Генотоксична дія потенційно небезпечних хімічних сполук

В огляді наведено основні відомості про структурно-функціональну організацію ядерного хроматину, що є мішенню генотоксичної дії потенційно небезпечних для людини хімічних речовин: органічних розчинників, пестицидів, промислових отрут. На прикладі цих токсичних речовин розглянуто молекулярні механі...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Вісник НАН України
Date:	2016
Main Authors:	Трахтенберг, І.М., Левицький, Є.Л.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2016
Subjects:	Статті та огляди
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107366
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Генотоксична дія потенційно небезпечних хімічних сполук / І.М. Трахтенберг, Є.Л. Левицький // Вісник Національної академії наук України. — 2016. — № 7. — С. 27-42. — Бібліогр.: 27 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859941756703866880
author	Трахтенберг, І.М. Левицький, Є.Л.
author_facet	Трахтенберг, І.М. Левицький, Є.Л.
citation_txt	Генотоксична дія потенційно небезпечних хімічних сполук / І.М. Трахтенберг, Є.Л. Левицький // Вісник Національної академії наук України. — 2016. — № 7. — С. 27-42. — Бібліогр.: 27 назв. — укр.
collection	DSpace DC
container_title	Вісник НАН України
description	В огляді наведено основні відомості про структурно-функціональну організацію ядерного хроматину, що є мішенню генотоксичної дії потенційно небезпечних для людини хімічних речовин: органічних розчинників, пестицидів, промислових отрут. На прикладі цих токсичних речовин розглянуто молекулярні механізми їх геномоушкоджуючої дії. Особливу увагу приділено вільнорадикальним механізмам токсичного ураження ядерного геному за дії небезпечних хімічних речовин. Зроблено висновок про особливу роль ДНК та гістонових протеїнів ядерного хроматину в механізмах розвитку генотоксичності, процесів репарації пошкоджень цих основних структур, а також доцільність використання антиоксидантів-геномопротекторів як засобів фармакологічного захисту ядерного геному в умовах хімічного ураження. The review provides basic information on the structural and functional organization of nuclear chromatin, which is the target of genotoxic action of chemicals potentially dangerous to humans, such as organic solvents, pesticides and industrial poisons. On the example of these toxic substances the molecular mechanisms of their genotoxic action were examined. The particular attention is paid to the mechanisms of free radical toxic destruction of nuclear genome under the influence of dangerous chemicals. The conclusion is made about the special role of DNA and histone proteins in nuclear chromatin mechanisms of genotoxicity development and the repair processes of these basic structures and appropriateness of the use of antioxidants-genoprotectors as the means of pharmacological protection of nuclear genome in conditions of chemical damage.
first_indexed	2025-12-07T16:12:15Z
format	Article
fulltext	ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 7 27 ГЕНОТОКСИЧНА ДІЯ ПОТЕНЦІЙНО НЕБЕЗПЕЧНИХ ХІМІЧНИХ СПОЛУК В огляді наведено основні відомості про структурно-функціональну орга- нізацію ядерного хроматину, що є мішенню генотоксичної дії потенційно небезпечних для людини хімічних речовин: органічних розчинників, пести- цидів, промислових отрут. На прикладі цих токсичних речовин розглянуто молекулярні механізми їх геномоушкоджуючої дії. Особливу увагу приділе- но вільнорадикальним механізмам токсичного ураження ядерного геному за дії небезпечних хімічних речовин. Зроблено висновок про особливу роль ДНК та гістонових протеїнів ядерного хроматину в механізмах розвитку генотоксичності, процесів репарації пошкоджень цих основних структур, а також доцільність використання антиоксидантів-геномопротекторів як засобів фармакологічного захисту ядерного геному в умовах хімічного ураження. Ключові слова: ядерний хроматин, генотоксичні речовини, хімічні ушко- дження, антиоксиданти-геномопротектори. Вступ Сьогодні, в умовах хімічного забруднення екологічного середо- вища людини продуктами її життєдіяльності, особливо важли- вими є дослідження молекулярних механізмів хімічного ушко- дження апарату спадковості та мінливості клітини, а також пошук шляхів корекції подібних уражень. Завдяки новітнім досягненням біологічної науки багато в чому стає зрозумілою винятково важлива роль спадкового матеріалу (ядерного хро- матину), матеріальним носієм генетичної програми якого є дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК), у процесах функціо- нування організму людини у нормі та при патології. Нині стає зрозумілим, наскільки виняткове значення має ядерний геном у розвитку таких патологічних станів, як серцево-судинні за- хворювання, онкогенез, класичні спадкові хвороби, старіння та багато інших [1—3]. Це зумовлено центральним місцем, яке займає ядерна ДНК у реакціях клітинного метаболізму. Всі без винятку біохімічні реакції в організмі відбуваються за участі природних каталізаторів пептидної природи — ензимів, про- грама синтезу яких записана в ядерній ДНК. Тому зрозумі- ТРАХТЕНБЕРГ Ісаак Михайлович — член-кореспондент НАН України, академік НАМН України, доктор медичних наук, професор, завідувач лабораторії ДУ «Інститут медицини праці Національної академії медичних наук України» doi: 10.15407/visn2016.07.027 ЛЕВИЦЬКИЙ Євген Леонідович — доктор біологічних наук, провідний науковий співробітник Інституту біохімії ім. О.В. Палладіна НАН України 28 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (7) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ ло, що ушкодження цієї біосубстанції одразу спричиняє появу цілої низки хвороб. В Україні, яка в колишньому СРСР викону- вала роль військово-промислового придатка, завжди були величезні скупчення потенційно небезпечних токсичних речовин: промисло- вих відходів, шкідливих викидів, мінеральних добрив, пестицидів тощо. Ситуація значно ускладнилася після аварії на Чорнобильській АЕС — до токсичних хімічних речовин дода- лися ще й небезпечні радіоактивні сполуки. Переважна більшість цих речовин за певних умов здатні ушкоджувати ядерний геном, тоб- то бути генотоксичними. На цьому тлі стає зрозумілою винятково важлива роль установ НАН України і НАМН України у проведенні досліджень молекулярних механізмів геноток- сичної дії потенційно небезпечних хімічних сполук, що є основними екозабруднювачами. Надзвичайно важливим є також пошук засобів запобігання (профілактики) і лікування поді- бних хімічних генетичних уражень за допомо- гою відомих лікарських препаратів та біологіч- но активних речовин, що потенційно можуть стати такими. Ці речовини далі ми називати- мемо геномопротекторами. У цьому огляді ми наведемо основні відо- мості про сучасний стан досліджень механіз- мів генотоксичної дії потенційно небезпечних хімічних сполук та окреслимо основні шляхи фармакологічної корекції зумовлених ними уражень. В основу статті покладено як резуль- тати власних експериментальних досліджень (детальніше див. [1]), так і дані найбільш зна- чущих аналогічних дослідів, описаних у на- уковій літературі. Як об’єкт аналізу генотоксикантів було об- рано чотирихлористий вуглець (тетрахлоре- тан), хлорофос, а також низку важких металів зі встановленим генотоксичним механізмом дії (кадмій, ртуть). Основний акцент зроблено на аналізі вільнорадикальної природи механізмів генотоксичності, в результаті яких розвивають- ся пошкодження ядерного хроматину. Коротко описано сучасні підходи до пошуку засобів фармакологічної корекції генотоксичних по- шкоджень ядерного хроматину за допомогою фармакологічних препаратів і біологічно ак- тивних речовин антиоксидантного механізму дії. Однак спочатку варто зупинитися на сучас- них уявленнях про структурно-функціональну організацію ядерного хроматину. Сучасні уявлення про молекулярну