ный эффект органических и неорганических соединений. Полученные результаты позволили исключить из мутационных поисков неорганическую химию и органические соединения с дипольным моментом выше 4 Д.
Мутационные исследования велись среди органических веществ, с начальной ориентацией на реакционно активные, вызывающие превращение антигенов в анатоксины, метилирующие ферментативные белки, взаимодействующие с азотистыми основаниями, антисептики и т.п., с дипольным моментом в пределах 1,3-3,5 Д.
Основным объектом опытов была дрозофила (Drosophila melanogster), представитель нуклеопротеинового генетического строения.
Химические мутагены, действующие на этом высшем генетическом уровне, как показал опыт, эффективны и на других ступенях генетических организаций.
Ксередине 1941 г. несколько химических мутагенов были автором установлены, но еще не изучены.
Проведенные исследования позволили выявить большое число супермутагенов с мутагенным действием на 2-5 порядков выше уровня спонтанных мутаций или с уникальными качествами.
Кчислу супермутагенов относятся - нитрозометилуретан (6), N-ни- трозометилмочевина (13), многие их гомологи и замещенные; этиленимин (7, 15); диметилсульфат, диэтилсульфат (5, 12, 21); диазометан (6), производные диазометана (20, 32, 33); диазоэтан (13), дихлорэтилфосфористая кислота (11); 1,4-бисдиазоацетилбутан (26, 31, 32); 1,6-бис(ди- азоацетил/гексан) (9); N-нитрозометоксиметиламин (24); пиперидинкарбинол (20); паранитроацетофенилентрифенилфосфин (22); окись этилена, окись пропилена (7); 1,2-дихлорэтан (8), кетен (3); зарин, зоман, табун (10); двойные соли диазосоединений (22).
Кчислу сильных и умеренных мутагенов относятся: формальдегид (1, 20); непредельные альдегиды (8); дикетон (3); диазопропилфторфосфат (12); эфиры карбаминовой кислоты (14); глицидный эфир, эпихлоргидрин, этиленгликоль, пропиленгликоль (7); диэтилфторборат (6); цитронеллаль (8); бульбокапнин.
Открыта мутагенная активность лекарственных препаратов, в частности уротропина (гексаметилентетрамина), амфтропина, гельмитина.
Максимумы мутагенной активности обнаружили N-нитрозометил-
инитрозоэтилмочевина (13, 15), для которых характерна высокая жизнеспособность обработанного ими материала, что является достоинством этих супермутагенов. Нитрозометилмочевина показала повышенную на 5 порядков частоту индуцированных обратных мутаций от рецессива к доминанту (28).
С помощью нитрозометоксиметиламина (24), не образующего диазометана в щелочных условиях, доказано прямое (без медиатора) мутагенное действие нитрозосодержащих соединений.
Правило прямого действия мутагенов применимо в широком масштабе, но есть отдельные исключения из него, например, действие формальдегида. Господствующая закономерность прямого действия мутагенов (6) поддерживается резким преобладанием беспороговых взаи-
304
модействий у всех мутагенов. Мутации возникают, начиная с самых низких доз.
В работе (16) установлена важная закономерность отторжения генетических нуклеотидов, которые после реакции с мутагеном перешли в замещенную форму. Налицо несовместимость замещенных нуклеотидов с генетической структурой, составленной нормальными нуклеотидами. Она выдержала испытания на всех без исключения найденных мутагенах. Химические мутагены, тесно взаимодействуя с внутригенными единицами, тем не менее никогда не становятся частью генов. Это относится и к радикалам, непосредственно вызвавшим структурные отклонения. Удаление видоизмененных нуклеотидов происходит несмотря на парноэлектронные связи между измененным и соседними нормальными нуклеотидами. После отторжения, как правило, восстанавливается цельность генетической структуры, но иногда с образованием свободных вакансий, занимаемых химическими нуклеотидами, последние переходят при этом в генетическое состояние.
Нитрозоалкилмочевины, диалкилсульфаты (16), паранитроацетофенилентрифенилфосфин (22), 1,2-дихлорэтан (19) показали более высокую частоту мутаций в газовой фазе, чем в водном растворе.
При исследовании мутагенного действия диазометана (6) впервые описан механизм алкилирования при действии химических мутагенов. К настоящему времени эта закономерность прошла много экспериментальных испытаний и общепризнанна.
Алкилирование составляет наиболее эффективную реакцию химических мутагенов, но она протекает не в отдельности, а на фоне других предпосылок мутагенной активности. Роль алкилирования указана также для мутагенеза с участием диметилсульфата, диэтилсульфата, нитрозоалкилмочевин, этиленимина, окиси этилена. Помимо алкилирования в химическом мутагенезе действуют реакции ацетилирования (3), конденсации (14), фосфорилирования (10) и др.
