РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2009, том 49, № 1, с. 46-54
АДАПТИВНЫЙ ОТВЕТ
УДК 614.876:595.773.4:575.224.46:577.21:576.321.36
РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННЫЙ ГОРМЕЗИС, ГИПЕРЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И АДАПТИВНЫЙ ОТВЕТ У Drosophila melanogaster РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ
© 2009 г. М. В. Шапошников*, Е. В. Турышева, А. А. Москалёв
Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар, Россия
Исследовали индукцию адаптивного ответа после хронического облучения в малой дозе у дрозофил (Drosophila melanogaster) дикого типа (Oregon-R), а также линий с мутациями генов, участвующих в репарации ДНК (mei-41, mus209, mus210, mus309 и rad54), контроле клеточного цикла (mei-41) и обезвреживании свободных радикалов (sod). Радиочувствительность оценивали по длительности личиночной стадии развития, смертности куколок и массе тела имаго. При остром облучении в большой дозе (30 Гр, 0.05 Гр/с) наблюдали увеличение времени развития личинок и повышенную смертность куколок у дрозофил всех исследованных линий. Хроническое облучение в малой дозе (20 сГр, 2.5 мГр/ч) приводило к гормезису и адаптивному ответу, проявлявшимся в уменьшении продолжительности личиночной стадии у дрозофил линий Oregon-R и mus209. У личинок дрозофил линий sod и rad54 и куколок линий rad54 и mei-41 наблюдали гиперчувствительность к хроническому облучению, проявлявшуюся в увеличении продолжительности личиночной стадии после облучения в дозе 20 сГр (2.5 мГр/ч) и смертности куколок - в дозе 40 сГр (2.5 мГр/ч). Адаптивный ответ отсутствовал у личинок дрозофил линий, гиперчувствительных к облучению в малых дозах, а также у куколок всех исследованных линий. Облучение в дозах 6 и 60 сГр при мощности 0.25 и 2.5 мГр/ч приводило к эффекту гормезиса (увеличению массы тела) у имаго дрозофил дикого типа Canton-S. Полученные данные свидетельствуют о том, что реакция на облучение целого организма определяется молекулярными механизмами ответа клеток на облучение. В основе радиационно-индуцированной гиперчувствительности, адаптивного ответа и гормезиса, по-видимому, лежат общие механизмы, связанные с репарацией ДНК, контролем клеточного цикла и обезвреживанием свободных радикалов. Возможность наблюдения адаптивного ответа зависит от выбора исследуемого показателя и стадии развития дрозофилы.
Дрозофила, ионизирующие излучения, малые дозы, адаптивный ответ, гормезис, предимагиналь-ное развитие, репарация ДНК.
Воздействие ионизирующей радиацией в малых дозах (<20 сГр для излучений с низкой линейной передачей энергии) индуцирует широкий спектр радиобиологических эффектов: гормезис [1], адаптивный ответ [2] и гиперрадиочувствительность [3].
Радиационный гормезис представляет собой тип ответа на облучение, при котором воздействие в малых дозах сопровождается стимулирующими ("благоприятными") эффектами в отличие от облучения в больших дозах, оказывающих угнетающее действие [4]. "Благоприятные" эффекты заключаются в увеличении скорости роста и плодовитости, в устойчивости к последующему стрессу [5]. Эффект гормезиса может вызываться хроническим облучением в дозах, в 100 раз превышающих средние фоновые значения [6].
*Адресат для корреспонденции: 167982 Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28, Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар; тел.: (8212) 430-6-50 факс: (8212) 24-0163; e-mail: mshaposhnikov@mail.ru.
Адаптивный ответ проявляется в снижении чувствительности клеток к облучению в высокой (повреждающей) дозе после предварительного облучения в малой (адаптирующей) дозе [2]. Адаптивный ответ наблюдается не только в экспериментах in vitro, но и in vivo. Например, хроническое облучение кроликов в дозах 2-100 мГр (50 мГр/мин) приводит к увеличению устойчивости к острому облучению в дозах 0.65 или 0.75 Гр (0.44 Гр/мин) клеток костного мозга и спермато-цитов этих животных [7]. У дрозофилы предоблу-чение самок в дозе 2 сГр приводит к снижению уровня индукции доминантных летальных мутаций при последующем облучении в дозе 2 Гр [8]. Адаптивный ответ отмечен на примере развития радиоустойчивости целого многоклеточного организма. Так, предварительное облучение мышей в дозе 0.05 Гр за 2-2.5 мес приводило к значительному увеличению доли выживших самцов и самок после повторного облучения в полулетальной дозе 7.5-8 Гр [9].
Еще одно явление, обнаруживаемое при воздействии ионизирующей радиации в диапазоне малых доз - гиперрадиочувствительность, которая проявляется в относительном увеличении клональной смертности клеток в культуре при снижении дозы однократного облучения [10]. Явление гиперчувствительности к воздействию радиации в малых дозах было отмечено и в исследованиях in vivo. Например, облучение мышей в малых дозах более эффективно повреждает функцию почек этих животных, чем это можно ожидать, исходя из линейно-квадратичной модели зависимости эффекта от дозы [11]. Как правило, гиперчувствительность наблюдают при облучении в дозах 10-40 сГр [12].
