МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
Учреждение образования
«Международный государственный экологический институт имени А.Д. Сахарова»
Белорусского государственного университета
ФАКУЛЬТЕТ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ МЕДИЦИНЫ
КАФЕДРА ИММУНОЛОГИИ
Радиационная генетика
Контрольная работа
Вопрос номер 24
Специальность 1-33 01 05 Медицинская экология
Исполнитель:
Студентка 4 курса гр А82МЕЭ2
Заочной формы обучения _________ Панова Анжелика Олеговна
Номер зачетной книжки 1849296
МИНСК 2021
Модификация радиоадаптивного ответа
Адаптивный ответ – защитная реакция биологических объектов при воздействии на них повреждающего фактора в незначительных дозах или концентрациях. В этом случае возникает резистентность к повторному воздействию, но уже в высокой повреждающей дозе. Таким способом, как правило, и выявляют наличие адаптивного ответа. Адаптивная реакция прослеживается по всем общепринятым критериям оценки повреждаемости генетического аппарата клеток, таким как образование хромосомных аберраций, генных мутаций, микроядер и т. д. По сложившейся к настоящему времени терминологии первую незначительную дозу, стимулирующую развитие адаптивного ответа, принято называть адаптирующей. Высокую дозу, используемую при повторном воздействии, называют повреждающей, выявляющей или разрешающей. В англоязычной литературе принято обозначать адаптирующее воздействие «conditiong dose», а повреждающее «challenging dose».
Специфичной особенностью радиационно индуцированного адаптивного ответа (РАО) является значительная, порой более чем на несколько порядков разница в величинах адаптирующего и повреждающего воздействия. Зачастую, первая доза не вызывает регистрируемых нарушений, но при дополнительном облучении высокой дозой наблюдается значительное снижение выхода радиогенетических повреждений, по сравнению с однократным острым облучением суммарной дозой. Еще одной характерной особенностью является неспецифичность в отношении характера адаптирующего воздействия. Реакция АО может развиваться как под действием малых доз радиации, так и в результате теплового шока, действия химических мутагенов и др. Причем, защитный эффект прослеживается и при использовании в адаптирующем и повреждающем качестве разнородных факторов.
Таким образом, можно сделать предположение, что адаптивный ответ это специфическая общая реакция клеток, возникающая в ответ на незначительное повреждающее воздействие стресорного типа. Биохимическая природа адаптивного ответа до сих пор окончательно не ясна, но большинство исследователей предполагают участие в реакции АО группы белков с репаративными функциями.
Впервые адаптивный ответ был показан в 1977 году в экспериментах Сэмсона и Кэрнса по изучению влияния алкилирующих соединений на клетки E. coli. [ 1 Samson L., Cairns J. // Nature. 1977. V. 267. № 5608. P. 281-283]. Произведя оценку по критериям выживаемости и выхода мутаций, авторы показали, что инкубация бактерий в среде с внесенным в концентрации 1 мкг./мл. Nметил-N-нитро-N-нитрозогуанидином формирует резистентность к повторному воздействию этого мутагена в концентрации 100 мкг./мл. При пересадке обработанных малой дозой мутагена бактерий на чистую среду, устойчивость к большой концентрации сохранялась на протяжении четырех часов культивирования. Также было отмечено, что ингибитор белкового синтеза хлорамфеникол снимает проявление защитной реакции. Эта закономерность указывала на связь реакции АО с функционированием генов, обеспечивающих экспрессию соответствующих белковых продуктов.