Действие формальдегида (1,2) показало образец общей избирательности, неизвестной для радиационных мутагенов. К действию формальдегида чувствительны личинки и совершенно нечувствительны взрослые самцы дрозофилы. Не менее глубокую избирательность показал 1,2-дихлорэтан (как и диазоуксусная кислота). Они действуют на зрелые половые клетки сильнее, чем на гаметы, хотя у подавляющего большинства мутагенов распространено обратное неравенство. Дихлорэтан гораздо чаще вызывает мутации у самок, чем у самцов.
Установлено различие в эффективности мутационного воздействия формальдегида в водном растворе и формальдегида, образуемого экс темпоре из другого мутагена - пиперидинкарбинола. В газовой фазе формальдегид отличается слабой мутагенной активностью, а пиперидинкарбинол в таких же условиях очень эффективен.
Обнаружена избирательность мутагенной активности пяти двойных солей диазосоединений. Они оказались очень сильными мутагенами, повышающими частоту обратных мутаций на 4-5 порядков. Эта
11. Иосиф Абрамович Рапопорт... |
305 |
группа мутагенов действует на РНК-гены и не влияет, или почти не влияет, на нуклеопротеиновые гены.
Мутагенная деятельность зарина, зомана и табуна - боевых отравляющих веществ - показывает, что их применение очень угрожает потомству всех соприкоснувшихся с ними.
При сравнении частоты фрагментации хромосом у дрозофилы и у ряда растений установлен перевес чувствительности к действию мутагенов у растений. Это показывает радикальные расхождения во влиянии мутагенов в пределах нуклеопротеинового строения и составляет пример генетической дивергенции в последнем.
Были изучены химические производные почти всех названных выше мутагенов, но более сильные мутагенные формы удается получить крайне редко, а когда они возникают, то обычно отличаются недостатками в виде возросшей токсичности или дополнительной индукции хромосомных нарушений. Химические преобразования мутагена, как правило, сопровождаются падением активности при выраженной инерции мутагенных свойств, например, алкилэтиленимины по мутагенной активности слабее незамещенного этиленимина. Подавляющее большинство нитрозосодержащих мутагенов распадается в щелочных условиях с образованием совсем другого мутагена - диазометана или других дикзоалканов. Эти родственные мутагенные формы несопоставимы по количественным показателям. Своеобразие мутагенных деривантов состоит в том, что при совмещении в одном веществе двух независимых мутагенных продуктов мутагенная активность не превышает активности более сильного из них.
Изучение мутагенной активности в гомологических рядах мутагенов обнаружило интересные закономерности. Часть мутагенов представлена лишь первыми номерами соответствующего гомологического ряда. Самые сильные мутагены (нитрозоалкилмочевины), как правило, отмечены сохранением их действия даже у очень высоких номеров, но с ростом алкильного радикала активность мутагенов снижается. Однако есть супермутагены, деятельность которых в гомологическом ряду ограничена двумя первыми номерами, - таковы диалкилсульфаты, между тем у родственных им алкилалкансульфонатов мутагенная активность сохраняется вплоть до высоких номеров гомологического ряда. Различие обусловлено, по-видимому, тем, что алкилалкансульфонаты являются моноалкильными соединениями, и поэтому у них мутагенная активность в гомологическом ряду не блокируется так рано, как это наблюдается у родственных им диалкильных соединений. Существенно, что у последних в мутагенном воздействии участвует лишь одна из двух алкильных групп. При наличии в мутагене нескольких полярных радикалов максимум мутагенного эффекта может совпасть не с первым, а со вторым номером гомологического ряда. Так ведет себя гомологический ряд эфиров карбаминовой кислоты (14). В некоторых гомологических рядах мутагенов на уровне 5-7 номеров мутационная активность незначительно отклоняется от монотонного падения в плюс-сторону, или восстанавливается, вероятно, в связи с конфигурационной переменой. Радикальное отклонение от описанных гомологических законо-
306
мерностей составляют бифункциональные бис-диазоацетилалканы. В их гомологическом ряду налицо постепенный рост мутагенной активности от первого до четвертого номеров, что обусловлено, может быть, большей возможностью независимого участия в мутагенном процессе каждой из диазоалкановых групп по мере возрастания номеров гомологического ряда.
Падение мутагенной активности по мере прибавления алкильных радикалов в мутагенном продукте вызвано растущими стерическими помехами. В отличие от замещений, при которых применяются преимущественно полярные радикалы, изменение мутагенной активности в гомологических рядах несравненно более равномерно, что объясняется неполярностью алкильных групп.