структуру ядерного хроматину як мішені ушкоджуючої дії генотоксикантів Основними структурними компонентами ядерного хроматину є ДНК і протеїни (гісто- нові й негістонові). На рис. 1 і 2 наведено схему будови хроматину із зазначенням його осно- вних компонентів. На рис. 3—5 показано осно- вні принципи укладки компонентів хроматину у надмакромолекулярну структуру. Рис. 1. Загальна схема молекулярної будови ядерного геному (хроматину): 1 — подвійна спіраль ДНК; 2 — пари азотистих основ; 3 — фосфатні групи; 4 — група з білкових молекул Рис. 2. Основні структурні компоненти ядерного гено- му (хроматину) ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 7 29 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Матеріальний субстрат спадкової інфор- мації — ДНК є її носієм, а також мішенню дії ендо- і екзогенних (епігенетичних) сигналів, дія яких призводить до зміни її структури (мінливості), внаслідок чого відбуваються мутації. До таких епігенетичних факторів на- лежать і хімічні отрути, дія яких на ядерний геном може спричинювати появу оборотних (таких, що репаруються) і необоротних (що не репаруються) змін первинної структури ДНК (зокрема, мутацій). Основні компоненти хроматину поділяють- ся на основні — ДНК, протеїни (гістонові й не- гістонові) і мінорні — ліпіди, РНК, незначні кількості металів (насамперед залізо) та деякі інші. Детальну характеристику компонентів хроматину, що визначають його структуру і є мішенню токсичної дії токсикантів, наведено у роботах [1, 4]. Протеїни хроматину є важливими компо- нентами системи регуляції його активності. Відомо, що процеси реплікації, транскрипції і репарації ДНК відбуваються більш інтенсивно в транскрипційно активному хроматині (ТАХ) порівняно з неактивним (мовчазним) хрома- тином (РХ) [5]. Відомо також, що ТАХ відріз- няється від РХ багатшим якісним і кількісним складом негістонових протеїнів, але, разом з тим, саме гістонам належить основна роль у ре- гуляції активності хроматину. Це й зрозуміло, адже саме вони визначають упаковку і ступінь компактності хроматину [6]. Отже, основою функціонування хромати- ну є його поділ на активний і репресований хроматин. У роботі [7] ми охарактеризували ці фракції хроматину в умовах застосованого нами методу екстракції хроматину і показали важливість відмінностей їх біохімічних харак- теристик для реалізації токсичної дії токси- кантів та фармпрепаратів-геномопротекторів. У результаті цих досліджень було встановле- но, що фракції ТАХ і РХ істотно різняться за своїми біохімічними характеристиками. Пер- ша має підвищений вміст негістонових проте- їнів, ліпідів, деяких регуляторних елементів, у тому числі біометалів та ензимів, а друга — гіс- тонів. Це й зрозуміло, враховуючи сучасні дані про вплив ступеня конденсації хроматину на ступінь експресії генів, зумовленої відміннос- тями в конформаційних характеристиках цих фракцій, і вплив на цей процес гістонових про- теїнів. Рис. 5. Будова нуклеосоми Рис. 3. Схема розміщення ДНК і гістонів у нуклеосо- мі — основній структурній одиниці хроматину Рис. 4. Роль гістонових протеїнів в організації струк- тури хроматину 30 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (7) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ Досить важливим є вміст у структурі хро- матину порівняно невеликої кількості ліпідів [5]. Вони є мішенню ушкоджуючої дії вільних радикалів, що утворюються в організмі у про- цесі його функціонування (рис. 6). Свого часу ми детально описали та охарактеризували низку реакцій пероксидного окиснення ліпідів (ПОЛ), що функціонує у фракціях хроматину (рис. 7) [8]. Було встановлено, що зміна інтен- сивності цих реакцій є відповідальною за меха- нізми його хімічного ураження та мішенню дії засобів фармакологічного захисту. Приклади генотоксичної дії деяких потенційно небезпечних хімічних речовин Тетрахлорметан (ТХМ). У наших попере- дніх дослідженнях генотоксичності ТХМ, про- ведених у відділі біохімічної фармакології Ін- ституту фармакології і токсикології НАМН України під керівництвом члена-ко рес пон ден- та НАМН України Ю.І. Губського [9], було по- казано, що хімічне ушкодження печінки ТХМ, який активує ПОЛ у біомембранах, викликає певні порушення процесів реплікації і тран- скрипції ДНК в гепатоцитах. З іншого боку, є дані [10], що інтоксикація цим ксенобіотиком супроводжується підвищенням загальної міто- тичної активності клітин печінки, що може бути пов’язано як з прямою дією ТХМ на гене- тичний апарат клітини, так і зі змінами в сис- темах біохімічної регуляції функціонування хроматину. У роботі [11] було показано, що од- ним з механізмів регуляції активності ядерно- го геному може бути модифікація реакцій ПОЛ у фракціях РХ і ТАХ. Оскільки 14С-ме та- бо лі ти міченого ТХМ здатні до ковалентного зв’язування з ДНК і ядерними протеїнами пе- чінки щурів і мишей [8, 12], не виключено при- пущення про пряму дію цього ксенобіотика на функціональну активність хроматину, що не пов’язана з його токсичною дією на клітинні біомембрани і метаболізмом внутрішньоклі- тинних регуляторів. Рис. 6. Основні види вільних радикалів, що ушкоджують хроматин Рис. 7. Ланцюгова реакція пероксидного окиснення ліпідів: 1 — старий; 2, 3 — нові ланцюги окиснення ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 7 31 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ У наших роботах було підтверджено моле- кулярні вільнорадикальні механізми ушко- дження ядерного геному ТХМ. Ушкоджуючі ефекти цієї отрути пов’язані з високою спорід- неністю до транскрипційно активної фракції хроматину з наступною деструкцією її ДНК. У результаті пошкодження щільність цієї фракції була вищою порівняно з контролем, що було доведено збільшеною стійкістю до гідролізу ендогенними нуклеазами. Водночас у цій фракції при інтоксикації збільшувався вміст однониткових структур ДНК, збагаче- них протеїнами. У фракції ТАХ було виявлено протилежні властивості відносно ензиматичної чутливості: збільшення щільності хроматину супроводжу- валося нечутливістю до S1-нуклеаз після де- натурації хроматину і незначною релаксацією суперспіральних структур зі зростанням кіль- кості сайтів, чутливих до короткочасної об- робки ДНКазою I. Було постульовано, що така неоднозначна структурна перебудова активної фракції хроматину викликана вільнорадикаль- ним пошкодженням, зумовленим інтенсифіка- цією реакцій хроматинзв’язаних ліпідів. Надалі в роботах інших авторів було під- тверджено і глибше вивчено генотоксичні ме- ханізми дії цього генотоксиканту [2] і показа- но провідну роль активації вільнорадикальних реакцій у хроматині. Хлорофос (ХФ). Раніше ми на молеку- лярному рівні показали, що гостре отруєння тварин ХФ у дозі 1 ЛД50 призводить до ви- раженої модифікації реакцій ПОЛ у фракці- ях ядерного хроматину. Спочатку зміни ПОЛ було виявлено у фракції ТАХ. Так, у ній уже через 10 хв після введення отрути спостері- гається інтенсифікація НАДФН- і спонтан- ного ПОЛ. Зі збільшенням часу експозиції з отрутою ступінь модифікації ПОЛ у хрома- тині зростає. Тепер уже зміни реєструються і у фракції РХ. У цій фракції інтенсивність НАДФН- і аскорбат-залежного ПОЛ вища у отруєних тварин порівняно з контрольними. Модифікація реакцій ПОЛ у фракціях хро- матину отруєних тварин призводить до по- рушення його структурно-функціональної організації, найбільш вираженого через 24 год після отруєння [13]. Під впливом отрути знижується інтенсив- ність синтезу ДНК і збільшується транскрип- ційна активність у ТАХ, що супроводжується збільшенням включення 14С-лейцину в про- теїни РХ. Подібні порушення функціональної активності хроматину під впливом отруєння ХФ добре корелюють зі зміною активності ензимів синтезу ДНК і РНК — ДНК- і РНК- полімераз. Так, у ТАХ через 10 хв після отруєн- ня спостерігається зниження тотальної ДНК- полімеразної активності за рахунок зниження активності реплікативної ДНК-полімерази