Геномная нестабильность и нарушение репарации ДНК как фактора наследственной и соматической патологии человека

УДК 575.111+616-092-056.7

Геномная нестабильность и нарушение репарации ДНК как 

факторы наследственной и соматической патологии человека /
Р. И. Гончарова [и др.] ; под общ. ред. Р. И. Гончаровой. – Минск : 
Беларуская навука, 2015. – 282 с. – ISBN 978-985-08-1859-1.

Книга посвящена исследованию целостности генома и функциональных 

изменений процесса репарации ДНК в лимфоцитах периферической крови 
человека в связи с наследственной и соматической патологией. Обсуждается 
проблема индуцированной геномной нестабильности, охарактеризованы критерии и признаки этого явления, дана оценка онкологического риска при воздействии низких доз радиации и проанализирован вклад индуцированной геномной нестабильности в общую заболеваемость населения. Освещены пути 
и функции репарации ДНК, связь мутаций и полиморфизма соответствующих 
генов с синдромами хромосомной нестабильности и микроделеций, канцерогенезом и другими патологическими состояниями. Основная часть книги содержит оригинальные результаты оценки целостности и стабильности генома 
лимфоцитов с помощью метода ДНК-комет при определенных условиях эксперимента in vitro. Описаны и обсуждены данные диагностики геномной нестабильности в различных группах риска. Охарактеризована популяция Беларуси 
по полиморфизму четырех генов эксцизионной репарации ДНК, а также дана 
оценка его вклада в риск развития рака мочевого пузыря. Полученные данные 
проанализированы в свете классических представлений и последних достижений. Книга предназначается для специалистов в области общей, молекулярной 
и медицинской генетики, а также может представлять интерес для аспирантов, 
магистрантов и студентов, обучающихся по специальностям биологического 
и медицинского профиля.

Табл. 39. Ил. 36. Библиогр.: 724 назв.

А в т о р ы:

Р. И. Гончарова, Т. Д. Кужир, Н. В. Савина, Н. В. Никитченко 

Р е ц е н з е н т ы:

доктор биологических наук, профессор, 

член-корреспондент НАН Беларуси Е. И. Слобожанина

профессор, член корреспондент НАН Беларуси О. Г. Давыденко

кандидат биологических наук, доцент Н. Г. Даниленко

ISBN 978-985-08-1859-1
© Институт генетики и цитологии 
    НАН Беларуси, 2015
© Оформление. РУП «Издательский дом 
   «Беларуская навука», 2015

ВВЕДЕНИЕ

На фоне интенсивного техногенного загрязнения биосферы 

происходит накопление мутагенов, которые сами или через активные метаболиты взаимодействуют с ДНК, индуцируя мутации 
в половых и соматических клетках. При этом ускоряется мутационный процесс и увеличивается мутационный груз в популяциях 
растений, животных и человека. Повреждения ДНК и возникшие 
на их основе генные и хромосомные мутации вносят существенный вклад в этиологию и патогенез различных заболеваний. Целостность и стабильность генома клеток поддерживается благодаря эволюционно сложившимся защитным механизмам, которые 
противостоят мутагенному давлению окружающей среды. Важное 
место среди них занимают репарационные системы, которые элиминируют первичные повреждения ДНК еще до их превращения 
в мутационные события. Поэтому одним из основных факторов 
дестабилизации генома, приводящей в конечном итоге к развитию патологических состояний, является мутационная изменчивость генов, контролирующих репарацию ДНК.

Наиболее очевидна связь геномной нестабильности с патоло
гией при некоторых наследственных синдромах. Ряд аутосомнорецессивных болезней, к которым относятся анемия Фанкони, синдромы Луи-Бар, Ниймеген, пигментная ксеродерма и др., несмотря 
на различия в клинической картине, имеют общие особенности, 
главная из которых – синдром хромосомной нестабильности (СХН) 
[Taylor, 2001]. СХН возникает в результате дефектов в системах 
репарации ДНК и проявляется повышенным уровнем спонтанных 
аберраций хромосом, гиперчувствительностью клеточного генома 

к мутагенам в сочетании с прогрессирующим иммунодефицитом и предрасположенностью к злокачественным новообразованиям. Частота мутаций, детерминирующих эти наследственные 
болезни, неодинакова в различных странах и этнических группах. 
Так, мажорная мутация, вызывающая синдром Ниймеген, чаще 
встречается в славянских популяциях Чехии, Украины и Польши, 
где гетерозиготное носительство регистрируется с частотой 1:177 
[Varon et al., 2000], что в пять раз превосходит ее распространение (1:866) в Германии [Carlomagno et al., 1999]. Частота гетерозиготного носительства мутаций, ассоциированных с анемией Фанкони, варьирует от 1:90 в популяциях Ашкенази, до 1:300 в странах Западной Европы и США [Peleg et al., 2002; Kook, 2005]. 
У гетерозиготных носителей этих мутаций также повышен риск 
возникновения рака [Seemanová et al., 2006; Berwick, 2007; di Masi, 
Antoccia, 2008].