В мутационных процессах с участием полученных мутагенов установлена общая закономерность — химические мутагены действуют на нуклеопротеиновые, ДНКовые и РНКовые гены, указывая тем самым на принципиальное единство строения генетического аппарата. Среди всех мутагенов лишь 1,4-бис(диазоацетил)бутан не реагирует с частью РНК геномов у актиномицетов. Подобные различия не противостоят в главном единству генетических форм.
Совокупность мутагенных данных показывает несостоятельность концепции рентгене- и радиомиметизма, которая была распространена, главным образом, в радиационной медицине на действие химических мутагенов (18). Оригинальность влияния химических мутагенов очевидна из огромных количественных различий выхода мутаций по сравнению с действием физических мутагенов. Расхождение часто колеблется в пределах 2-3 численных порядков. Химические мутагены не только ввели совершенно новые мутационные механизмы, но и образцы неизвестной ранее кинетики. Достаточно сказать, что для бис-диазоалканов и ряда близких им соединений характерно линейное нарастание кривой действия по сравнению с радиационными мутагенами, у которых сравнительно короткий линейный отрезок постепенно переходит в плато, а далее в отрицательную кривую. В своеобразии мутационных спектров, вызванных химическими мутагенами, поражают черты обобщенной и частной специфики, отсутствующей в спектрах действия радиационных мутагенов. Химические мутагены создают неизвестные ранее признаки, что также не присуще радиационным мутагенам. При влиянии химических мутагенов обнаруживаются совсем другие уровни измерения, и число ступеней мутагенного преобразования несравненно больше. Длительность мутагенного перехода в этом случае в тысячи раз выше, чем при радиационном мутагенезе.
Исследование действия различных химических мутагенов привело к открытию неизвестных ранее явлений. Так, у некоторых химических мутагенов были открыты модификационные эффекты. Например, мутаген бульбокапнин (4) вызывает у дрозофилы переход от двусторонней симметрии к единственному типу асимметрии, что составляет модификационную перемену. Как показало изучение, в индукции морфологической асимметрии участвует оптическая асимметрия этого алкалоида. Сходную асимметрию вызывают еще несколько алкалоидов, а так-
11* 307
же парафениленамид, парааминофенол, хинон и гидрохинон, участвующие в образовании оптически активных глюкозидов. Огромное большинство оптически деятельных соединений лишено возможности подобного вмешательства.
Была разработана оправдавшая себя теория стимуляционного действия химических мутагенов (23, 29). Открыто новое явление реактивации ферментов, предварительно денатурированных под действием высоких доз гамма-излучения. Установлена способность N-нитрозоалкил- мочевин экранировать гены от последующего действия ультрафиолетовой радиации (27). Было открыто отклонение от закона расщепления Менделя при обработке растений супермутагенами. Гомозиготные мутанты с частотой порядка 3-10% проявлялись во втором поколении без расщепления. Анализ показал, что причиной отклонения является одновременная индукция мутаций и межхроматидного перекреста (25).
В одной из работ было указано на перспективность этиленимина в качестве потенциального онколитика. При ссылке на автора развернулись многочисленные синтезы, завершившиеся успехом. На целесообразность анализа замещенных мутагенов на противоопухолевую активность указано в ряде других работ (9, 11, 10).
Исследованы связи между токсикологией и генетикой. Токсикогенетика предполагает прямое использование генетических методов в решении чисто токсикологических проблем.
Химические мутагены нашли широкое применение в разных областях. Перечисленные ниже направления развертывались при участии соавторов-генетиков и многих специалистов по каждой отрасли.
а) В селекции продуцентов промышленного микробиологического синтеза получено много новых авторских свидетельств, значительная часть которых относится к ранее использованным или ныне применяемым в промышленности штаммам, что приносит ежегодно крупный экономический эффект. В этих исследованиях нашли применение 10 химических мутагенов.
б) В селекции различных сельскохозяйственных культур с помощью химических мутагенов получено 45 районированных сортов2, а еще около 100 сортов проходили или проходят государственное сортоиспытание. Не менее 30% районированных сортов отмечены новыми ценными селекционнымипризнаками. Применяется 16различныхмутагенов.
в) В индуцированных мутациях, усиливающих общий и полезный выход естественного отбора (26), объектами опытов служит активный ил из промышленных очистных сооружений. Подъем очистки в них в 2-4 раза выше исходного уровня, а в аэротенках после 4-6 повторных обработок - в 30-50 раз. Наивысший экономический эффект от применения химического мутагенеза в системах естественного отбора составляет на одном предприятии 1 млн руб. в год.
г) Развернуты экспериментальные исследования, а также применение на растениях (особенно в лесоводстве) и на животных (30) стимуляционного действия генетически активных веществ, вызывающих замет-
2 К 1991 г. уже было 116 районированных сортов.
308