альфа і репаративної ДНК-полімерази бета. Збільшення транскрипційної активності ТАХ зумовлене зростанням активності РНК- по лі мерази I, відповідальної за синтез рибо- сомальної РНК у хроматині. У РХ через 2 год після введення тваринам отрути виявлено різноспрямовані зміни активності ендогенних РНК-полімераз: збільшення РНК-поліме ра- зи I і зниження РНК-полімерази II, у результа- ті чого сумарна РНК-полімеразна активність у цій фракції хроматину дещо підвищується. Аналогічний взаємозв’язок активації процесів ПОЛ у фракції ядерного хроматину зі зміною в них активності ДНК- і РНК-полімераз було також показано в наших роботах при вивчен- ні вільнорадикальних механізмів при пошко- дженні ядерного генетичного апарату клітини хлорорганічним генотоксикантом тетрахлор- метаном (див. вище). Отримані результати узгоджуються з наведеними вище даними про вплив внутрішньоядерних ліпідів на функціо- нальну активність ядерного геному. В основі пероксидної модифікації функцій хроматину, викликаної отруєнням ХФ, можуть бути порушення його інтегральних компонен- тів — ДНК, протеїнів, ліпідів. Особливий ін- терес при цьому становлять ушкодження ДНК, що є носієм генетичної інформації. Результати нуклеазного зондування фракцій хроматину екзо- і ендогенними ДНКазами через 24 год після введення отрути експериментальним тваринам свідчать про те, що ДНК обох фрак- цій хроматину отруєних тварин відрізняється 32 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (7) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ за чутливістю до розщеплення як ендо-, так і екзогенними нуклеазами порівняно з контро- лем. Так, у разі отруєння ДНК ТАХ розщеплю- ється ендогенними нуклеазами хроматину в 1,5 раза менш інтенсивно порівняно з контролем. Менш чутливою виявляється ДНК в умовах перетравлення екзогенними ДНКазами. Ко- роткочасне перетравлювання ДНКазою I за кімнатної температури розщеплює 10,5 % ДНК печінки контрольних тварин і не призводить до появи кислоторозчинної радіоактивності ДНК у отруєних. В умовах більш жорсткого пере- травлення ДНКазою I ступінь перетравлення ДНК ТАХ збільшується і не відрізняється у отруєних тварин і контрольних. Порівнюючи ці результати, можна дійти висновку, що в цьо- му випадку подібна компактизація структури ДНК ТАХ в умовах отруєння не має жорстких структурних обмежень і зумовлена, ймовірно, незначною суперспіралізацією нуклеосом- ної (лінкерної) ДНК, або появою «зшивок» ДНК—протеїн. Таке припущення підтверди- лося результатами, отриманими при вивчен- ні розщеплення ДНК ТАХ S1-нуклеазою, що вибірково перетравлює однониткові ділянки ДНК. В умовах отруєння кількість цих діля- нок знижується порівняно з контролем як у нативній, так і в денатурованій ДНК. Якщо в першому випадку фактор спіралізації може ро- бити свій внесок у підвищення стійкості ДНК ТАХ отруєних тварин до ензиму, то в умовах денатурації, що призводить до зникнення вто- ринної структури, має значення тільки кіль- кість «зшивок» ДНК—протеїн. І все ж таки, у компактизації структури ДНК ТАХ отрує- них тварин, можливо, беруть участь обидва ці фактори, про що свідчить менша відмінність у стійкості до розщеплення S1-нуклеазою між контрольними і дослідними зразками в умовах денатурації і без неї (4,4 і 5,3 раза відповідно), хоча внесок збільшення суперспіралізації в цей процес виявляється незначним. Що стосується фракції РХ, то, навпаки, отруєння тварин ХФ призводить до релаксації структури ДНК цієї фракції. Причому тут, по-перше, відмінності між контрольною та дослідною групами тва- рин не настільки очевидні, як у випадку ТАХ, а по-друге, вони, ймовірно, зумовлені осла- бленням ДНК-протеїнових контактів (оскіль- ки відмінності в чутливості до S1-нуклеази проявляються тільки в умовах денатурації). Під дією ХФ в РХ збільшується кількість як двоспіральної ДНК (вільної від зв'язку з про- теїнами), так і потенційно односпіральних ді- лянок (що з’являються в умовах денатурації), які в інтактному хроматині недоступні для дії ензиму, зважаючи на наявність структурних обмежень, зумовлених збільшенням ступеня спіралізації. Структурна компактизація ДНК у скла- ді ТАХ і релаксація у складі РХ при отруєнні тварин ХФ були підтверджені результатами флуоресцентного зондування цих фракцій хроматину бромистим етидієм. Отруєння тва- рин ХФ призводить до зміни фізико-хімічних властивостей протеїнів хроматину і ліпідів, при цьому більш значні структурні порушення спостергіаються у складі ТАХ. Підтверджен- ням припущення, що не сам ХФ, а його ак- тивні метаболіти спричинюють пошкодження ядерного хроматину клітин-мішеней в умовах in vivo, є результати експериментів, у яких ХФ додавали безпосередньо до ізольованих фрак- цій РХ і ТАХ, а також дані дослідження вза- ємодії отрути з модельними системами. Вони свідчать про незначні або різноспрямовані змі- ни показників, що характеризують структурно- функціональну організацію ядерного геному в умовах in vivo та in vitro. Результати експериментальних досліджень та дані літератури, які свідчать про геноток- сичну дію продуктів ПОЛ, дозволяють дійти висновку про провідну роль модифікації цих реакцій хроматин-зв’язаних ліпідів у молеку- лярних механізмах генотоксичної дії ХФ. Отже, доказом вільнорадикальних меха- нізмів пошкодження хроматину при отруєнні тварин ХФ є такі факти. Зміна інтенсивності процесів ПОЛ у фракціях ядерного хроматину збігається з появою порушень його структурно- функціональної організації. Генотоксична дія ХФ більш виражена у фракції ТАХ порівняно з РХ і прямо пропорційна модіфікації реакцій ПОЛ у цих фракціях. Отримані дані свідчать, ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 7 33 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ що генотоксична компонента при отруєнні ФОС відіграє значну роль у токсичному про- цесі і зумовлена вільнорадикальними механіз- мами пошкодження хроматину. Важкі метали. Серед різноманітних за- бруднюючих речовин важкі метали (Hg, Pb, Cd, Zn та ін.) та їх сполуки вирізняються по- ширеністю, високою токсичністю, а багато з них — також здатністю до накопичення в жи- вих організмах. Їх широко застосовують у різ- них промислових виробництвах, тому, попри очисні заходи, вміст сполук важких металів у промислових стічних водах досить високий. Вони також потрапляють у навколишнє сере- до вище з побутовими стоками, з димом і пилом промислових підприємств. Багато металів утворюють стійкі органічні сполуки, хороша розчинність цих комплексів сприяє міграції важких металів у природних водах. До важких металів відносять понад 40 хімічних елементів, але за токсичністю, стійкістю, здатністю нако- пичуватися в зовнішньому середовищі і масш- табами поширення токсичних сполук контро- лю потребують приблизно вчетверо менше число елементів. Автор однієї з дисертаційних робіт [14], присвячених вивченню генотоксич- них механізмів дії важких металів на біооб’єкти, дає таке визначення ролі важких металів у ток- сичному забрудненні навколишнього середо- вища і їх ролі в організмі: «Сучасні галузі мета- лургійної та металообробної промисловості забруднюють навколишнє середовище прак- тично всіма відомими металами. Багато з них мають мутагенну, канцерогенну та тератогенну активність. У зв’язку з цим проблеми забруд- нення навколишнього середовища важкими металами та модифікування їх шкідливих впливів іншими техногенними полютантами набувають широкомасштабного характеру. За- значені вище негативні ефекти важких металів активно досліджували, особливо з точки зору небезпеки для людини. Разом з тим, велика кількість созологічних і еволюційних проблем техногенного забруднення навколишнього се- редовища важкими металами залишаються не- вивченими. Багато важких металів у малих кількостях необхідні організмам, оскільки вхо- дять до складу різних поліпептидів (у тому числі ензимів), полінуклеотидів та сполук дея- ких інших класів. Надходження в організм