Не подлежит сомнению и роль дефектов репарации ДНК в кан
церогенезе. Установлено, что мутации в генах BRCA1 и BRCA2, 
участвующих в репарации двунитевых разрывов ДНК, обусловливают предрасположенность к раку молочной железы и яичника 
[Tutt, Ashworth, 2002; Turner et al., 2005], а мутации в генах hMSH2, 
hMLH1 и hPMS2, ответственных за репарацию неспаренных оснований, приводят к развитию наследственного неполипозного 
колоректального рака [Peltomäki, 2001; Белев, 2004]. Однако не 
только мутационная изменчивость, но и полиморфизм генов репарации ДНК, модифицирующий активность репарационных ферментов, может быть существенным фактором опухолеобразования. В последнее время обнаружена ассоциация полиморфных 
аллелей ряда генов репарации с риском развития рака в различных органах и тканях [Goode et al., 2002], но эта проблема далека 
от окончательного разрешения. 

Мутации в генах, вовлеченных в клеточный ответ на гено
токсический стресс, подавляют защитные функции, в результате чего повышается чувствительность наследственных структур 
к последующему мутагенному воздействию и развивается индуцированная геномная нестабильность. Открытие этого феномена 
стало впечатляющим достижением биологии конца прошлого – 

начала нынешнего века. Индуцированная геномная нестабильность проявляется в виде разнообразных генетических, морфологических и функциональных нарушений в отдаленные сроки после контакта с мутагеном или даже в последующих поколениях 
[Mothersill et al., 2000; Dubrova, 2000; Vorobtsova, 2000; Воробцова, 
2006; Nomura, 2006; Ryabokon, Goncharova, 2006]. Она способствует злокачественной трансформации клеток [Копнин, 2007; Streffer, 
2010], влияет на состояние здоровья и качество жизни [Ингель, 2005; 
Сусков и др., 2006], что делает актуальным выявление этого феномена у населения и требует новых подходов к охране здоровья 
человека в изменяющихся экологических условиях. Так, при оценке последствий острого и хронического воздействия мутагенных 
факторов среды на популяции необходимо учитывать возможный вклад индуцированной геномной нестабильности в патогенез соматических болезней, а обнаружение признаков геномной 
нестабильности в группах или у отдельных лиц может способствовать снижению заболеваемости вследствие проведения ранних профилактических мероприятий.

Таким образом, вырисовывается цепь молекулярно-генети
ческих событий и взаимосвязей: индукция первичных повреждений ДНК мутагенными факторами внешней и внутренней среды, 
активация клеточного ответа на эти повреждения, трансформация нерепарированных повреждений ДНК в генные и хромосомные мутации, накопление которых служит признаком дестабилизации генома. При определенных условиях мутации в соматических клетках могут инициировать патологические процессы, 
включая канцерогенез. Отдельные звенья этой цепи еще скрыты 
от глаз исследователя, но уже ясно их фундаментальное значение, 
с одной стороны, для нормального функционирования клеток 
и организма, а с другой, – для появления патологических изменений, приводящих к болезням. 

В монографии на основе собственных и имеющихся в лите
ратуре данных сделана попытка оценить роль геномной нестабильности и нарушений репарационной способности клеток в наследственной и соматической патологии человека. Подытожены 
результаты исследований целостности генома лимфоцитов пери

ферической крови с помощью метода ДНК-комет в различных 
группах детского и взрослого населения Беларуси, а также представлены данные изучения полиморфизма генов эксцизионной 
репарации ДНК в группе пациентов с онкологической патологией по сравнению со здоровым населением. Результаты получены 
при выполнении заданий ГП «Инновационные биотехнологии»
(2007–2011 гг.) и ГПНИ «Фундаментальные основы биотехнологий»
(2011–2013 гг.) в лаборатории генетической безопасности Института генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси при участии  сотрудников Республиканского научно-практического центра «Мать и дитя» и Республиканского научнопрактического центра онкологии и медицинской радиологии 
им. Н. Н. Александрова.