Дальнейшие исследования на прокариотах показали активацию репарационной системы при формировании адаптивного ответа. При изучении АО, возникающего под действием предобработки малыми концентрациями алкилирующих соединений, были определены ответственные за реакцию гены. По некоторым генам удалось провести секвенирование и установить первичную структуру белковых продуктов. Следует отметить что синтез соответствующих ферментов не был связан с известными системами репарации. [2-4][ Газиев А.И. // Радиобиология. 1986. Т. 26. Выпуск 4. С. 447-452.][Volkert M.R. // Environ. Mol. Mutagen. 1988. V. 11. №2. P. 241-255.][Lindahl T. // Ann. Rev. Biochem. 1988. V. 57. P. 133-157]
Существование адаптивного ответа в клетках млекопитающих было показано в начале 80-ых годов. В опытах [5][Samson L., Schwartz J.L. // Nature. 1980. V. 287. №5785 P. 133-157] анализировали изменение частоты сестринских хроматидных обменов и выживаемости при обработке алкилирующими соединениями клеток СНО и фибробластов кожи человека, трансформированных вирусом SV 40. Разница между адаптирующей и повреждающей концентрациями достигала 100 раз. Авторы показали наличие адаптивного ответа и зависимость реакции от соблюдения определенного временного интервала, не более 2-6 часов. В работе [6][Riger R., Michaelis A., Nicoloff H. // Mutat. Res. 1984. V. 140. №2/3. P. 99-102.] показано, что в присутствии ингибиторов белкового синтеза, в частности циклогексамида, адаптивный ответ в клетках животных не проявляется. АО в клетках животных и человека под действием химических мутагенов показан по критериям выживаемости, снижения частоты генных мутаций, аберраций хромосом в работах [8,9] [Kaina B. // Mutat. Res. 1982. V. 93. №1. P. 195- 211.] [Sanderson B.J., Morley A.A. // Mutat. Res. 1986. V. 164. №6. P. 347-351].
Хотя механизм адаптивного ответа в клетках животных изучен пока недостаточно, предполагается важная роль ферментов репарации [10,11][Montesano R., Bresil H., Margison G.P. // Cans. Res. 1979. V. 39. №5. P. 1798-1802.] [Lefebre P., Laval F. // Cans. Res. 1986. V. 46. №10. P. 5701-5705].
В растительных клетках адаптивный ответ был показан при изучении влияния кластогенных соединений [12][Riger R., Michaelis A., Nicoloff H. // Biol. Ztbl. 1982. V. 101. №1. P. 125-138.]
Обобщая вышеизложенное, можно отметить, что к первой половине 80- ых годов адаптивный ответ под действием химических мутагенов был показан на клетках прокариот, животных и растений по большинству важнейших критериев оценки повреждаемости генетического аппарата.
Адаптивный ответ при действии ионизирующей радиации был показан Оливьери с соавторами в 1984 году. Адаптирующее воздействие производили путем инкубации лимфоцитов в присутствии 3Н-тимидина (0,01-0,1 мк Ки/мл.). Повреждающая доза составила 1,5 Гр. Анализ проводился по частоте выхода хромосомных аберраций. В случае фракционированного облучения эффект оказался гораздо ниже, чем однократное облучение соответствующей суммарной дозой. [13][Olivieri C., Bodycote J., Wolff S. // Science. 1984. V. 223. №4636. P. 594-597]. Полученный эффект был аналогичен выявленному ранее при помощи химических мутагенов адаптивному ответу на клетках животных, бактерий и растений.
Существование радиоадаптивного ответа было подтверждено на лимфоцитах человека по частоте возникновения различных перестроек хромосом [13- 16][ Olivieri C., Bodycote J., Wolff S. // Science. 1984. V. 223. №4636. P. 594- 597][Shadley J.D., Afzal V., Wolff S. // Radiat. Res. 1987. V. 111. №3. P. 511-517] [ Wolff S., Afzal V., Wiencke J.K. et al. // Int. J. Radiat. Biol. 1988. V. 53. №1. P. 39- 48][ Shadley J.S., Wiencke J.K. // Int. J. Radiat. Biol. 1989. V. 56. №1. P. 107-118], в микроядерном тесте [17,18][Ikushima T. // Mutat. Res. 1987. V. 180. №2. P. 215- 221][Ikushima T. // Mutat. Res. 1989. V. 227. №2. P. 241-246], по выходу генных мутатций.[9][Sanderson B.J., Morley A.A. // Mutat. Res. 1986. V. 164. №6. P. 347- 351]. Как правило, при одновременной оценке радиоадаптивного ответа по нескольким критериям на одном объекте, эффекты корелировали.