де- яких важких металів (Cd, Zn, Hg, Cu, Hg, Au) супроводжується інтенсивним синтезом осо- бливих протеїнів металотіонеїнів — поліфунк- ціональних протеїнів, які відіграють певну роль у трансмембранному перенесенні, а також зниженні токсичних властивостей важких ме- талів. Відомо, що метаболізм мікроелементів перебуває під генетичним контролем. У лабо- раторних тварин відомі мутації, що порушують транспорт магнію, заліза, кобальту, хрому, се- лену, молібдену та кадмію». Далі ми розглянемо докази генотоксичного потенціалу деяких важких металів, які широко використовують у виробничих процесах, і та- ких, що є екологічними полютантами. Кадмій Метал змінної валентності, який протягом ба- гатьох років використовують у промисловості та сільському господарстві, насамперед для ви- готовлення матеріалів для електродів у нікель- кадмієвих батареях, барвників для пластмас, керамік і скла, стабілізаторів полівінілхлори- ду для тепло- і світлоізоляції, покриттів для сталі та деяких кольорових металів, як ком- понент деяких спеціалізованих сплавів [15], а також для перетворення сонячної енергії на електричну. Сульфід кадмію має фотопровідні та електролюмінесцентні властивості, що за- стосовують у виробництві різних товарів на- родного споживання. Широке використання кадмію призвело до інтенсивного забруднення навколишнього середовища [16], і тому ви- вчення його токсичної дії на живі організми є вкрай актуальним завданням. Кадмій та його солі характеризуються по- лівалентною токсичною дією залежно від способу експозиції і проникнення в організм. У літературі описані різноманітні токсичні ефекти Cd, зокрема його дія на нирки, нерво- ву, серцево-судинну системи, легені, кров і шлунково-кишковий тракт. Є дані, що стосу- ються канцерогенної і тератогенної дії цього 34 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (7) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ токсиканту [17]. Гостра і хронічна інгаляцій- на або пероральна експозиція з Cd викликає пошкодження проксимальних канальців клі- тинних мембран, спричинюючи реабсорбцію фосфатів, глюкози, амінокислот і протеїну- рію із залученням низькомолекулярних про- теїнів, особливо β2-мікроглобуліну та деяких ензимів. Було вивчено токсичний вплив іонів Cd на клітини печінки і виявлено неспецифіч- ні реакції, що свідчать про гепатотоксичний ефект (наприклад, збільшення концентрації гамма-глобуліну в сироватці крові, позитив- на реакція Таката, підвищені показники тим- олу) у робітників, що зазнавали впливу солей Cd. У щурів, підданих інгаляційній експозиції кадмієм у концентрації 0,1 мг/м3 протягом 30 днів, було виявлено підвищення активності АЛТ, яке свідчить про пошкодження печінки. У загальних і біохімічних дослідженнях впливу кадмію на клітини печінки експери- ментальних тварин спостерігалося збільшення маси цього органа при інтоксикації. Виявлени- ми неспецифічними гістопатологічними інди- каторами, що свідчать про гепатотоксичність кадмію, є інтралобулярний фіброз, цироз, на- явність фокальних мононуклеарних інфіль- тратів, а також проліферація гладкого ЕПР. Крім того, що важливо в цьому випадку, було виявлено різкі зміни ліпідного складу і реакцій ПОЛ у клітинах печінки. Як один з механізмів кардіотоксичного ефекту кадмію було запро- поновано зниження активності антиоксидант- них ензимів, особливо глутатіонпероксидази і супероксиддисмутази. Було показано, що кад- мій здатний змінювати метаболізм іонів Zn, Fe і Cu, які є важливими кофакторами антиокси- дантних ензимів та інших біологічно активних речовин (БАР), а також селену. Автори роботи [18] припустили, що початковим етапом Cd- індукованої токсичності є його інтерференція з Zn-протеїновими комплексами, які контро- люють транскрипцію ДНК, що згодом веде до стимуляції апоптозу. Подальша експозиція з металотіонеїном (або синтетичним хелатором у попередній роботі) запобігала порушенням Zn-залежного контролю транскрипції, спричи- неним інтоксикацією іонами Cd. Ґрунтуючись на цих даних, можна припустити, що кадмій (особливо його хлорид) є одним з найнебезпеч- ніших важких металів, токсичні ефекти яких було підтверджено в численних дослідженнях. Однак тонкі біохімічні механізми, зокрема його генотоксична активність, залишалися ще не з’ясованими. У нашому попередньому дослідженні [19] ми запропонували експериментально обґрунтова- ну гіпотезу щодо цих механізмів генотоксичної дії іонів Cd, ключову роль у якій відіграє участь активних форм кисню (його вільних радика- лів), що індукує модифікацію реакцій ПОЛ та викликає пошкодження життєво важливих біомолекул, що веде до пошкодження гепато- цитів, передусім до порушення функціонуван- ня їх ядерного хроматину. Було показано, що в результаті введення тваринам хлориду кадмію в дозі 5 мг/кг маси тіла за 24 год до декапітації достовірно змінюється частка РХ і ТАХ, зни- жується частка фракції активного хроматину. Однак у цій фракції хроматину підвищується співвідношення протеїн/ДНК, що може бути наслідком збільшення протеїнів у фракції. Ми припустили, що причиною такої структурної модифікації може бути зміна інтенсивності перебігу реакцій ПОЛ у фракціях. Дійсно, у фракції ТАХ під впливом інтоксикації стиму- люються реакції НАДФН-залежного ПОЛ. Інші показники спонтанного (оцінюваного за вмістом дієнових кон’югатів) та індукованого ПОЛ достовірно не змінюються. У фракції РХ інтоксикація, навпаки, призводить до знижен- ня індукованого НАДФН і спонтанного ПОЛ. У цьому випадку різний вплив CdCl2 на ре- акції ПОЛ у фракціях хроматину може бути пов’язаний з відмінностями в їхній структурі та жирнокислотному складі їх ліпідів. Під впливом отрути певною мірою зміню- ється функціональна активність фракціоно- ваного хроматину печінки. У РХ достовірно знижується ензиматична активність фракції, збагаченої РНК-полімеразою I. У фракції ТАХ введення токсиканту зумовлює зниження то- тальної ДНК-полімеразної активності вна- слідок зменшення активності реплікативної ДНК-полімерази альфа. Зниження інтенсив- ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 7 35 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ ності синтезу ДНК під впливом CdCl2 спосте- рігали також і інші автори. Раніше ми встано- вили обернено пропорційну залежність між синтезом ДНК та інтенсивністю реакцій ПОЛ у фракціях РХ і ТАХ. Можна припустити, що в цьому випадку інтоксикація тварин CdCl2 ін- дукує реакції вільнорадикального ПОЛ у РХ та ТАХ, що призводить до спотворення син- тезу ДНК внаслідок порушення структурно- функціонального комплексу реплікації ДНК. Так, ми показали, що при введенні тваринам водного розчину CdCl2 змінюються біохіміч- ні показники, що характеризують структурну організацію і функціональну активність фрак- цій хроматину печінки щурів, які відрізня- ються за рівнем транскрипційної активності. Ми припускали, що в основі генотоксичної дії CdCl2 на клітини печінки може бути зміна ін- тенсивності вільнорадикальних реакцій ПОЛ у хроматині. Надалі це припущення знайшло підтвердження в дослідженнях інших авторів. Так, у роботі [20] такий зв’язок було з достовір- ністю доведено. Автори оцінювали вплив Cd на тканини печінки курячих ембріонів. Кадмій вводили in ovo на 10-й, 11-й і 12-й дні розви- тку курячих ембріонів штаму Bobcock у кіль- костях 40, 50 і 60 мкг на 24, 48 і 72 год. На 13-й день дослідження брали кров і тканину печін- ки і тестували їх на генотоксичну активність, оцінюючи інтенсивність реакцій ПОЛ. При цьому визначали частоту появи мікроядерець в еритроцитах і кількість аномальних клітин крові. Цей показник зростав зі збільшенням концентрації Cd і часу інтоксикації. У дослід- них групах порівняно з контрольними також зростав вміст МДА. Автори роблять висновок, що механізмом генотоксичної дії Cd у цьому випадку є вільнорадикальний. Також вивчали генотоксичну дію Cd на риб Nile tilapia. При цьому використовували цитогенетичні та