РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2011, том 51, № 2, с. 218-228
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ МАЛЫХ ДОЗ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ
УДК [57+61]::539.1.04:57.113:577.123.8
ВЛИЯНИЕ МАЛЫХ ДОЗ НИЗКОИНТЕНСИВНОЙ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ НА СТРУКТУРУ И ФУНКЦИИ ДНК
© 2011 г. Г. П. Жижина*
Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Москва
Хроническое действие малых доз ионизирующей радиации (ИР) низкой интенсивности на биологические объекты приобрело в настоящее время большую социальную значимость. Это придало значительный импульс научным исследованиям биологических эффектов и механизмов такого воздействия как в России, так и за рубежом. Настоящая работа посвящена обзору физико-химических и молекулярных основ влияния ИР в малых дозах и способов защиты клеток от радиационных повреждений, а также анализу особенностей и различий действия радиации в малых и больших дозах. Рассматриваются радиационные повреждения ДНК в культурах клеток и в живом организме, процессы и результаты их репарации. Особое внимание уделяется изменениям основных парадигм радиационной биологии.
Ионизирующаярадиация, малые дозы, интенсивность, биологические эффекты, ДНК, повреждение, репарация.
В радиобиологии последние два десятилетия активно развивается область исследований малых доз радиации низкой интенсивности — молекулярных механизмов, биологических эффектов и отдаленных последствий таких воздействий радиации. Эта проблема стала особенно актуальной после чернобыльских событий 1986 г.
Малая доза — это доза, поглощенная заданной мишенью (клеткой или ее ядром) в результате пролета через них одной частицы (кванта) излучения [1]. В результате облучения образуются свободные радикалы молекул воды и молекулярных компонентов клеток (ядер). Диапазоном малых доз в настоящее время принято считать интервал, промежуточный между величинами естественного радиационного фона (ЕРФ) ~0.01 мЗв/сут и областью доз >50 сГр. Дневная доза ЕРФ повреждает около 1% из 1011 клеток человеческого организма [2]. Биологические эффекты действия ИР в малыхдозах имеют стохастический характер, в то время как эффекты больших доз являются детерминированными.
Исследования показали, что действие радиации в малых дозах на геном и мембраны клеток приводит к изменению метаболической активности клеток, их движения по циклу, экспрессии различных генов, к индукции апоптоза, повреждениям генома и мембран. Зависимости доза-эффект в этом случае по многим показателям разного уровня имеют нелинейный вид: немонотонный полимодальный характер и масштаб изменений показателей метаболизма или структурных характеристик макромолекул, сравнимый с мас-
* Адресат для корреспонденции: 119334 Москва, Ин-т биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН; тел.: (495) 939-74-64; e-mail: zhizhina@sky.chph.ras.ru.
штабом изменений, вызванных облучением в дозах выше на порядок и более. Так, при изучении инверсии встроенных генов в хромосомах клеток селезенки мышей линии К2 обнаружено, что равные по величине эффекты получаются при облучении в дозах порядка микрозиверта и десятка миллизивертов [3]. Это позволяет предполагать, что не существует безопасных на молекулярном уровне доз радиации.
Основными результатами повреждающего действия ИР в малых дозах на геном клеток считаются двунитевые разрывы (ДР) и однонитевые разрывы (ОР), модификация оснований (повреждение или отщепление), кластерные повреждения нитей ДНК, ее конформационные модификации, изменения активности генов и активация репаративных процессов. Эти результаты, полученные на культурах клеток и реже при облучении животных, освещены в ряде научных публикаций, начиная с 1990-х годов.
В Институте биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН уже более 15 лет проводятся исследования физико-химического и биологического действия малых доз низкоинтенсивной радиации. В этих работах показано, что облучение мышей-гибридов F1(CBA х С57В1) у-радиацией низкой интенсивности в интервале доз 0.06 сГр — 60 сГр индуцирует изменения биофизических свойств мембран (микровязкости) и ДНК селезенки (адсорбции на НЦ фильтрах), а также анти-оксидантного (АО) статуса животных [4]. Показано, что адсорбция ДНК на нитроцеллюлозных (НЦ) фильтрах, зависящая по величине от конденсации хроматина в клетках, имеет экстремальную зависимость в интервале доз излучения 60Со
0.06-0.54 сГр (0.06 сГр/сут), 0.6-5.4 сГр (0.6сГр/сут) и 6-48 сГр (6.0 сГр/сут). Величина эффекта на дозу 1 сГр обратно пропорциональна мощности дозы. Положение максимума каждой из этих кривых соответствует 0.25; 1.2 и 6.0 сГр (рис. 1) [5]. Наличие максимума на дозовых кривых может быть связано с активацией процессов репарации ДНК во время продолжительного облучения животных. Например, эффект 30%-ной репарации ДНК от ДР в процессе облучения с интенсивностью 5 сГр/мин был обнаружен в клетках хомячка СНО-К1 [6]. После облучения количественный уровень адсорбции ДНК изменялся нелинейно и даже через месяц не возвращался к исходному значению [7].
Использование метода измерения временной зависимости вязкости хроматина в облученных низкоинтенсивной у-радиацией в дозах 0.550 сГр и лизированных клетках (спленоцитах мышей, тимоцитах крыс и фибробластах человека) позволило выявить и-образную дозовую зависимость этого параметра с минимальным значением при 2-4 сГр и значительной релаксацией петель хроматина [8].
