научная статья по теме НИЗКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕПАРАЦИИ КРИТИЧЕСКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ДНК, ВЫЗЫВАЕМЫХ МАЛЫМИ ДОЗАМИ РАДИАЦИИ Биология

Текст научной статьи на тему «НИЗКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕПАРАЦИИ КРИТИЧЕСКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ДНК, ВЫЗЫВАЕМЫХ МАЛЫМИ ДОЗАМИ РАДИАЦИИ»

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»