мо- лекулярні методи (поява мікроядерець і метод ДНК-комет). Виявлено, що зі збільшенням часу експозиції з отрутою та її дози зростало число пошкоджених ядер і показник ДНК- комет. Автори вважають, що в цьому випадку пошкодження ДНК кадмієм зумовлене збіль- шенням під впливом інтоксикації активних форм кисню, тобто вільнорадикальними меха- нізмами. Подібні результати було отримано і в роботі [21], автори якої досліджували геноток- сичність CdCl2 на морському гастроподі Nerita chamaeleon, використовуючи методи ДНК- комет і лужного розплітання ДНК — DNA alkaline unwinding assay (DAUA). Виявлені по- шкодження ДНК були аналогічні індукованим in vitro пероксидом водню, на основі чого авто- ри постулюють вільнорадикальний механізм пошкодження ДНК хлоридом кадмію. У докладній роботі [22] було всебічно до- сліджено молекулярні механізми пошко- дження кадмієм ДНК клітин людини A549 і VH10hTert. Автори навіть запропонували схему, що демонструє молекулярні механіз- ми генотоксичної дії оксиду і хлориду кадмію (рис. 8). Дослідники постулюють, що в осно- ві ДНК-ушкоджуючої дії сполук Сd лежить оксидативне ушкодження ДНК клітин, оскіль- ки безпосередня взаємодія отрути з компонен- тами ядерного геному є малоймовірною. Було показано, що введення сполук Cd спричинює інгібування репарації ДНК-адуктів, що за своєю природою нагадує оксидативне пошко- дження ДНК цією отрутою при канцерогенезі. Автори показали, що механізм пошкодження в цьому випадку пов’язаний зі зміненням кадмі- Рис. 8. Схема, що постулює молекулярний механізм вільнорадикального оксидативного пошкодження клітин легенів людини сполуками кадмію [22] 36 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (7) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ єм конформації Zn-зв’язуючого домену супре- сора пухлини протеїну р53. В іншій роботі [23] досліджували індуко- вану CdCl2 гено- і цитотоксичність в еритро- цитах периферичної крові риб Labeo rohita, яких піддавали експозиції токсиканту у воді в концентраціях 0,37 і 0,62 мг/л протягом 100 днів. Проби збирали через різні інтервали часу і аналізували на наявність пошкоджень ДНК, використовуючи методи аналізу комет, визна- чення кількості мікроядерець та інших клі- тинних аномалій. Результати, отримані при аналізі комет, показали наявність вірогідного підвищення середнього числа (у %) «хвостів» ДНК для всіх концентрацій токсиканту. Кад- мій також індукував появу кількох клітинних аномалій, таких як двоядерні, бутоноподібні, лопатеві, зубчасті та вакуолізовані ядра. Се- ред цитоплазматичних аномалій спостерігали появу ехіноцитів, акантоцитів, мікроцитів і клітин із зубчастоподібною та вакуолізованою цитоплазмою. Усі вивчені показники при ін- токсикації кадмієм були вищими порівняно з контролем і залежали від концентрації з піком на 10-й день і зниженням після 15-го дня екс- позиції. Отже, іони Cd здатні індукувати утворення активних видів кисню в мітохондріях та інших компартментах клітини. При зниженні актив- ності антиоксидантних ензимів або збільшенні реактивних видів кисню виникають серйоз- ні порушення структури протеїнів, ліпідів і ДНК хроматину. Ці клітинні пошкодження призводять до загибелі клітини і апоптозу [8, 19]. Було доведено, що сигнальна система MAPKs є відповідальною за індукцію апопто- зу внаслідок підвищення концентрації актив- них форм кисню. Експозиція клітин з кадмієм призводить до значного збільшення активних форм кисню через пригнічення антиоксидант- них реакцій глутатіону і зв’язування сульфгі- дрильних груп протеїнів. У більш пізній роботі [18] було показано, що CdCl2 індукує апоптоз у різних видах клітин, зокрема остеобластів, в умовах як in vitro, так і in vivo. Проте доне- давна механізми цього процесу залишалися нез’ясованими. У цій роботі автори використо- вували клітинну лінію остеосаркоми людини MG63, подібну за своїми характеристиками до остеобластів людини, для з’ясування меха- нізмів індукції апоптозу іонами Cd. Вдалося встановити, що короткочасна експозиція клі- тин з CdCl2 індукувала в цих клітинах апоптоз. Крім того, в цих умовах концентрацієзалежно збільшувався вміст фосфорильованих проте- їнів p38MAPK і знижувався — ERK1/2. Інгі- бування фосфорилювання першого протеїну речовиною SB202190 захищало клітини від Сd-індукованого апоптозу. Інкубація клітин з інгібітором протеїну ERK1/2 — речовиною PD98059 — мала такий самий ефект. Ацетил- цистеїн значно знижував вміст реактивних видів кисню і спрямовував дію Cd на MAPK- залежні сигнальні системи. Автори роблять ви- сновок, що Cd індукує апоптоз у цій клітинній системі через підвищення вмісту реактивних видів кисню, активацію p38MAPK-сигнальної системи та інгібування ERK1/2-залежної. Ртуть Ще одним небезпечним генотоксикантом, до- слідженню механізмів ДНК-ушкоджуючої дії якого було присвячено велику кількість робіт, є ртуть. Цей важкий метал широко застосову- ють у промисловості. Ґрунтовний огляд меха- нізмів токсичної дії ртуті можна знайти у ро- ботах [1, 24, 25]. Нагадаємо, що ртуть досить поширений екотоксикант, існує в природі у ви- гляді неорганічних і органічних сполук, які за- знають комплексної циклізації. Елементарну ртуть тривалий час використовували в стома- тології у вигляді амальгами, що призводило до отруєння безпосереднім впливом металу або його парами. Іншими джерелами токсичної дії Hg є підприємства з виробництва хлоралканів, фабрики флуоресцентних ламп, кустарні зо- лоті копальні. Експозиція з парами Hg може спричинювати тремор, зниження швидкості засвоєння інформації та психомоторних ре- акцій, порушення психіки і прояви, пов’язані з хворобою Альцгеймера. Первинним місцем токсичної дії та накопичення Hg є нирки, тому екологічний вплив ртуті на людину призво- ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 7 37 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ дить до збільшення летальності внаслідок за- хворювань нирок. Мутагенність ртуті. Ртуть є одним з най- сильніших мутагенів серед важких металів. Хлорид ртуті у дозах 10−8—10−5 М викликає дозозалежне збільшення рівня розривів одно- ниткових ДНК вірусу вісповакцини в культу- рі щурячих фібробластів, що майже повністю репаруються після 24 год інкубації. HgCl2 не проявляє мутагенної активності в тесті дрібно- бляшкових варіантів вірусу вісповакцини при одноразовому впливі. У E. coli транспозон Tn 501 кодує систему перетворення іонів Hg на металеву ртуть, яка менш токсична. Гени merT і merP з цієї системи кодують транспортний протеїн і редуктазу відповідно. За відсутнос- ті гена merT клітини чутливі до іонів Hg, а за відсутності гена merP — характеризуються гі- перчутливістю до них. HgCl2 інгібував міто- тичну генну конверсію у дріжджів, що, можли- во, пов’язано з інгібуванням ензимів репарації передмутаційних пошкоджень. Хлорид ртуті у концентрації 0,05 і 0,1 %, хлорид етилртуті (0,01—2,5 %) і ацетат фенілртуті (0,01—1,0 %) спричинюють розриви хромосом, хроматидні обміни, утворення кілець, підвищують частоту поліплоїдних і двоядерних клітин у клітинах меристеми корінців Allium сера, індукують у Vicia faba у мейозі утворення мікроядерець і аберацій хромосом, а також аномальний розпо- діл хромосом у клітинах. Тест на утворення мі- кроядерець у клітинах зябрового епітелію у се- редземноморської мідії Mytilus galloprovincialіs було використано для оцінки генотоксичності метилхлориду ртуті. Щоденна доза протягом 4, 8, 14 і 21 днів становила 0,3, 3 або 30 мкг/л. Починаючи з 14-го дня впливу метилхлори- ду ртуті спостерігалося достовірне зростання кількості мікроядерець, що залежало від дози, і, відповідно, максимальне — за 30 мкг/л. До 21-го дня за максимальної концентрації наста- вала загибель мідій від отруєння [14]. Доведено мутагенність сполук ртуті для риб [26]. Не виявлено мутагенного ефекту со- лей Hg при аналізі частот сестринських хро- матичних обмінів у культивованих клітинах китайського хом’ячка. HgCl2 