РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2013, том 53, № 4, с. 367-379
== РАДИАЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА
УДК 539.12.04:577.3:575.116.4
PАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ХРОМОСОМ. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДОЗА-ЭФФЕКТ МЕТОДАМИ БИОФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
© 2013 г. Ю. А. Эйдельман1, 2, С. В. Сланина1, С. Г. Андреев1,2,3*
Институт Биохимической Физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Москва 2Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Москва 3Московский физико-технический институт (Государственный университет), Долгопрудный
Повышенный уровень неклональных хромосомных аберраций, наблюдаемый в потомках облученных клеток, является проявлением радиационно-индуцированной нестабильности хромосом (РИНХ). Форма дозовой зависимости для РИНХ существенно отличается от таковой для аберраций хромосом в первом пострадиационном митозе, однако причина различий экспериментально не установлена. В данной работе проводится исследование дозовой зависимости РИНХ для нестабильных аберраций хромосом на основе биофизической модели, учитывающей появление неклональных хромосомных аберраций (дицентриков) спустя различное время после облучения. Анализ экспериментальных данных для редкоионизирующей радиации на основе модели позволяет оценить вклад возможных механизмов РИНХ: репликационно-зависимой генерации ДР в делящихся потомках облученных клеток, цикла разрыва-воссоединения хромосом и др.
Нестабильность хромосом, ионизирующая радиация, двунитевыеразрывы ДНК, анафазные мосты, ди-центрики, репарация, фрагменты, хроматидные обмены.
БО1: 10.7868/80869803113040085
Радиационно-индуцированная нестабильность хромосом (РИНХ) наблюдается в виде повышенного уровня хромосомных нарушений в потомках облученных клеток [1, 2]. Одним из проявлений РИНХ являются нестабильные аберрации хромосом, дицентрики, наблюдаемые спустя много клеточных делений после облучения ("задержанные" дицентрики). Будучи нестабильными аберрациями, радиационно-индуцирован-ные дицентрики должны элиминироваться из популяции в течение одной—нескольких генераций вследствие гибели аберрантных клеток в митозе. Однако в клетках разных линий дицентрики наблюдаются в течение длительного интервала времени с частотами, намного превышающими спонтанный уровень [3—5], что свидетельствует об их образовании de novo. Характерной особенностью "задержанных" дицентриков по сравнению с радиационно-индуцированными, наблюдаемыми в первом митозе после облучения, является тот факт, что все или подавляющее большинство дицентриков не сопровождаются парными фрагментами [6]. Другой особенностью "задержанных" дицентриков является вид дозо-вой зависимости. Дозовая зависимость для
* Адресат для корреспонденции: 119334 Москва, ул. Косыгина, 4, ИБХФ РАН им. Н.М. Эмануэля; тел.: (495) 939-7194; факс: (499) 137-41-01; e-mail: andreev_sg@mail.ru.
РИНХ выражена слабо или имеет форму плато в широком диапазоне доз [3, 4] в отличие от радиа-ционно-индуцированных дицентриков, для которых характерна линейно-квадратичная зависимость частоты от дозы [7].
Количественные закономерности РИНХ включают в себя, прежде всего, фундаментальные радиобиологические характеристики, такие как зависимости доза—эффект и время—эффект для частоты "задержанных" хромосомных аберраций. Однако в абсолютном большинстве работ авторы ограничиваются изучением одного вида зависимостей и измеряют либо дозовую зависимость уровней этих нарушений для одного момента времени или при малом числе таких "временных точек" [3, 8, 9], либо кинетическую зависимость (зависимость время—эффект) при одной дозе [10, 11]. Это затрудняет понимание количественных закономерностей. Лишь в небольшом числе работ [4, 12] измеряется частота аберраций для большого числа использованных доз и на достаточно большом числе временных точек.
Механизмы хромосомной нестабильности изучаются уже несколько десятилетий. МакКлинток [13] впервые ввела представление о механизме отдаленных эффектов облучения на уровне нарушений структуры хромосом, которое сводится к следующей идее. Разорванная в результате облуче-
ния хромосома реплицируется, сестринские хроматиды взаимодействуют (воссоединяются) между собой, образуя "хроматидный дицентрик"; в митозе эта аберрация наблюдается в виде ана-фазного моста; разрыв моста вновь приводит к разорванной хромосоме в каждой из дочерних клеток [13], и таким образом осуществляется цикл разрывов моста — воссоединения хромосом (Breakage and Fusion of Bridge, BFB). Циклы BFB под действием радиации наблюдались в [14]. BFB считается одним из основных механизмов геномной нестабильности в раковых клетках [15, 16]. Важную роль в нестабильности хромосом могут играть также дисфункция теломер [15, 16] и так называемые немишенные или байстендерные эффекты [1, 17]. Байстендерные эффекты выражаются в активации сигнальных факторов, вызывающих повреждения ДНК как в облученных (через которые прошли треки заряженных частиц), так и в первоначально необлученных (байстен-дерных) клетках за счет факторов, присутствующих в среде от облученных клеток [15]. Такие эффекты были обнаружены в экспериментах на точечных пучках тяжелых заряженных частиц при облучении в малых дозах [18]. Немишенные эффекты характеризуются отсутствием дозовой зависимости, поэтому предполагается, что они ответственны за слабо выраженную дозовую зависимость или независимость (плато) для РИНХ [1, 17].
