научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЗОВОЙ ЗАВИСИМОСТИ -ИНДУЦИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСНЫХ МЕЖХРОМОСОМНЫХ ОБМЕНОВ МЕТОДАМИ БИОФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Биология

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЗОВОЙ ЗАВИСИМОСТИ -ИНДУЦИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСНЫХ МЕЖХРОМОСОМНЫХ ОБМЕНОВ МЕТОДАМИ БИОФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ»

РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 2, с. 140-152

= РАДИАЦИОННАЯ ЦИТОГЕНЕТИКА :

УДК [57+61]::539.1.04:576.316.344

ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЗОВОЙ ЗАВИСИМОСТИ у-ИНДУЦИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСНЫХ МЕЖХРОМОСОМНЫХ ОБМЕНОВ МЕТОДАМИ БИОФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

© 2014 г. Ю. А. Эйдельман1,2, С. В. Сланина1, С. Г. Андреев1,2*

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Москва 2Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Москва

Эксперименты с использованием БКИ-окрашивания нескольких хромосом и окрашивания всех хромосом (шРКН) показали, что комплексных хромосомных аберраций (ХА) образуется неожиданно много. Соотношение комплексных и простых аберраций, наблюдаемых в первом пострадиационном митозе, сложным образом зависит от типа клеток, ЛПЭ излучения и времени детектирования аберраций. Согласно одному из общепринятых на сегодняшний день представлений, межхромосомные обмены образуются в результате взаимодействия контактирующих повреждений либо пришедших в контакт на поверхности хромосомных "территорий". Однако теоретический анализ данных показал, что механизм образования ХА по местам контактов поврежденных локусов от разных хромосом на поверхности хромосомных "территорий" не объясняет наблюдаемое высокое соотношение комплексных/простых аберраций, индуцированных у-излучением в лимфоцитах человека. Проводится исследование причин высокой частоты комплексных ХА методами биофизического моделирования. Показано, что предположение об образовании ХА на ядерных центрах позволяет количественно объяснить дозовые зависимости для простых и комплексных ХА, полученные методом тБКН для редкоионизирующего излучения.

Комплексные аберрации, шГШИ, редкоионизирующая радиация, центры репарации. БО1: 10.7868/80869803114010056

Хромосомные аберрации (ХА) — одни из важнейших проявлений действия ионизирующей радиации на генетический аппарат клетки. Часть аберраций обменного типа, например, дицентри-ки, кольца, ответственны за гибель клеток. Другие аберрации, такие как транслокации, инверсии стабильны в ряду клеточных поколений. Теоретически они могут давать клоны предраковых клеток [1]. Поэтому исследование механизмов образования ХА под действием такого ДНК-по-вреждающего фактора как ионизирующая радиация является важным инструментом для получения информации об изменениях в геноме, которые могут иметь серьезные отдаленные последствия для клетки и всего организма.

С появлением в конце XX века метода FISH (окрашивание отдельных хромосом специфическими флюоресцентными зондами), а затем mFISH (окрашивание всех хромосом) стало возможным наблюдать так называемые комплексные обменные аберрации — разновидность ХА, практически не детектируемую использовавшимся ранее методом окрашивания хромосом красителем Гимза. Комплексными аберрациями тради-

* Адресат для корреспонденции: 119334 Москва, ул. Косыгина, 4, ИБХФ РАН; е-mail: andreev_sg@mail.ru.

ционно называют аберрации, образованные взаимодействием не менее трех разрывов на двух и более хромосомах [2]. В до^ГЗН эпоху считалось, что комплексные аберрации — редкие события. Это связано с тем, что вероятность взаимодействия трех и более разрывов хромосом всегда меньше или много меньше, чем вероятность взаимодействия двух разрывов, приводящих к образованию простых аберраций.

Эксперименты с использованием FISH-окра-шивания нескольких хромосом и окрашивания всех хромосом mFISH показали, что комплексных аберраций образуется неожиданно много. Соотношение простых и комплексных аберраций, наблюдаемых в первом пострадиационном митозе, оказалось зависящим сложным образом от типа клеток, ЛПЭ излучения и времени детектирования аберраций. При воздействии а-частиц (ЛПЭ = 116 кэВ/мкм) в дозе 0.5 Гр на лимфоциты человека большинство mFISH-аберраций (свыше 80%) являются комплексными [3]. Доля комплексных аберраций, индуцированных ионами железа (ЛПЭ = 147 кэВ/мкм, дозы до 1.5 Гр) в лимфоцитах человека, составляет около 40% [4]. В результате воздействия а-частиц (ЛПЭ = = 116 кэВ/мкм) на фибробласты человека частоты комплексных перестроек, детектируемых ме-

тодом mFISH, в 2—3 раза ниже, чем простых аберраций [4]. Обнаружено 1.5-2-кратное преобладание комплексных аберраций над простыми через 72 ч после воздействия ионов углерода (ЛПЭ = = 175 кэВ/мкм) в дозах 1 и 2 Гр на лимфоциты человека, но примерно равные частоты простых и комплексных ХА через 48 ч после облучения [5]. Редкоионизирующая радиация приводит к образованию комплексных хромосомных обменов в лимфоцитах человека, уровни которых в диапазоне доз до 4 Гр ниже, чем простых аберраций [5, 6], и соотношение рассматриваемых частот не зависит от времени после облучения [5].