не викликав АХ у клітинах кісткового мозку мишей. Органічні сполуки Hg порушують мітоз у культурах клі- тин людини, зумовлюють розриви хромосом, індукують точкові мутації у дрозофіл. Отри- мано відомості про ушкодження алілртуттю статевих клітин до запліднення і ембріональ- них клітин. Разом з тим, автори [26] зазнача- ють, що фактично доступної інформації про механізми пренатального ушкодження ртут- тю у експериментальних тварин немає. HgCl2 збільшував частоту мутації в локусі тимідин- кінази в клітинах лімфоми миші. Встанов- лено мутагенність HgCl2 для культивованих клітин пацієнтів з СНТ. Метал індукував як сестринські хроматидні обміни, так і аберації хромосом. HgCl2 в концентраціях 10−8—10−5 М індукує однониткові розриви ДНК у кліти- нах культивованих фібробластів мишей [14]. Вплив HgCl2 на культури лімфоцитів людини протягом 25—28 год після стимуляції в куль- турі клітин мунтжака протягом 16,5—22,5 год після висівання клітин мав наслідком досто- вірне зниження числа нормальних мітотичних фігур. У клітинах мунтжака HgCl2 викликав збільшення частоти поліплоїдії. Було проана- лізовано кластогенний ефект 24-год експозиції метилхлориду ртуті і диметилртуті відносно культури лімфоцитів людини. Показано, що метилхлорид ртуті індукує обидва типи хро- мосомних аберацій (кількісні і структурні) в дозозалежному режимі, причому структурні аберації хромосом дещо переважають. Анало- гічний, але менший ефект характерний для ди- метилртуті. В цілому, однаковий рівень струк- турних аберацій хромосом був індукований у 6 разів вищою дозою диметилртуті порівняно з метилхлоридом; водночас відмінностей між цими двома речовинами за індукованим чис- лом аберацій хромосом не виявлено. Загалом підтверджено, що метилхлорид ртуті є сильні- шим кластогенним агентом порівняно з диме- тилртуттю, хоча ступінь пошкодження ними веретена приблизно однаковий. При додаванні в культуру клітин СНТ феніл- і етилхлориду ртуті в концентрації 10−8—10−5 М аналізува- ли частоту аберацій хромосом і сестринських хроматидних обмінів. Відзначено дозозалеж- 38 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (7) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ не збільшення кількості аберацій хромосом при додаванні фенілхлориду ртуті; за його максимальної концентрації спостерігалася переважно ендоредуплікація хромосом. Під- вищення частоти сестринських хроматидних обмінів було меншим і не мало дозозалежного характеру. Етилхлорид ртуті виявився істотно слабшим кластогеном в обох тестах. HgCl2 ін- дукував домінантні летальні мутації у щурів. Одноразове внутрішньоочеревинне введення самкам мишей BALB/c хлориду метилртуті в дозах 2,5, 5,6 і 7,5 мг/кг призводило до ста- тистично значимого збільшення домінантних летальних мутацій. Хронічна інтоксикація самців щурів протягом 12 міс. хлоридом ртуті в концентраціях 2,5 ·10−3—2,5·10−4 мг/кг спри- чинювала збільшення загальної ембріональ- ної смертності в їхньому потомстві. В іншому експерименті впродовж 10 днів самцям щурів внутрішньоочеревинно вводили HgCl2 в дозах 0,05, 0,15 і 1,0 мг/кг на день. Протягом 2-го і 3-го тижнів після закінчення обробки самців схре- щували з інтактними самками. Встановлено, що HgCl2 достовірно підвищує частоту мерт- вих ембріонів на 1 самку і постімплантаційну загибель ембріонів. Частота цих порушень за- лежить від дози токсиканту. Одноразове вну- трішньоочеревинне введення самцям щурів HgCl2 в кількості 1 ЛД50 (7,5 мг/кг) і 2/3 ЛД50 призводило до зменшення загальної кількос- ті поліхроматичних еритроцитів у кістковому мозку і статистично достовірного зростання частоти мікроядерець у цих клітинах. Частота структурних і кількісних аберацій хромосом і сестринських хроматидних обмінів у 16 осіб, які регулярно вживали в їжу рибу, виловлену у водах, забруднених метилртуттю, статистич- но достовірно не відрізнялася від відповідних показників контрольної вибірки з 14 осіб, які проживали в незабруднених районах. В іншій роботі при обстеженні 20 рибалок, які вжива- ють у їжу рибу, значно забруднену сполуками Hg, використовували тести на мікроядерця та сестринські хроматидні обміни. Концентра- ція Hg в крові та волоссі обстежених рибалок становила, відповідно, 0,35±0,18 (0,13—0,72) і 32,39±11,76 (20,1—65,6) ч/млн. Частота клітин з мікроядерцями становила 8,85 %, причому цей показник достовірно корелював з вмістом ртуті у крові. Показник кількості СХО (4,76 на клітину) не відрізнявся від контрольного. Ди- наміка кількості мікроядерець не залежала від факторів віку, куріння і частоти СХО. Загалом було підтверджено інформативність тесту на мікроядерця для оцінки генотоксичності спо- лук ртуті. У ґрунтовній доповіді ВООЗ [26] наведено всебічний аналіз як загальнотоксичних меха- нізмів ртутної інтоксикації, так і механізмів її ДНК-пошкоджуючих ефектів, які було вивче- но переважно в умовах in vitro на різних клітин- них системах, за винятком бактерій. В інших експериментальних системах було виявлено, що HgCl2 зв’язується з хроматином гепато- цитів щурів і клітинами ооцитів китайського Рис. 9. Діаграма, що ілюструє порушення регуляції генної експресії під впливом HgCl2 і MeHgCl; пока- зано, які гени є найбільш вразливими до токсичної дії низько- і високотоксичних доз сполук ртуті при пору- шенні up- або down-регуляції [7] ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 7 39 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ хом’ячка, а також має ДНК-ушкоджуючу дію в ембріональних клітинах фібробластів щурів та мишей. У кількох роботах з використан- ням ооцитів китайського хом’ячка і мишачих та щурячих фібробластів встановлено, що хлорид ртуті індукує утворення однонитко- вих розривів у ДНК. У клітинах яєчників ки- тайського хом’ячка спостерігали збільшення числа хромосомних аберацій і сестринських хромосомних обмінів. Було показано, що дози цього токсиканту 4,4 і 5,9 мкг/мл зумовлюють виражений цитотоксичний ефект зі слабо ви- раженою мутагенною відповіддю (за наявності метаболічної активації). Подібні ефекти спо- стерігали при використанні клітин лімфоцитів людини та у дослідженнях in vivo. Крім того, виявлено збільшення числа хромосомних абе- рацій у клітинах кісткового мозку мишей при введенні однієї пероральної дози HgCl2 4,4 мг/ кг маси тіла. Серед такого роду ушкоджень найчастіше трапляються розриви хроматид. Введений перорально протягом 12 міс. HgCl2 у дозі 0,18—1,8 мг/кг маси тіла спричинював слабо виражене, але вимірюване збільшення домінтантних летальних мутацій. Подібний результат спостерігався і при використанні аналізу домінантних мутацій при внутрішньо- очеревинному одноразовому введенні мишам дози цієї речовини. Раніше, в роботі [7], ми встановили деякі механізми токсичної дії спо- лук металевої ртуті на ядерний геном клітини і навели схему механізму генотоксичної дії Hg, що полягає у зміні експресії специфічних генів (рис. 9). У разі токсичної дії ртуті на лінію ге- патоцитів людини WRL-68 в них відбувається накопичення токсиканту, що має концентра- ціє залежний характер. При цьому внутрішньо- клітинний розподіл ртуті був таким: 48 % пере- бувало в мітохондріях, 38 % — в ядрі, 8 % — у цитозольній фракції і 7 % — у мікросомах. До цієї роботи про механізми генотоксичної дії ртуті було відомо мало. Автори показали, що ртуть індукувала однониткові розриви в ДНК або збільшення лужнолабільних сайтів, що було встановлено методом ДНК-комет. Відсо- ток пошкоджених ядер і довжина міграції ДНК збільшувалися зі зростанням концентрації Hg, а також часу експозиції. При визначенні ін- тенсивності процесів ПОЛ за концентрацією МДА було встановлено аналогічну залежність. Відновлення структури ДНК відбувалося че- рез 8 год після видалення металу за допомогою PBS-EGTA. Показано, що неорганічні сполуки ртуті (HgCl2) та її органічні похідні (хлорид метилртуті) мають подібний механізм токсич- ної дії. Було постульовано, що органічна фор- ма ртуті конвертується в неорганічні види, які є активною формою металу. Обидві сполуки ртуті спричинюють оксидативний стрес, який, згідно із сучасними уявленнями, призводить до виснаження ензиматичної системи глутаті- ону та інших антиоксидантів з описаними ра- ніше генотоксикологічними наслідками. Було запропоновано також інші механізми токсич- ної дії цих сполук, зокрема розрив мікротрубо- чок, інгібування функції мітохондрій, висна- ження пулу внутрішньоклітинного кальцію. Дослідження з використанням методу DNA microarray, або DNA chip or biochip, основаного на аналізі мікроскопічних копій ДНК, прикрі- плених до твердої поверхні, дозволили встано- вити відмінності в експресії генів, залучених у відповідь на дію оксидативного стресу, де- градацію протеїнів, дисфункцію мітохондрій, стрес ендоплазматичного ретикулуму і фази II метаболізму. Висновки Підбиваючи підсумок, слід зазначити, що останнім часом завдяки бурхливому розвитку біологічних наук, насамперед молекулярної генетики та біотехнології, небезпечним гено- токсикантам приділяється дедалі більше ува- ги. Мішенню їхньої токсичної дії є ядерний хроматин. Колишніх уявлень, що його осно- вними компонентами є ДНК і гістонові та не- гістонові протеїни, стає недостатньо. В останні десятиліття з’явилися роботи, в яких описано мінорні компоненти хроматину і показано їх визначальну роль у реалізації деяких найваж- ливіших функцій ядерного геному. До таких компонентів належать, зокрема, ліпіди хрома- тину, які за низкою властивостей істотно від- 40 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (7) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ різняються від ліпідів біомембран. Роль ліпідів у хроматині з погляду токсикології є важливою передусім тому, що вони є головною мішенню дії активних форм кисню, які, як було показа- но в останні роки, виникають як універсальні провідні ланки і передавачі токсичної дії небез- печних генних отрут. Взаємодіючи з ліпідами хроматину, активні форми кисню зумовлюють різкий сплеск реакцій пероксидного окиснен- ня ліпідів. У цих процесах виникають вільні радикали, які, взаємодіючи з компонентами ядерного хроматину, спричинюють порушення їхньої структурної організації та, як наслідок, функціональної активності всього ядерного геному. Зараз при описі основних структурних схем організації ядерного хроматину постійно під- креслюється провідна роль зміни структур- них компонентів хроматину в здійсненні його основних функцій (реплікації, транскрипції, репарації), порушення яких якраз і спричиню- ють описані небезпечні генотоксиканти. Мі- шенню їх дії в ядерному хроматині є не лише ліпіди. У численних роботах було показано, що ці отрути (передусім важкі метали) можуть вступати в безпосередню взаємодію з основни- ми компонентами хроматину — ДНК і гістоно- вими та негістоновими протеїнами. Крім того, вони можуть взаємодіяти і з його мінорними компонентами — різними видами низькомоле- кулярних РНК, що виступають як один з осно- вних регуляторів генетичної активності. Така взаємодія приводить до зміни функціонування ядерного хроматину, внаслідок чого відбува- ється пухлинне переродження клітини або ж її смерть у результаті апоптозу, що розвивається. Виходячи з вільнорадикального механізму генотоксичної дії виробничих токсикантів, відповідні методи фармакологічного захисту були спрямовані насамперед на пошук і роз- роблення засобів, що мають антиоксидантний механізм дії. До них належать як біологічно активні речовини природного походження, так і цілеспрямовано синтезовані синтетичні речо- вини, багато з яких заслужено здобули статус фармакологічних препаратів. У цілій низці до- сліджень було встановлено деякі молекулярні механізми їх захисного (генопротекторного) ефекту. Насамперед вони, так само як і геноток- сиканти, можуть безпосередньо зв’язуватися з компонентами ядерного хроматину, роблячи їх недоступними для ушкоджуючої дії генотокси- кантів. Також вони можуть бути пастками для вільних радикалів, передусім активних форм кисню і пероксидів ліпідів. Зв’язуючись із по- шкодженими компонентами ядерного хрома- тину, вони здатні відновлювати їхню структу- ру, а отже, і їхні, змінені в результаті інтокси- кації функції. Крім безпосередньої взаємодії, вони можуть також опосередковано сприяти відновленню цих функцій, стимулюючи різні види реакцій репарації ядерної ДНК. REFERENCES [СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ] 1. Trakhtenberg I.M., Levytsky E.L. Genetic Toxicology. In: Genetic Medicine. (Odesskiy Meduniversitet, 2008). [Трахтенберг И.М., Левицкий Е.Л. Генетическая токсикология. В кн.: Генетическая медицина. Изд-во Одесского медуниверситета, 2008. С. 183—221]. 2. Environmental and Workplace Health. Guidelines for Canadian Drinking Water Quality: Guideline Technical Docu- ment. 9.2.4. Mutagenicity and genotoxicity. http://www.hc-sc.gc.ca/ewh-semt/pubs/water-eau/sum_guide-res_re- com/index-eng.php. 3. Zoufir A., Audit B., Arneodo A. Human genome replication proceeds through four chromatin states. PLoS Comput. Biol. 2013. 9(10): e10032. 4. Sakurai K., Hoang M., Kim Y., Mathiyakom N., Kim Y. DNA methylation and chromatin dynamics in embryonic stem cell regulation. OA Stem Cells. 2014. 2(1): 1. 5. Levitsky E.L., Gubsky Yu.I., Chabanny V.N., Volkov G.L., Novikova S.N. Biochemical characteristics of the rat liver transcriptionally active and repressed chromatin. Biopolym. Cell. 1993. 9(6): 13. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 7 41 СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ [Левицкий Е.Л., Губский Ю.И., Чабанный В.Н., Волков Г.Л., Новикова С.Н. Биохимическая характеристика фракций транскрипционно активного и репрессированного хроматина печени крыс. Биополимеры и клетка. 1993. Т. 9, № 6. С. 13—21]. 6. Boulos R.E., Julienne H., Baker A., Chen Ch.-L., Petryk N., Kahli M., d’Aubenton-Carafa Y., Goldar A., Jensen P., Hyrien O. From the chromatin interaction network to the organization of the human genome into replication N/U- domains. New J. Physics. 2014. 16(11): 1. 7. Levitsky E.L., Gubsky Yu.I., Marchenko A.N., Primak R.G., Goryushko A.G. Modern Problems of Toxicology. 1998. (2): 40. [Левицкий Е.Л., Губский Ю.И., Марченко А.Н., Примак Р.Г., Горюшко А.Г. Коррекция поражений ядерного генома антиоксидантами в условиях токсического повреждения печени. Совр. пробл. токсикологии. 1998. № 2. С. 40—46]. 8. Gubsky Yu.I., Levitsky E.L. Mechanisms of the lipid peroxidation of the liver rats chromatin fractions. Biopolym. Cell. 1993. 9(5): 34. [Губский Ю.И., Левицкий Е.Л. Механизмы перекисного окисления липидов фракций хроматина печени крыс. Биополимеры и клетка. 1993. Т. 9, № 5. С. 34—43]. 9. Gubsky Yu.I., Levitsky E.L., Zhila V.A., Litoshenko A.Ya. Molecular mechanisms of damage to fractionated liver chromatin by tetrachloromethane. Problems of Medical Chemistry. 1992. 38(3): 54. [Губский Ю.И., Левицкий Е.Л., Жила В.А., Литошенко А.Я. Молекулярные механизмы повреждения фрак- ционированного хроматина печени тетрахлорметаном. Вопр. мед. химии. 1992. Т. 38, № 3. С. 54—58]. 10. Sidorova V.F., Ryabinina Z.A., Leykina V.M. Liver Regeneration in Mammals. (Leningrad: Meditsina, 1966). [Сидорова В.Ф., Рябинина З.А., Лейкина В.М. Регенерация печени у млекопитающих. Ленинград: Медицина, 1966]. 11. Gubsky Yu.I., Levitsky E.L. Zhurnal AMN Ukrainy. 1997. 3(2): 275. [Губський Ю.І., Левицький Є.Л. Перекисно-антиоксидантний механізм регуляції активності хроматину. Журн. АМН України. 1997. Т. 3, № 2. С. 275—281]. 12. Gomez M., Castro J.A. Covalent binding of carbon tetrachloride metabolites to liver nuclear DNA, proteins, and lipids. Toxicol. Appl. Pharmacol. 1980. 56(2): 199. 13. Levitsky E.L., Marchenko A.N., Gubsky Yu.I. Modern Problems of Toxicology. 1998. (1): 47. [Левицкий Е.Л., Марченко А.Н., Губский Ю.И. Механизмы генотоксичности фосфорорганических соедине- ний. Совр. пробл. токсикологии. 