Авторы высоко оценивают научный вклад соисполнителей 

научно-исследовательской работы из РНПЦ «Мать и дитя»: кандидатов биологических наук А. Д. Политыко и О. М. Хурс, младшего научного сотрудника Т. М. Егоровой, проводивших цитогенетическое обследование пациентов. Авторы искренне благодарны 
ведущему научному сотруднику этого центра, кандидату медицинских наук А. А. Ершовой-Павловой, а также главному врачу 
Центра гигиены и эпидемиологии Заводского района г. Минска 
И. Г. Першину и заведующему отделом гигиены труда Н. П. Кудрейко за помощь в организации исследований на базе медсанчасти ОАО «Минский автомобильный завод». Выражаем свою признательность коллективу медсанчасти ОАО МАЗ, возглавляемому 
В. С. Савочкиным, и персонально заместителю главного врача 
по лечебной работе Л. П. Юревич и заведующей отделением профилактики О. П. Ломако за содействие в формировании групп 
обследования из числа добровольцев – рабочих этого предприятия и предоставление образцов крови.

Авторы благодарны заместителю директора РНПЦ онкологии 

и медицинской радиологии имени Н. Н. Александрова доктору 
медицинских наук, профессору, член-корреспонденту НАН Беларуси С. А. Красному, кандидатам медицинских наук А. И. Ролевичу и С. Л. Полякову за плодотворное сотрудничество в области 
онкогенетики и предоставление образцов биологического матери

ала для молекулярно-генетических исследований, а также главному терапевту Отдела первичной медико-санитарной помощи 
Министерства здравоохранения Республики Беларусь кандидату 
медицинских наук В. Э. Сушинскому за помощь в формировании 
группы обследования на базе кафедры геронтологии и гериатрии Белорусской медицинской академии последипломного образования. 

Необходимо отметить весомый вклад ведущего научного со
трудника лаборатории генетической безопасности, кандидата 
биологических наук Н. И. Рябоконь в изучение генетических последствий Чернобыльской катастрофы в популяциях диких грызунов, населяющих загрязненные районы Беларуси. Авторы искренне благодарны Надежде Ивановне за помощь в освоении 
метода определения ДНК-комет и разработке технологии диагностики геномной нестабильности в лимфоцитах крови человека на основе этого метода. Заслуживают благодарности молодые 
сотрудники лаборатории М. П. Смаль и О. П. Романюк, принимавшие участие в экспериментальной работе по исследованию 
проблем геномной нестабильности и полиморфизма генов репарации ДНК. Выражаем глубокую признательность соавторам ранее опубликованных работ, которые упоминались в данной монографии.

Хотелось бы отдельно поблагодарить зарубежных коллег: 
профессора Ирэну Шумель (Институт ядерной химии и тех
нологии, Варшава, Польша) за организацию стажировок сотрудников лаборатории в Центре радиобиологии и биологической дозиметрии этого института с целью обучения новым методам клеточной и молекулярной биологии, за регулярные консультации 
и обмен научной информацией;

профессора Аксану Николаевну Кучер (Научно-исследова
тельский институт медицинской генетики Сибирского отделения 
Российской академии медицинских наук, Томск, Россия) за полезное обсуждение полученных результатов, что сыграло положительную роль при их опубликовании в международных и зарубежных изданиях.

Г л а в а  1 

ИНДУЦИРОВАННАЯ ГЕНОМНАЯ 
НЕСТАБИЛЬНОСТЬ: 
ПАТОГЕНЕТИЧЕСКАЯ РОЛЬ

Загрязнение окружающей среды как следствие технического 

прогресса и интенсивной хозяйственной деятельности приводит 
к накоплению мутагенных факторов, способных повреждать ДНК 
и вызывать мутации в соматических и половых клетках человека. Ускорение мутационного процесса влечет за собой злокачественную трансформацию клеток и тканей, увеличивает частоту наследственных болезней и врожденных пороков развития, 
снижает качество и продолжительность жизни отдельных индивидов, уменьшает приспособленность целых групп населения. 
Республика Беларусь испытывает воздействие комплекса мутагенных факторов, включая «чернобыльские» радионуклиды и выбросы химической промышленности. В этой ситуации остро 
встает проблема оценки реальной генетической опасности и влияния загрязнения биосферы на здоровье человека.

Мутации, возникающие в генах, ответственных за ответ кле
ток на генотоксический стресс, подавляют защитные механизмы, 
повышая чувствительность генома к последующим мутагенным 
воздействиям и вызывая развитие индуцированной геномной нестабильности – явления, которое привлекает пристальное внимание исследователей в связи с выраженными патогенетическими 
эффектами. Прежде чем анализировать механизмы и характерные 
особенности индуцированной геномной нестабильности, остановимся на внешних причинах – мутагенных эффектах загрязнителей среды.

