РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2007, том 47, № 3, с. 262-272
^ НЕМИШЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ
РАДИАЦИИ
УДК 577.346:577.217:576.32/36
НЕМИШЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ: ВЫВОДЫ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К НИЗКОДОЗОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ
© 2007 г. Д. Б. Литтл*
Школа здравоохранения Гарвардского университета, Центр по радиационным наукам и охране окружающей среды, Бостон, США
Традиционно считалось, что биологические эффекты ионизирующих излучений возникают в облученных клетках как результат поражения ДНК. Это означает что: 1) биологические эффекты имеют место только в облученных клетках, 2) прохождение излучения через ядро клетки является предпосылкой для возникновения биологической реакции и 3) ДНК является молекулой-мишенью в клетке. Однако появилось доказательство для немишенных эффектов излучения, т.е. таких эффектов, как мутации, хромосомные аберрации и изменения в экспрессии генов, наблюдаемые в клетках, которые сами не подвергались радиационному воздействию. Два таких феномена будут рассмотрены в данной работе. Первое - это радиационно-индуцированная геномная нестабильность, когда биологические эффекты, включая повышенную частоту мутаций и хромосомных аберраций, возникают у дальних потомков облученных клеток. Второе явление получило название "эффекта соседствования (свидетеля)" ("bystander-effect"), когда в смешанной популяции облученных и необлученных клеток биологические эффекты возникают в тех клетках, которые не подвергались радиационному воздействию. Сигналы повреждения передаются от клетки к клетке через щелевидный контакт, а генетические эффекты, наблюдавшиеся в клетках-свидетелях, возникают в результате активации окислительного стресса. Обсуждается возможное влияние этих немишенных эффектов радиации на биологический ответ при воздействии изучений в малых дозах.
Ионизирующее излучение, геномная нестабильность, эффект свидетеля, межклеточная связь через щелевидный контакт.
Многие годы традиционно считалось, что биологические эффекты воздействия ионизирующих излучений возникают в облученных клетках как следствие повреждения ДНК [1]. В ранних экспериментах с облучением от микропучковых источников и в опытах по переносу ядра в клетках амебы клеточное ядро рассматривалось как критическая мишень для излучения, этот вывод подтверждали и эксперименты с радионуклидами, излучающими электроны Оже. Открытие того факта, что наследуемая генетическая информация в клетках млекопитающих закодирована в молекулах ДНК, привело к концентрации внимания ученых на ДНК как молекуле-мишени внутри ядра.
Открытие метаболических процессов репарации ДНК подтвердило эту гипотезу. При использовании генетически измененных клеток удалось показать, что радиочувствительность пропорциональна способности клетки репарировать свою ДНК. Результаты этого раннего эксперимента показаны на рис. 1. Эти опыты были проведены на линиях бактериальных клеток E. coli мутант-ных в трех генах, кодирующих различные пути
*Адресат для корреспонденции: 665 Huntington Avenue, Boston, MA 02115, USA; tel.: (617) 432-1187; fax: (617) 432-0107; e-mail: jlittle@hsph.harvard.edu.
репарации ДНК. Кривая доза-эффект для клеток дикого типа (нормальных) показана вверху, обозначена pol+. Отметим, что линии клеток, дефицитные по одному из двух различных путей репарации ДНК (uvrA или recA), высоко радиочувствительны, в то время как клетки, дефицитные по обоим путям репарации (uvrA recA), чрезвычайно радиочувствительны. Эти ранние наблюдения были в последующем подтверждены на линиях клеток грызунов и человека, подвергнутых воздействию ионизирующей радиации, и критическое радиационно-индуцированное молекулярное повреждение было идентифицировано как двунитевой разрыв ДНК.
Теперь резюмируем смысл этих данных. Во-первых, биологические эффекты возникают в облученных клетках; во вторых, прохождение излучения через ядро клетки является предпосылкой для выработки биологического ответа, и, в третьих, ДНК является молекулой-мишенью в клетке.
Однако за последние 15 лет были накоплены доказательства о ДНК-немишенных эффектах излучения, т.е. об эффектах, возникающих в клетках, ядро которых не подвергалось воздействию радиации [3, 4]. Стало очевидно, что излу-
Percent survival 102-
101 -
l00 -
l0-
Р Р / \ / \
О О О О /\ /\ /\ /\
оооооооо
/ \ / \
® ® X ® /\ /\ /\ /\
l0-
0 50 100
UV Dose (ERGS/mm2)
Рис. 1. Кривые выживаемости мутантных линий бактериальных клеток E. coli по одному из трех различных путей репарации ДНК (pol, uvrA и recA), а также для двойного мутанта uvrA recA. Клетки подвергали воздействию ультрафиолетового света с длиной волны 254 нм [2].
в
а
Р Р / \ / \
о о X о /\ /\ /\ /\
0000®(X00
Рис. 2. Клеточные модели для индукции мутаций в клетках млекопитающих. Схемы А и Б отражают традиционную модель. Большинство клеток не испытывает мутаций (А), мутация возникает в редких клетках (Б) и передается всему потомству одной из таких клеток. Схема В - модель радиационно-инду-цированной нестабильности генома: повышенная частота мутаций возникает у потомков облученной клетки. Это явление характеризуется высокой частотой, и насыщение происходит при достаточно низких дозах.