1998. № 1. С. 47—50]. 14. Kryukov V.I. Doctoral (Biol.) Thesis. Tula, 2000. [Крюков В.И. Генетический мониторинг антропогенного загрязнения окружающей среды: дис... д-ра биол. наук. ТулГУ, 2000]. 15. Thornton I. Sources and pathways of cadmium in the environment. IARC Sci. Publ. 1992. 118: 149. 16. Kundiev Yu.I., Trakhtenberg I.M. Chemical safety in Ukraine. (Kyiv: Avitsenna, 2007). [Кундиев Ю.И., Трахтенберг И.М. Химическая безопасность в Украине. К.: Авиценна, 2007]. 17. Toxicological Profile for Cadmium (Draft for Public Comment. Comment period ends: February 17, 1998). U.S. Department of Health and Human Services. Public Health Service. Agency for toxic substances and disease registry. September 1997. 18. Xu C., Holscher M.A., Jones M.M. Effect of monoisoamyl meso-2,3-dimercaptosuccinate on the pathology of acute cadmium intoxication. J. Toxicol. Environ. Health. 1995. 45: 261. 19. Gubsky Yu.I., Levitsky E.L., Lenchevskaya L.K., Vistunova I.E. Ukr. Biochem. J. 1993. 65(5): 112. [Губский Ю.И., Левицкий Е.Л., Ленчевская Л.К., Вистунова И.Е. Влияние хлористого кадмия на ДНК, РНК- полимеразную активность и переокисление липидов хроматина печени крыс. Укр. биохим. журн. 1993. Т. 65, № 5. С. 112]. 20. Meena Bai M., Divya K., Haseena Bhanu S.K., Sailaja G., Sandhya D. Evaluation of genotoxic and lipid peroxidation effect of cadmium in developing chick embryos. J. Environ. Anal. Toxicol. 2014. 4: 238. 21. Sarkar A., Bhagat J., Ingole B.S., Rao D.P., Markad V.L. Genotoxicity of cadmium chloride in the marine gastropod Nerita chamaeleon using comet assay and alkaline unwinding assay. Environ Toxicol. 2015. 30(2): 177. 22. Schwerdtle T., Ebert F., Thuy Ch., Richter C., Mullenders L.H.F., Hartwig A. Genotoxicity of Soluble and Particulate Cadmium Compounds: Impact on Oxidative DNA Damage and Nucleotide Excision Repair. Chem. Res. Toxicol. 2010. 23(2): 432. 23. Jindal R., Verma S. In vivo genotoxicity and cytotoxicity assessment of cadmium chloride in peripheral erythrocytes of Labeo rohita (Hamilton). Ecotoxicol. Environ. Saf. 2015. 118(1): 1. 42 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (7) СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ 24. Trakhtenberg I.M., Korshun N.M. Mercury and its compounds. In: Harmful Chemicals. Inorganic Compounds of Groups I—IV. (Leningrad: Khimia, 1988). [Трахтенберг И.М., Коршун Н.М. Ртуть и еe соединения. В кн.: Вредные химические вещества. Неорганические соединения I—IV групп. Л.: Химия, 1988. С. 170—189]. 25. Trakhtenberg I.M. Book on Poisons and Poisonings (Toxicology Essays). (Kyiv: Naukova Dumka, 2000). [Трахтенберг И.М. Книга о ядах и отравлениях (очерки токсикологии). К.: Наук. думка, 2000]. 26. Concise International Chemical Assessment Documents (CICADs). (WHO, 2003). http://www.inchem.org/pages/ cicads.html. 27. McElwee M.K., Ho L.A., Chou J.W., Smith M.V., Freedman J.H. Comparative toxicogenomic responses of mercuric and methyl-mercury. BMC Genomics. 2013. 14: 698. Стаття надійшла 10.02.2016. I.M. Trakhtenberg 1, E.L. Levytsky 2 1 Institute of Occupational Medicine of National Academy of Medical Sciences of Ukraine (Kyiv) 2 Palladin Institute of Biochemistry of National Academy of Sciences of Ukraine (Kyiv) GENOTOXIC EFFECTS OF POTENTIALLY HAZARDOUS CHEMICAL COMPOUNDS The review provides basic information on the structural and functional organization of nuclear chromatin, which is the target of genotoxic action of chemicals potentially dangerous to humans, such as organic solvents, pesticides and industrial poisons. On the example of these toxic substances the molecular mechanisms of their genotoxic action were examined. The particular attention is paid to the mechanisms of free radical toxic destruction of nuclear genome under the influence of dangerous chemicals. The conclusion is made about the special role of DNA and histone proteins in nuclear chromatin mechanisms of genotoxicity development and the repair processes of these basic structures and appropriateness of the use of antioxidants-genoprotectors as the means of pharmacological protection of nuclear genome in conditions of chemical damage. Keywords: nuclear chromatin, genotoxic substances, chemical damage, antioxidants, genoprotector.
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-107366
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0372-6436
language	Ukrainian
last_indexed	2025-12-07T16:12:15Z
publishDate	2016
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format	dspace
spelling	Трахтенберг, І.М. Левицький, Є.Л. 2016-10-18T17:31:21Z 2016-10-18T17:31:21Z 2016 Генотоксична дія потенційно небезпечних хімічних сполук / І.М. Трахтенберг, Є.Л. Левицький // Вісник Національної академії наук України. — 2016. — № 7. — С. 27-42. — Бібліогр.: 27 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107366 В огляді наведено основні відомості про структурно-функціональну організацію ядерного хроматину, що є мішенню генотоксичної дії потенційно небезпечних для людини хімічних речовин: органічних розчинників, пестицидів, промислових отрут. На прикладі цих токсичних речовин розглянуто молекулярні механізми їх геномоушкоджуючої дії. Особливу увагу приділено вільнорадикальним механізмам токсичного ураження ядерного геному за дії небезпечних хімічних речовин. Зроблено висновок про особливу роль ДНК та гістонових протеїнів ядерного хроматину в механізмах розвитку генотоксичності, процесів репарації пошкоджень цих основних структур, а також доцільність використання антиоксидантів-геномопротекторів як засобів фармакологічного захисту ядерного геному в умовах хімічного ураження. The review provides basic information on the structural and functional organization of nuclear chromatin, which is the target of genotoxic action of chemicals potentially dangerous to humans, such as organic solvents, pesticides and industrial poisons. On the example of these toxic substances the molecular mechanisms of their genotoxic action were examined. The particular attention is paid to the mechanisms of free radical toxic destruction of nuclear genome under the influence of dangerous chemicals. The conclusion is made about the special role of DNA and histone proteins in nuclear chromatin mechanisms of genotoxicity development and the repair processes of these basic structures and appropriateness of the use of antioxidants-genoprotectors as the means of pharmacological protection of nuclear genome in conditions of chemical damage. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України Статті та огляди Генотоксична дія потенційно небезпечних хімічних сполук Genotoxic effects of potentially hazardous chemical compounds Article published earlier
spellingShingle	Генотоксична дія потенційно небезпечних хімічних сполук Трахтенберг, І.М. Левицький, Є.Л. Статті та огляди
title	Генотоксична дія потенційно небезпечних хімічних сполук
title_alt	Genotoxic effects of potentially hazardous chemical compounds
title_full	Генотоксична дія потенційно небезпечних хімічних сполук
title_fullStr	Генотоксична дія потенційно небезпечних хімічних сполук
title_full_unstemmed	Генотоксична дія потенційно небезпечних хімічних сполук
title_short	Генотоксична дія потенційно небезпечних хімічних сполук
title_sort	генотоксична дія потенційно небезпечних хімічних сполук
topic	Статті та огляди
topic_facet	Статті та огляди
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/107366
work_keys_str_mv	AT trahtenbergím genotoksičnadíâpotencíinonebezpečnihhímíčnihspoluk AT levicʹkiiêl genotoksičnadíâpotencíinonebezpečnihhímíčnihspoluk AT trahtenbergím genotoxiceffectsofpotentiallyhazardouschemicalcompounds AT levicʹkiiêl genotoxiceffectsofpotentiallyhazardouschemicalcompounds

Генотоксична дія потенційно небезпечних хімічних сполук

Institution

Similar Items