1.1. Мутагены окружающей среды

К физическим факторам относятся ионизирующие излучения, 

биологические и генетические эффекты которых уже многие годы 
являются предметом детального изучения. Однако химическое 
загрязнение биосферы не менее опасно, чем радиационное. Химические вещества, попадающие в атмосферу, воду и почву в результате химизации практически всех сфер жизни и деятельности 
человека, трансформируются в окружающей среде и организме, 
при этом продукты их метаболизма зачастую оказываются более 
активными (токсичными, мутагенными, канцерогенными, тератогенными), чем исходные соединения [Бочков, Чеботарев, 1989]. 
Известно, что даже очень низкие дозы загрязнителей окружающей среды, взаимодействуя сами или через метаболиты с ДНК 
клеток, образуют аддукты, модифицирующие структуру ДНК 
и трансформирующиеся в мутации [Basu, Essigman, 1995].

Многочисленные публикации подтверждают мутагенные эф
фекты химических веществ (см. обзор в [Кужир, 1999]). Полициклические углеводороды являются типичными загрязнителями 
среды. Широко известен представитель этой группы – бензпирен (БП). Его биотрансформация в организме приводит к образованию диоловых эпоксидов, которые являются исключительно 
мутагенными и канцерогенными продуктами [Harvey, 1991]. Мутагенность диоловых эпоксидов БП доказана на бактериях, млекопитающих и клетках человека с использованием различных тестсистем [Mazur, Glickman, 1988; Yang et al., 1987]. В большинстве 
случаев они вызывают замены оснований GC → TA [Mackay 
et al., 1992].

Ароматические амины, амиды и нитроароматические соеди
нения также широко представлены в окружающей среде. Высокотемпературный процесс приготовления пищи превращает триптофан и глутаминовую кислоту в мутагенные гетероциклические 
ароматические амины [Sugimura, 1986]. Многие из них индуцируют рак у экспериментальных животных и у человека [Basu, 
Essigmann, 1995]. Метаболическая активация этих соединений происходит путем их энзиматического окисления до N-гидроксиари

ламина, который затем взаимодействует с ДНК. Преимущественный аддукт, выделяемый в большинстве случаев, – производное C8-гуанина [Basu, Essigmann, 1995]. Типичными представителями этой группы являются 2-аминофлуорен (АФ) и его ацетопроизводное 2-ацетиламинофлуорен (ААФ). Установлено, что 
ААФ в основном индуцирует мутации сдвига рамки вблизи пар 
GC [Fuchs et al., 1981], тогда как АФ – трансверсии GC→TA 
[Bichara, Fuchs, 1985].

Большое внимание уделяется группе мутагенов окружающей 

среды, получивших общее название табако-специфических нитрозаминов. Предполагается, что в результате метаболической активации они превращаются в генотоксичный продукт метилдиазогидроксид. Канцерогенность этого соединения может быть 
обусловлена алкилированием ДНК. Например, показано, что 
O6-алкилгуанин отвечает за опухолеобразование в легких крыс 
[Hecht, Hoffmann, 1988].

Из общего пула мутагенов выделяются активные формы 

кислорода (АФК), роль которых в мутагенезе, канцерогенезе, 
других патологических процессах и старении активно изучается, 
начиная с пионерских работ Phillips (1956) и Дубинина (1959), Hartman (1962) и Fridovich (1978). Показано, что АФК обладают цитотоксическим действием и вызывают апоптоз клеток [Buttke, Sandstrom, 1994; Sies, de Groot, 1992], вносят определенный вклад 
в развитие болезней крови [Reid, Loeb, 1992; Takeuchi, Morimoto, 1993], 
печени [Varga, 1992], почек [Weinberg, Venkatachalam, 1992], сердечно-сосудистой патологии [McCord, 1993; Kumar, Das, 1993], 
некоторых инфекционных заболеваний (сепсиса [Goode, Webster, 
1993], малярии [Sarin et al., 1993], других паразитарных инфекций 
[Rosin et al., 1994] и даже ВИЧ [Muller, 1992]). В настоящее время 
связь окислительного стресса и различных патологий в основном обсуждается в контексте поиска новых терапевтических 
мишеней [Aly et al., 2011; Мартинович и др., 2012; Violi, Pignatelli, 
2014; Pastori et al., 2014; Sullivan, Chandel, 2014; Currais, 2015].

Генетические эффекты АФК стали предметом исследования 

многих авторов, особенно в связи с проблемами канцерогенеза 
и старения [Emerit, 1994; Loft, Pouksen, 1996; Cooke, 2003; Sedel