Клеточные механизмы адаптационных процессов при действии генотоксических факторов среды

Клеточные механизмы адаптационных процессов при действии генотоксических факторов среды

В современной литературе большое внимание уделяется исследованию и классификации механизмов адаптационных процессов (Ушаков, 1963; Шкорбатов, 1971; Хлебович, 1984; Озернюк, Нечаев, 2002; Паритов, Кокова, 2007). Н. Д. Озернюк, С. К. Нечаев (2002) предлагают классификацию элементарных адаптационных механизмов, основой которой служит разделение адаптаций на два типа: механизмы, напрямую не связанные с экспрессией генов и адаптации, обусловленные изменением экспрессии генов. Каждый из них реализуется при помощи нескольких конкретных биохимических и молекулярно-генетических процессов, требующих более детального исследования. В современной литературе такие сведения крайне скудны и разрозненны. Задачей данного исследования является исследование механизмов адаптационных процессов на клеточном уровне к возрастанию общего мутационного давления факторов антропогенной природы.

Из числа типов патологии митоза (ПМ) индуцированных суммарным загрязнением воды природных и искусственных водоемов дельты Волги выявлены группы ПМ, свидетельствующие о наличии адаптационных процессов на клеточном уровне. Загрязняющие вещества (ЗВ) воды ёмкости сезонного регулирования (ЕСР) Астраханского газового комплекса (и некоторых рек дельты Волги) снижают митотический индекс клеток меристемы зародышевого корня, индуцируют разнообразные типы патологии митоза, связанные с повреждением хромосом, нарушением цитотомии, полиплоидизацией ядер. Проращивание семян лука в воде ЕСР приводит к накоплению в меристеме клеток на одной из стадий митоза. Об этом свидетельствует увеличение профазного и метафазного индекса по сравнению с контролем (проращивание семян лука в водопроводной отстоянной воде). Одним из проявлений воздействия генотоксикантов ёмкости является увеличение плоидности ядер и обособление микроядер в клетках (рис. 1) апикальной меристемы зародышевого корня. Образование микроядер в данном случае является одним из проявлений адаптации клеток меристемы в условиях воздействия агрессивных факторов внешней среды. Биологический смысл этого процесса заключается в изоляции фрагментов хромосом (и повреждённых мутагенами групп хромосом) с предотвращением дальнейшего их участия в делении клетки и передаче генетической информации. При прохождении «точек контроля» клеточного цикла микроядра элиминируются. Обособление микроядер направлено на сохранение клеткой жизнеспособности и самозащиту генетического аппарата от последующих, чреватых гибелью делений.

Рис. 2 Процесс образования микроядер в клетках апикальной меристемы зародышевых корней Allium cepa L. под влиянием воды ЕСР

Было установлено, что пробы воды, индуцирующие меньшее количество хромосомных перестроек, вызывали образование большего количества клеток с микроядрами. При проращивании семян лука в воде ЕСР, не прошедшей фильтрацию через природные сорбенты, количество клеток с МЯ в меристеме составило 0,24%, но доля анафаз с аберрациями хромосом была очень высокой: 40,7. Фильтрация воды ЕСР через активированный уголь снизила долю клеток с аберрациями хромосом в анафазе митоза с 40,7% до 33,3%. При этом количество клеток с микроядрами (МЯ) в меристеме увеличилось до 4,0%.

При фильтрации воды ЕСР через природные сорбенты (опоки Астраханской области) количество клеток с МЯ составило 2,9%, а доля анафаз с аберрациями хромосом снизилась с 40,7% до 30,9%. Фильтрация воды ЕСР уменьшила её генотоксическое воздействие, увеличилась пролиферативная активность клеток меристемы, возрос митотический индекс клеток меристемы. пролиферирующий клетка загрязнение хромосомный При этом ускоряется прохождение клеток через «точки контроля».. Нерепарируемые повреждения (ацентрические и центрические фрагменты хромосом, мосты, хромосомные и хроматидные кольца в конце анафазы — начале телофазы (рис. 2.) обособляются в микроядра. Таким образом, центрические и ацентрические фрагменты хромосом изолируются из процесса деления в виде микроядер и в дальнейшем элиминируются Под воздействием на клетки меристемы корня многокомпонентной по составу воды ЕСР с высокой статистической частотой образуются полиплоидные клетки. Часть из них претерпевают процесс деления, другие находятся в интерфазе (рис. 3). Плоидность генома также контролируется системой «контрольных точек» (Rieder, Schultz, 1994). В ответ на изменение плоидности эта система блокирует дальнейшую прогрессию пролиферации клеток (рис.3).

Рис. 3 Полиплоидные клетки в апикальной меристеме зародышевых корней Allium cepa L. под влиянием воды ЕСР

При исследовании типов патологии митоза в клетках меристемы лука под воздействием воды ЕСР наблюдается появление остаточного от предыдущего клеточного цикла ядрышка в метафазе и анафазе, увеличение количества ядрышек и их площади (рис.4), сопровождающееся снижением митотического индекса клеток.

Рис. 4 Образование гипертрофированных ядрышек в клетках апикальной меристемы зародышевых корней Allium cepa L. под влиянием воды ЕСР

Ряд исследователей (Анисимова, Анисимова, 2005; Вострикова, Буторина, 2006; Карпова, Калаев, 2006), при изучении воздействия стрессовых факторов на клетки корневой меристемы растений, также отмечали повышение ядрышковой активности и накопление клеток с остаточным ядрышком. Это явление авторы связывают с увеличением активности генов рибосомальных цистронов за счет ослабления связи ДНК — белок в районе хромосомы — ядрышкового организатора.

Реакция пролиферирующих клеток в ответ на действие стрессовых факторов внешней среды направлена на сохранение клетками жизнеспособности, надёжности передачи генетической информации следующим поколениям клеток, а также изоляцию повреждённых участков хромосом из процессов деления путем блокирования таких клеток на стадии интерфазы или иными механизмами. К числу таких адаптационных механизмов относятся: полиплоидизация клеток, формирование микроядер и увеличение площади ядрышка. Таким образом, при оценке генотоксического воздействия факторов окружающей среды на клетки меристемы растений недостаточно использовать только анафазный и телофазный метод. Разнообразные химические агенты вызывают различные механизмы повреждения наследственно детерминированных клеточных структур и процессов. При этом реакция пролиферирующих клеток на стрессовые факторы среды может быть неоднозначна, и проявляться в снижении митотической активности, накоплении клеток на одной из фаз митоза, проявлении различных типов патологии митоза. Кроме этого, могут активироваться клеточные механизмы адаптации, приводящие к снижению регистрируемых повреждений в анафазе и телофазе. Для повышения объективности оценки генотоксического воздействия на пролиферирующие клетки необходимо использовать одновременно несколько взаимодополняющих критериев.