Современные теоретические методы биофизического моделирования могут выступать инструментом получения новой информации о механизмах образования ХА, недоступной существующим экспериментальным цитогенетическим методам. Согласно одному из общепринятых на сегодняшний день представлений, межхромосомные обмены образуются в результате взаимодействия повреждений хромосом, находящихся в контакте либо пришедших в контакт на поверхности хромосомных "территорий" ("поверхностный" контакт) [7, 8]. В работах [8, 9] был проведен теоретический анализ данных mFISH [6] по у-индуци-рованным ХА в лимфоцитах человека, основанный на расчетах пространственной упаковки хромосом в интерфазном ядре с учетом одного из ключевых факторов — детальной информации о сложной топологии межхромосомных контактов различных хромосомных локусов. Показано, что механизм образования ХА по местам контактов поврежденных локусов от разных хромосом на поверхности хромосомных "территорий" предсказывает существенно меньшее, чем наблюдается, соотношение уровней комплексных/простых аберраций [8, 9]. Биофизический анализ mFISH-данных для а-частиц и лимфоцитов человека также показал, что указанный механизм предсказывает значительно меньшее по сравнению с экспериментальным соотношение частот комплексных и простых обменов [10], а также меньшую долю "сложных комплексов", т.е. аберраций с участием более чем четырех хромосом [11]. Таким образом, в экспериментах наблюдают существенное преобладание комплексных аберраций и большую "сложность" этих перестроек, чем это можно ожидать из механизма "поверхностных контактов". Эта проблема в настоящее время остается нерешенной.

Одно из возможных решений было предложено [12] на основе теоретического анализа экспериментальных данных [13], полученных одноцветным FISH. Авторы объяснили наблюдаемую высокую частоту комплексных аберраций, индуцированных рентгеновскими лучами в фибробла-стах человека, путем введения специальных физических представлений о надмолекулярной организации интерфазных хромосом: а именно, что

хромосомы имеют вид идеального полимерного клубка и хромосомные "территории" сильно перекрываются. Такое объяснение, однако, не представляется реалистичным: 1) интерфазные хромосомы не являются идеальным полимерным клубком, т.е. нельзя считать, что отдельные участки хромосом способны свободно проникать друг через друга, что обусловлено стерическими запретами [8, 9, 14]; 2) различные хромосомы перекрываются в ядре очень слабо [15, 16].

На основании экспериментальных данных по а-индуцированным аберрациям в [3] было предположено, что комплексные ХА, индуцированные а-частицами, образуются в результате ошибочной репарации повреждений в петлях хроматина после ограниченного движения к ближайшей репарационной фабрике. Для объяснения высокой частоты комплексных аберраций было выдвинуто предположение об образовании ХА на ядерных центрах [8—10]. Оно основывалось на данных биофизического моделирования у-ин-дуцированных ХА с учетом особенностей упаковки хромосом в интерфазном ядре лимфоцитов человека, в том числе слабого перекрывания хромосомных "территорий". Оба вывода [3, 8], хотя основаны на разных данных и используют различные обоснования, практически совпадают в отношении необходимости введения центров репарации и/или областей множественных контактов поврежденных субъединиц от нескольких хромосом в ядре.

В настоящее время экспериментально получить информацию о роли предполагаемых центров в образовании ХА и их вкладе в форму зависимости доза—эффект не представляется возможным. Целью данной работы было исследование методами биофизического моделирования причин высокой частоты комплексных ХА за счет их образования на ядерных центрах. Результаты моделирования показали, что при определенных условиях предположение об образовании ХА на центрах позволяет количественно объяснить экспериментальные данные шР18И по дозовым зависимостям простых и комплексных аберраций одновременно.

МЕТОДИКА

Для предсказания частот хромосомных аберраций в лимфоцитах человека, облученных в О0, необходимо получить информацию о: а) частотах контактов между любыми локусами как в пределах одной хромосомы, так и между хромосомами; б) числе и местоположении в хроматине индуцированных двунитевых разрывов (ДР) ДНК; в) кинетике правильной и ошибочной репарации ДРДНК.

А Б

В

Поврежденный СД

— - — Граница "области захвата" центра

Рис. 1. Рассматриваемые механизмы образования ХА.

A. По поверхностным контактам: два поврежденных СД находятся в контакте, если расстояние между ними меньше Ro.

Б. На статических центрах: поврежденные СД, находящиеся на расстоянии меньше Rl от центра, будут репарировать-ся на центре.

B. На динамических центрах: образуются либо вблизи уединенного повреждения (вверху), либо вблизи нескольких (2 и более) повреждений, отделенных друг от друга расстоянием, меньшим заданной величины R2 (внизу).

О

Информация об упаковке хромосом и индукции/репарации ДР ДНК получена методами биофизического моделирования, описанными ранее [8, 9]. Вкратце: пространственная (крупномасштабная) структура интерфазных хромосом устанавливается в результате деконденсации митоти-ческих хромосом. Интерфазная хромосома моделируется гибкой полимерной цепью из полупроницаемых сферических субъединиц, супердоменов (СД), которая имеет разные конфор-мационные состояния: в телофазе — стержневид-ная структура с высокой степенью перекрытия СД

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком