом, которые вызываются, например, действием ионизирующего излучения и многих химических веществ. Алкилирующие агенты, особенно содержащие две функциональные группы в молекуле (сернистый, кислородный, азотистый иприты и их производные и аналоги, бисульфан, кармустин и т.д.), образуя поперечные связи с обеими цепочками молекулы ДНК, могут вызвать её разрыв. В основе разрыва лежит депуринизация поврежденных нуклеотидов соседствующих фрагментов обеих нитей ДНК, с последующим их одновременным вычленением с помощью эндонуклеаз (см. выше). Ферментом, принимающим участие в последующей репарации поврежденной ДНК, является поли-АДФ-рибозилполимераза. Аккумуляция в ядре клетки фрагментов ДНК активизирует энзим. Субстратом для образования АДФ-рибозилата, необходимого для восстановления целостности макромолекулы, является никатинамидадениндинуклеотид (НАД). Если ДНК повреждается значительно, на её репарацию расходуется большое количество НАД, что приводит к истощению запасов нуклеотида в клетке и острому энергетическому дефициту. Полагают, что этот феномен также может лежать в основе гибели клеток, подвергшихся действию мутагенов (например, иприта).

В ходе "сшивания" двунитевых разрывов хромосом весьма вероятны ошибки. Основные виды нарушений, возникающих при этом, это делеция, транслокация и инверсия частей хромосом.

Увеличение числа хромосом в клетке может явиться следствием нарушения процесса их разделения в ходе митоза между двумя дочерними клетками. В итоге образуются клетки с большим или меньшим числом хромосом. Иногда кратно увеличивается весь набор хромосом. Это явление называется - полиплоидия. Ряд химических веществ вызывают полиплоидию. К числу наиболее изученных относится колхицин (рисунок 5), связывающийся с мономерами тубулина, блокирующий его полимеризацию и за счет этого нарушающий образование митотических веретен.

Рисунок 5. Структура колхицина

Колхицин блокирует митоз в метафазе, вызывая полиплоидию поврежденной клетки. Другими примерами веществ, действующих подобным образом, являются производные алкалоида винкамина (винкристин, винбластин) и подофилотоксин. Полиплоидия у млекопитающих, как правило, является летальной мутацией (в отличии от растений).