Сравнивая дозовые зависимости адсорбции ДНК и вязкости хроматина, повышение количественного уровня адсорбции ДНК селезенки при облучении мышей в дозах 0.6-6.0 сГр можно объяснить деконденсацией хроматина в результате разрывов ДНК, а также изменением функционального состояния и регуляторных механизмов ответа клеток на радиационное воздействие. С этим предположением согласуются результаты рестрикционного анализа с помощью эндонукле-азы EcoRI тех же препаратов ДНК селезенки мышей-гибридов F1(CBA х С57В1), облученных в дозах 0.6-5.4 сГр [14]. Обнаружено дозово-зави-симое изменение относительного содержания интерсперсных повторов МШ-1, имеющее максимум при дозе 2.4 сГр. Относительное содержание повтора МШ-1 соответствовало исходному уровню после облучения мышей в дозе 5.4 сГр. Все приведенные результаты свидетельствуют об изменении топологии ДНК при облучении в малых дозах, о структурной перестройке генома, о репарации ДНК в реакции клеточного ответа на воздействие ИР.
Радиационную индукцию однонитевых разрывов (ОР) ДНК изучали методом ДНК-комет в селезенке, семенниках и костном мозге при хроническом воздействии у-излучения на мышей в диапазоне доз 5-50 сГр (острое) или 63 сГр (хроническое в течение одного года). При остром облучении дозовая зависимость среднего индекса ДНК-комет лимфоцитов селезенки линейно зависела от дозы [9]. При хроническом низкоинтенсивном облучении (0.17 сГр/сут) значения этого параметра в интервале доз 20-60 сГр не-
Связывание ДНК с НЦ-фильтрами, отн. ед.
Время, сут
Рис. 1. Дозовые зависимости изменения адсорбции на нитроцеллюлозных фильтрах ДНК из селезенки мышей, подвергнутых воздействию у-излучения с интенсивностью 0.06 (1); 0.6 (2) и 6.0 сГр/сут (3) [5].
сколько возрастали, соответствуя эффекту острого облучения в дозе 10-15 сГр. Достоверное увеличение индекса ДНК-комет наблюдалось на 120-е сут облучения и оставалось приблизительно постоянным при увеличении срока облучения до года. [10]. Учитывая, что при данной мощности дозы в клетке должны образоваться ~2 ОР на фоне ~105 спонтанных метаболических разрывов, авторы объясняют полученные результаты неслучайным распределением ОР по хроматину клетки, их локализацией по сайтам с повышенной чувствительностью к радиационному повреждению и пониженной эффективностью репарации. Неслучайное распределение повреждений ДНК, связанное с микрогетерогенностью структуры хроматина, преимущественно по сайтам присоединения петель хроматина к ядерному матриксу, показано в работе [11].
Двунитевые разрывы (ДР) ДНК считаются наиболее важными первичными радиационными повреждениями структуры ДНК, поскольку му-тантные клетки млекопитающих, дефектные по репарации ДР, особенно чувствительны к воздействию ИР. Существует корреляция между количеством ДР ДНК, индуцированных радиацией с низкой ЛПЭ, и летальностью клеток млекопитающих [12]. Для ряда линий мышей, подвергнутых воздействию у-лучей 60Со или рентгеновских лучей в малых дозах обнаружена корреляция относительного количества индуцированных ДР ДНК селезенки с радиочувствительностью этих линий [13]. Двунитевые разрывы ДНК выявлены методом импульсного гель-электрофореза при низко-
Доза, Гр
Рис. 2. Дозовая зависимость количества ДР ДНК на клетку линии MRC-5, измеренного с помощью иммунофлуоресцентной методики выявления локу-сов уН2АХ (кружки) или методом импульсного электрофореза (треугольники) [20].
дозовом облучении клеток животных и человека [8].
После разработки в 2003 г. очень чувствительного метода определения ДР в клетках, основанного на специфическом фосфорилировании ги-стона Н2АХ на концах нитей ДНК по местам ДР [15], в литературе появились данные о радиационной индукции ДР ДНК в лимфоцитах крови людей при воздействии излучений в сверхмалых дозах (0.2—0.5 мГр) при диагностическом обследовании методом компьютерной томографии [16] или ангиографическом обследовании детей [17].
В этом методе обнаружения ДР ДНК при столь низких дозах облучения в ядрах лимфоцитов используются флуоресцентные антитела к гистонам уН2АХ, локализованным на концах нитей ДНК по местам двунитевых разрывов [15]. Согласно данным [18], полученным как этим методом, так и с помощью импульсного электрофореза, в фиб-робластах человека зависимость количества индуцированных ДР от дозы облучения в интервале 2 мГр—0.2 Гр линейна (рис. 2) с наклоном 35 ДР/(Гр клетка). Для сравнения напомним, что уровень спонтанного метаболического образования ДР в живых клетках составляет 1 ДР на 108 пар нуклеотидов (п.н.) при естественном уровне радиации, равном 0.2 мЗв/год [18]. Учитывая все возможные природные источники радиации, в том числе излучение радона (1.3 мЗв/год), космоса и эндогенную активность изотопов в теле человека, Яворовски З. [20] приводит более высок
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.