В последнее время благодаря исследованиям, выполненным на клеточных культурах in vitro, достигнут большой прогресс в понимании молекулярных механизмов эффектов облучения в малых дозах. Показано, что в формировании этих эффектов участвуют такие механизмы стресс-ответа клетки, как репарация ДНК [13], контроль клеточного цикла [14], защита от свободных радикалов [15]. Вполне вероятно, что явления гиперчувствительности, адаптивного ответа и гор-мезиса могут иметь общие молекулярные механизмы. Например, облучение клеток в дозе 30 сГр (адаптирующее воздействие) приводит к отсутствию в течение нескольких часов гиперчувствительности к последующему облучению [16]. Однако вклад молекулярных механизмов, наблюдаемых в опытах in vitro, в эффекты на уровне целого организма in vivo остается слабо изученным.
Исследования в этой области крайне немногочисленны. На нематоде Caenorhabditis elegans выявлено, что воздействие кислорода в высоких концентрациях вызывает защитный эффект от летального действия рентгеновского излучения у особей дикого типа. Однако у мутантов rad-1 и rad-2, обладающих повышенной чувствительностью к УФ-излучению и ионизирующей радиации, адаптивный ответ не индуцируется. С помощью нозерн-блоттинга было выяснено, что формирование адаптивного ответа у нематод дикого типа может быть обусловлено существенным усилением экспрессии генов белков теплового шока hsp16-1 и hsp16-48 [17]. Нашим коллективом в экспериментах на дрозофиле выявлена роль фактора теплового шока HSF и белков теплового шока 22 и 70 в механизмах радиационно-индуцированного адаптивного ответа на уровне целого организма, для интегрального показателя жизнеспособности - продолжительности жизни [18]. Высказано предположение, что в основе эффекта гормезиса по продолжительности жизни может лежать радиационно-индуцированная элиминация клеток с ослабленными защитными механизмами, которые обладают высокими темпа-
ми старения [19]. Показано, что увеличение продолжительности жизни в поколениях хронически облучаемых изогенных линий дрозофилы может быть обусловлено положительным вкладом ра-диационно-индуцированного увеличения генетической изменчивости, снимающего инбридинго-вую депрессию [20].
Радиобиологические исследования с использованием классического модельного объекта Drosophila melanogaster имеют почти вековую историю, и многие эффекты облучения изначально были выявлены на уровне этого организма. На сегодняшний день доступны мутантные линии дрозофилы, имеющие нарушения практически всех звеньев молекулярного и клеточного ответа на облучение. Эксперименты с облучением дрозофил таких линий позволяют оценивать взаимосвязь между клеточными механизмами радиочувствительности и эффектами, наблюдаемыми при облучении на уровне целого организма. Изучение же эффектов на организменном уровне помогает оценивать влияние облучения в малых дозах с практической точки зрения - на качество жизни, что невозможно при исследованиях на клеточном и молекулярном уровнях.
Цель настоящей работы заключалась в исследовании роли молекулярных и клеточных механизмов ответа на повреждение ДНК в определении радиобиологической реакции Drosophila melanogaster на уровне целого организма (длительность личиночной стадии развития, смертность куколок и масса тела имаго).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
Линии Drosophila melanogaster. В работе использованы лабораторные линии Drosophila melanogaster дикого типа Canton-S (сокращенно CS) и Oregon-R (OR), а также мутантные линии mei-41, mus209, mus210, mus309, rad54, sod дрозофилы, любезно предоставленные коллекцией Центра дрозофил в Блумингтоне (Университет штата Индиана, Блумингтон, США).
mei-41 (генотип: mei-41D5 w1/mei-41D5 w1) - линия, имеющая мутацию в гене mei-41 (аллель D5) -гомологе гена ATM/ATR млекопитающих. Основная функция белка Mei-41, по-видимому, заключается в детекции повреждений ДНК. В связи с нарушением данной функции мутация mei-41D5 обусловливает нарушение репарации двунитевых разрывов ДНК по механизму отжига однонитие-вой ДНК и нарушение контрольной точки G2/M клеточного цикла [21].
mus209 (генотип: mus209B1 b pr cn/CyO) - линия имеет дефект гена mus209, кодирующего белок DmPCNA1, гомологичный белку PCNA млекопитающих. DmPCNA1 участвует в эксцизионной ре-
парации оснований и репарации двунитевых разрывов ДНК [22, 23].
mus210 (генотип: mus210G1/Cyü) - линия, несущая дефектную копию гена mus210 (аллель G1), кодирующего белок, гомологичный белкам RAD4 дрожжей и XPC млекопитающих, который связывается с поврежденным участком ДНК и инициирует эксцизионную репарацию нуклеоти-дов [24].
mus309 (генотип: mus309D3, ry/CyO) - радиочувствительная линия, имеющая дефект гена mus309/DmBLM, кодирующего гомолог RecQ-ге-ликазы синдрома Блума. Белок Mus309/DmBLM участвует в репарации двунитевых разрывов ДНК по механизму зависимого от синтеза отжига ДНК [25].
rad54 (генотип: okrA17-11 cn bw/CyO) - радиочувствительная линия, имеющая дефект гена okr, или rad54 (АТФ-зависимой ДНК-геликазы, участвующей в репарации двунитевых разрывов ДНК по механизму гомологичной рекомбинации) [26].
sod (генотип: Sodnl red1/TM3, Sb1 Ser1) - линия, гетерозиготная по мутации с потерей функции гена цитоплазматичес
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.