РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2011, том 51, № 5, с. 512-529
_ МАТЕРИАЛЫ VI СЪЕЗДА ПО РАДИОБИОЛОГИЧЕСКИМ _
--ИССЛЕДОВАНИЯМ (РАДИОБИОЛОГИЯ, -
РАДИОЭКОЛОГИЯ, РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ) (МОСКВА, 25-28 ОКТЯБРЯ 2010 ГОДА)
УДК [57+61]::539.1.04
НИЗКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕПАРАЦИИ КРИТИЧЕСКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ДНК, ВЫЗЫВАЕМЫХ МАЛЫМИ ДОЗАМИ РАДИАЦИИ
© 2011 г. А. И. Газиев*
Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино
Представлен анализ данных по развитию клеточного ответа на критические повреждения ДНК и механизмов, ограничивающих эффективность репарации таких повреждений, которые возникают при воздействии ионизирующих излучений (ИИ) в малых дозах. Результаты многих исследований позволяют сделать вывод, что большая часть повреждений, возникающих в ДНК клеток, после воздействия ИИ существенно отличается по химической природе от эндогенных повреждений. Важнейшей характеристикой радиационно-индуцированных повреждений ДНК является их сложность и кластеризация. Двунитевые разрывы, межнитевые поперечные сшивки или деструкция реплика-ционной вилки и формирование длинных одноцепочечных пробелов в ДНК рассматриваются как критические повреждения для судьбы клетки. Возникновение таких повреждений в ДНК может быть ключевым событием, как в этиологии, так и в терапии рака. С появлением критических повреждений в ДНК в клетках происходит быстрое развитие сложной разветвленной сети молекулярно-биохимических реакций, которую принято называть клеточным ответом на повреждение ДНК (ОПД). Индукция ОПД сопряжена с активацией систем контрольных точек хода клеточного цикла (сверочных точек), репарации ДНК, изменением экспрессии множества генов, реконструкцией хроматина или с апоптозом клеток. Вместе с тем, эффективность репарации ДНК от сложных повреждений в клетках после воздействия радиации в малых дозах остается на низком уровне. Развитие ОПД при воздействии радиации в малых дозах не достигает необходимого результата из-за малого количества повреждений, и прогрессия клеток по фазам цикла опережает процессы репарации ДНК. Это, в первую очередь, обусловлено недостаточностью сигнализации, запускающей активацию систем контрольных точек хода клеточного цикла для его блокировки при малом количестве критических повреждений ДНК. При этом в отсутствии блокировки прогрессии клеток по фазам цикла, особенно на переходе 02/Ы, репарационные системы не успевают завершить восстановление ДНК, и клетки переходят в митоз с поврежденной ДНК. Другой причиной низкой эффективности репарации ДНК в клетках после воздействия ИИ в малых дозах, можно полагать, является наличие ограничений для доступа компонентов систем репарации к сложным повреждениям на участках ДНК, упакованной в компактизированный хроматин.
Ионизирующие излучения, малые дозы, повреждение ДНК, контрольные точки клеточного цикла, факторы, ограничивающие репарацию ДНК.
Исследования по воздействию ионизирующих излучений (ИИ) в малых дозах на живые организмы после Чернобыльской катастрофы получили значительное развитие. Результаты многих из них углубили наши знания о путях развития пострадиационных процессов в организме, в том числе и после воздействия ИИ в малых и низкоинтенсивных дозах. Тем не менее продолжаются дискуссии относительно количественного порога дозы радиации по определению рисков для здоровья. Линейная беспороговая модель (ЛБМ) была принята в качестве основного стандарта радиационной защиты и оценки рисков на протяжении многих лет. ЛБМ постулирует линейную зависи-
* Адресат для корреспонденции: 142290 Пущино, Московская обл., ИТЭБ РАН; тел.: (4967) 73-18-86; факс: (4967) 33-05-53; e-mail: aigaziev@gmail.com.
мость биологических эффектов от дозы ИИ. Она также предполагает, что повреждения, индуцируемые радиацией в малых дозах, не вносят существенного вклада в повышение риска, поскольку в клетках постоянно возникает и восстанавливается значительное количество эндогенных (спонтанных) повреждений генома.
Однако анализ данных многих исследований позволяет полагать, что количество повреждений ДНК, вызываемых ИИ, линейно возрастает с дозой, но реакция клеток на эти повреждения, эффективность репарации наиболее сложных, критических повреждений могут быть нелинейными. Низкие дозы радиации могут увеличить вероятность развития рака [1, 2] и, возможно, нераковых патологий [3].
Хотя понятие "малые дозы" официально не определено, но во многих публикациях оперативно указывается, что эта доза в пределах <100— 200 мГр. В докладе ВЕ1Я VII (Национальной Академии наук США) малая доза ИИ определена как доза не более 100 мЗв [1]. Скорее всего, такие дозы (не более 100 мЗв) можно рассматривать как "малые дозы". Кстати, 100 мЗв примерно в 100 раз превышает усредненный годовой природный фон по земному шару (~1.0 мГр) ИИ с низкой линейной передачей энергии (ЛПЭ).
Настоящая работа посвящена анализу исследований по развитию клеточного ответа на критические повреждения ДНК, индуцируемые ионизирующими излучениями, и выяснению механизмов, ограничивающих эффективность репарации клеток от таких повреждений после воздействия радиации в малых дозах.
Однако такой анализ прежде всего требует выяснения специфических различий между повреждениями ДНК, индуцируемыми ИИ и возникающими эндогенно (спонтанно).
ЭНДОГЕННЫЕ И РАДИАЦИОННЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ ДНК
Эндогенные повреждения ДНК постоянно возникают в клетках. Так, по данным Линдаля [4], в ДНК одной клетки в течение одних суток могут возникать около 50000 однонитевых разрывов (ОНР), 10000 участков лишенных оснований — апуриновых и апиримидиновых сайтов (АП-сай-тов), 2000 окислительных повреждений, 5000 ал-килированных повреждений, 10 двунитевых разрывов (ДНР) и 10 межнитевых поперечных сшивок (МПС).
Эти повреждения в ДНК возникают в результате гидролитических реакций, воздействия активных форм кислорода (АФК) и других реактивных метаболитов [4, 5]. АФК вызывают в ДНК модификации оснований, ОНР, АП-сайты, ДНР в результате близкого совпадения ОНР [5, 6]. АФК вызывают повреждения не только в ДНК, но и в липидах и других внутриклеточных молекулах. При этом продукты окисления липидов: ма-лондиальдегид (МДА), кротональдегид, акролеин, 4-гидроксиноненал могут взаимодействовать с ДНК с формированием в ней повреждений. Так, МДА вызывает в ДНК образование МПС [7].
Помимо АФК клетки содержат и другие реактивные молекулы, которые могут повреждать ДНК. Наиболее значимый из них S-аденозилме-тионин ^АМ). Этот донор метильной группы в ферментном метилировании ДНК играет роль в регуляции экспрессии генов. Однако SАМ может осуществлять и неэнзиматическое метилирование ДНК в значительных количествах с образованием таких мутагенных аддуктов оснований как 7-метилгуанин, 3-метиладенин и 06-метилгуа-
нин в клетках млекопитающих [8]. Другими эндогенными неэнзиматическими метилирующими агентами являются бетаин и холин.
Эндогенные гидролитические повреждения ДНК в клетках возникают за счет нестабильности гликозидной связи между основаниями и дезок-сирибозой. Эта связь разрывается при повышении температуры, алкилировании оснований или в результате действия ферментов ДНК-^глико-силаз. Разрыв ^гликозидной связи приводит к возникновению в ДНК участковАП-сайтов [4, 8]. Основания в ДНК подвержены также и гидролитическому дезаминированию. Эти события более активно происходят в однонитевой ДНК, чем в двунитевой. В значительной мере дезаминирова-нию подвержены цитозин и его гомолог 5-метил-цитозин. Примерно 100—500 цитозинов в составе ДНК клетки за сутки подвергаются дезаминиро-ванию и превращаются в урацилы [8].
Эндогенные повреждения ДНК типа ДНР и МПС, хотя возникают и в незначительных количествах, примерно по 10 за сутки на геном клетки, именно они являются наиболее критическими для судьбы клетки по сравнению с другими многочисленными повреждениями [9, 10]. Эндогенные ДНР ДНК могут возникать не только в результате действия АФК, но и в связи с запрограммированными перестройками генома, такими, как V(D)J рекомбинации (в лимфоидных клетках иммунной системы) или мейотической рекомбинации, укорочения теломеров в процессах транскрипции, репликации, а также в результате случайного действия ферментов метаболизма ДНК
[9].
Накопление эндогенных повреждений в ДНК не происходит, поскольку в клетках постоянно функционируют механизмы репарации, специфически ориентированные на удаление различных типов повреждений [6]. От большинства этих повреждений клетки репарируются преимущественно механизмами эксцизионной репарации оснований (ЭРО) до начала репликации ДНК [3, 6]. Аддукты неэнзиматического метилирования также могут быть удалены с помощью системы ЭРО, за исключением О6-метилгуанина. Последний удаляется из ДНК путем вырезания метиль-ной группы от гуанина 06-метилгуанин-ДНК ме-тилтрансферазой [6].
Таким образом, постоянное возникновение эндогенных повреждений ДНК предполагает, что для сохранения стабильности генома и долгосрочной жизнеспособности в клетках должны функционировать репарационные системы по удалению этих повреждений с максимальной точностью и эффективностью.
После такого заключения возникают два вопроса. Первый: чем отличаются эндогенные повреждения ДНК от повреждений, индуцируемых ИИ? Второй: если в клетках постоянно репариру-
ется столь значительное количество эндогенных повреждений ДНК, то могут ли стать "перегрузкой" для репарационных систем клетки дополнительные повреждения, индуцируемые ИИ в малых дозах? Рассмотрим оба вопроса.
ИИ вызывает множество повреждений ДНК различной химической природы в результате непосредственной ионизацией молекул ДНК или косвенно посредством образования свободных радикалов — продуктов радиолиза воды и других внутриклеточных соединений. В итоге в клеточной ДНК возникают разнообразные одиночные повреждения: модификации оснований, ОНР, АП-сайты, ДНК-белковые сшивки, а также сложные повреждения, такие, как ДНР, МПС, деструкция репликационной вилки и участки с длинными однонитевыми пробелами [6, 11—13].
Главное отличие повреждений ДНК, индуцируемых ИИ от эндогенных повреждений, — это сложность их химической природы и кластеризация. А также
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.