Первой известной нам математической моделью геномной (хромосомной) нестабильности является работа [19]. В ней авторы описывают наблюдаемые в эксперименте функции распределения продолжительности жизни индивидуальных линий амеб после облучения. Были также предложены математические модели хромосомной (геномной) нестабильности для клеток эукариот [20—22]. Опуская обсуждение математических различий, общий вывод по подходам [19—22] заключается в том, что перечисленные выше математические модели нестабильности не решают основную проблему. А именно, в модели не вводились и численно не анализировались какие-либо конкретные механизмы хромосомной или геномной нестабильности, индуцированной радиацией или другими факторами.
Большое количество индуцирующих факторов и разнообразие ситуаций, в которых наблюдается хромосомная нестабильность, заставляет искать общие пути и механизмы нестабильности, а также разрабатывать адекватные механистические модели РИНХ, которые бы обобщали известные механизмы, позволяли предсказывать основные закономерности и оценивать роль РИНХ в различных ситуациях, в частности, в ходе процесса канцерогенеза, при радиотерапии опухолей и др.
Первая механистическая модель РИНХ была предложена в работе [23], которая учитывала конкретные механизмы (цикл BFB, образование аберраций de novo, прохождение аберрантных клеток через митоз) и по-новому объясняла форму дозовой зависимости РИНХ, индуцированной у-квантами в лимфобластоидных клетках человека ТК6. Эта модель предсказывала взаимосвязь временных (кинетических) и дозовых закономерностей для РИНХ. В работе [24] было проведено более детальное рассмотрение механизмов РИНХ с учетом различных путей образования задержанных аберраций из разрывов ДНК и хромосом в ¿-фазе клеточного цикла.
Цель данной работы — выяснение вопроса, насколько наблюдаемые закономерности РИНХ клеточно-специфичны, анализ экспериментальных данных для различных клеточных линий на основе разработанной модели, дальнейшее развитие модели РИНХ путем оценки теломерного механизма образования "задержанных" дицен-триков и обобщение модели для объяснения экспериментальных данных in vivo.
МЕТОДЫ
Схема моделирования РИНХ in vitro методом Монте-Карло в общих чертах соответствует разработанной ранее [23, 24] и включает в себя четыре этапа: индукция ДР ДНК в асинхронной клеточной популяции под действием ионизирующей радиации; их конверсия в аберрации хромосомного и хроматидного типа в первом клеточном цикле после облучения; образование ДР ДНК и их конверсия в аберрации в потомках облученных клеток; прохождение клетками фаз клеточного цикла; прохождение или непрохождение (гибель) аберрантных клеток через митоз.
Образование ДР ДНК и аберраций под действием ионизирующей радиации моделируется в соответствии со схемой [25]. При моделировании образования персистирующих ДР в потомках облученных клеток были введены две модификации по сравнению с [24].
1) При образовании каждого ДР определяется его положение на хромосоме — в теломерной области или в интерстициальной. Рассматриваются два возможных варианта: базовый, при котором ДР распределены по длине хромосом случайно, и альтернативный, при котором плотность вероятности образования ДР в теломерной и интерсти-циальной областях хромосом не равны. Модельная длина теломера взята равной 5 тыс. пар нук-леотидов (п. н.), что укладывается в диапазон, наблюдаемый в клетках человека [26]. Рассматривается возможность неравных скоростей репарации и взаимодействия интерстициальных и тело-мерных ДР.
2) В модели [24] число разрывов распределено по Пуассону; в данной работе, помимо Пуассо-новского, рассматриваются иные распределения числа ДР на клетку (равномерное и логнормаль-ное).
В модель нестабильности хромосом для кроветворной системы, РИНХ in vivo, вводится ряд изменений по сравнению с моделью РИНХ in vitro.
1) Популяция клеток-предшественников форменных элементов крови упрощенно разделяется на две субпопуляции: стволовые клетки и комми-тированные (дифференцирующиеся) клетки. Стволовые клетки могут находиться в покоящемся (обратимый покой G0) или в пролиферирую-щем состоянии; скорости перехода между этими двумя состояниями зависят от количества стволовых клеток. Коммитированные клетки находятся в пролиферирующем состоянии и, пройдя определенное число делений, завершают дифферен-цировку и покидают костный мозг. Далее эти клетки не рассматриваются.
2) Пролиферация клеток, а также образование и перенос через митоз хромосомных аберраций учтены упрощенно по сравнению с моделью нестабильности in vitro, приведенной выше. Вкратце: каждая клетка делится (проходит митоз) со скоростью а; отдельные фазы клеточного цикла не рассматриваются. В ходе клеточного цикла а
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.