чение может индуцировать тип геномной нестабильности в клетках, который передается их потомству, приводя к увеличению частоты, с которой генетическое повреждение возникает у отдаленных потомков облученной клетки [1]. Далее, было показано, что облученные клетки могут передавать сигналы повреждения необлученным клеткам в популяции, приводя к возникновению генетических эффектов этих "соседствующих" клетках, которые сами не подвергались радиационному воздействию [1]. Эти два явления я и буду обсуждать более подробно.
Недавние эксперименты по облучению микропучками выявили другой ДНК-немишенный эффект радиации: облучение цитоплазмы может приводить к возникновению генетических эффектов, включая мутации и возникновение микроядер в облученной клетке [5, 6]. Молекулярная структура мутаций, возникающих как последствие облучения цитоплазмы, отличается от мутаций, которые наблюдаются при облучении ядра, и этот эффект, по-видимому, опосредуется регулятор-ным влиянием окислительного метаболизма (повышенные уровни активных форм кислорода).
Облучение цитоплазмы может также приводить к передаваемой геномной нестабильности.
РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННАЯ ГЕНОМНАЯ НЕСТАБИЛЬНОСТЬ
Мы изучали этот феномен на клональных популяциях, полученных из одиночных облученных клеток, наблюдаемых до 30 удвоений после радиационного воздействия. Таким образом, эти результаты отражают отсроченный эффект облучения, проявляющийся как повышение частоты мутаций и возникновение неклональных хромосомных аберраций, возникающих у дальних потомков облученных клеток (рис. 2). Традиционная модель возникновения мутаций в облученных клетках представлена на схемах А и Б. В большинстве облученных клеток не наблюдается специфических генных мутаций, хотя в случайной клетке мутация будет возникать (возможно, одна на 10000). Поскольку мутация является необратимым изменением в кодирующей последовательности ДНК, она будет передаваться всему потомству облученной клетки (схема Б). Радиационно-индуцированную нестабильность генома иллю-
a-irrrdiation
Рис. 3. Модель радиационно индуцированного эффекта свидетеля в монослойных культурах клеток, подвергнутых облучению при очень низких флюен-сах потока a-частиц. a-Частица проходит через ядро темной клетки, но биологические эффекты наблюдаются в кластерах затененных ("bystander" - находящихся рядом, "свидетелях") клеток, окружающих облученную клетку. Как видно из рисунка, сигналы поражения могут передаваться между клетками-свидетелями, что приводит к генетическим эффектам даже в клетках, не находящихся в прямом контакте с облученной клеткой.
стрирует схема В. Радиация не вызывает мутацию в облученной клетке, оно скорее увеличивает частоту, с которой мутации возникают у потомков этой клетки. Хотя для удобства на диаграмме это происходит рано, большинство исследований показывает, что такие мутации возникают через 1030 циклов деления клетки после облучения.
Важные характеристики радиационно-индуци-рованной геномной нестабильности можно суммировать следующим образом:
1) феномен описан для нескольких генетических последствий, включающих устойчивое возрастание частоты репродуктивного нарушения и апоптоза у потомков облученных клеток;
2) эти генетические изменения возникают в отдаленном потомстве облученных клеток, обычно через 10-30 поколений после облучения родительских клеток;
3) сообщалось об устойчивом окислительном стрессе, проявлявшемся повышенными уровнями активных форм кислорода в таких нестабильных популяциях клеток;
4) радиационно-индуцированная геномная нестабильность - это явление частое, обычно наблюдаемое у 10-30% клеток популяции, облучен-
ной a-частицами или рентгеновскими лучами в зависимости от экспериментальной системы;
5) индуцированные мутации отличаются по спектру молекулярных структурных изменений от мутаций, связанных с непосредственным облучением. В последнем случае мутации вообще являются результатом крупномасштабных изменений, включающих частичную или полную делецию генов, в то время как мутации в нестабильных клетках представляют собой преимущественно точечные мутации. Как будет показано ниже, этот вывод согласуется с данными о повышенном окислительном стрессе в этих нестабильных клетках;
6) зависимость доза-эффект для индукции нестабильности проявляется насыщением при достаточно низких дозах, означая, что нестабильность будет индуцирована только в части облученной популяции. Для специфических генных мутаций эффект насыщения проявляется уже при столь низких дозах, как 0.1-0.2 Гр, где нестабильность индуцируется приблизительно у 10% популяции. С повышением дозы облучения наблюдается небольшое увеличение доли нестабильных клеток.
ЭФФЕКТ СВИДЕТЕЛЯ (BYSTANDER) ОБЛУЧЕНИЯ
В смешанной популяции облученных и необ-лученных клеток биологические эффекты могут возникать в клетках, которые не подвергались радиационному воздействию . Эти клетки названы "клетками-свидетелями". Экспериментальная
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.