Помимо лимфоцитов человека радиоадаптивный ответ был обнаружен и на других клетках животных: на сперматоцитах и костном мозге мышей[19] [Cai L., Liu S-Z. // Int. J. Radiat. Biol. 1990. V. 58. №1. P. 187-194], в клетках китайского хомячка V-79 [17,18][Ikushima T. // Mutat. Res. 1987. V. 180. №2. P. 215-221][Ikushima T. // Mutat. Res. 1989. V. 227. №2. P. 241-246], на лимфоцитах кролика [19] [Cai L., Liu S-Z. // Int. J. Radiat. Biol. 1990. V. 58. №1. P. 187-194].
На сперматоцитах мышей и клетках костного мозга радиоадаптивный ответ показан в интервале адаптирующих доз от 10 до 100 мГр. (1-10 Р.) при промежутке между адаптирующей и повреждающей дозой 2,5-3 часа [19] [Cai L., Liu S-Z. // Int. J. Radiat. Biol. 1990. V. 58. №1. P. 187-194].
На растительных объектах радиоадаптивный ответ был показан в работах [20,21] [Heindorff K., Riger R., Michaelis A., Takehisa S. // Mutat. Res. V. 190. №1. P. 131-135.] [Cortes F., Dominguez L., Mateos S et al. // Int. J. Radiat. Biol. 1990. V. 57. №3. P. 537-541].
Степень проявления радиоадаптивного ответа существенно зависит от величены адаптирующей дозы. Так в работе [18] [Ikushima T. // Mutat. Res. 1989. V. 227. №2. P. 241-246] на клетках китайского хомячка V-79 по микроядерному тесту показано, что при использовании для предварительной обработки 3H-тимидина зависимость РАО от величины адаптирующей дозы может быть описана кривой, приближающейся к точке максимума и затем убывающей.
По данным [19] [Cai L., Liu S-Z. // Int. J. Radiat. Biol. 1990. V. 58. №1. P. 187-194] зависимость величины радиоадаптивного ответа от дозы предварительного облучения в клетках костного мозга мышей может быть представлена в виде прямой [рисунок].
Наличие оптимальной адаптирующей дозы, превышение которой уменьшает проявление радиоадаптивного ответа, отмечено в работах [13] [ Olivieri C., Bodycote J., Wolff S. // Science. 1984. V. 223. №4636. P. 594-597] [22] [Wiencke J.K., Afzal V., Olivieri G., Wolff S. // Mutagenesis. 1986. V. 1. №2. P. 375-380].
В работе [16] [ Shadley J.S., Wiencke J.K. // Int. J. Radiat. Biol. 1989. V. 56. №1. P. 107-118] анализировалась зависимость выхода хромосомных аберраций в лимфоцитах человека от мощности дозы. Показано отсутствие влияния изменения мощности повреждающей дозы. Что касается адаптирующего воздействия, то пои величине предварительного воздействия 0,5 Гр. радиоадаптивный ответ был наиболее выражен при мощности дозы 0,005 Гр/мин, а при дальнейшем увеличении мощности постепенно снижался вплоть до полного снятия радиоадаптивного ответа при мощности дозы 0,05 Гр/мин. [график]. При использовании адаптирующей дозы 0,1 Гр. наблюдалась другая зависимость. Радиоадаптивный ответ был слабо выражен при низкой мощности, но увеличивался при ее повышении [график]. Таким образом, можно сделать вывод, что для оптимального проявления радиоадаптивного ответа наиболее эффективно при адаптирующем облучении относительно высокими дозами использовать низкую мощность, а при воздействии более высокой адаптирующей дозы – низкую мощность.
К этому же заключению пришли в работе [14] [Shadley J.D., Afzal V., Wolff S. // Radiat. Res. 1987. V. 111. №3. P. 511-517], при изучении радиоадаптивного ответа по выходу структурных повреждений хромосом в лимфоцитах здоровых и больных атаксией телеангиэктазией людей. В этой же работе отмечено, что наиболее оптимальный промежуток времени между двумя облучениями составляет 5-6 часов. При уменьшении времени между облучениями происходит снижение выраженности радиоадаптивного ответа. Что касается сдвига в сторону увеличения времени между облучениями, то здесь показано сохранение способности клеток к радиоадаптивному ответу в течении десятков и более часов.
В ряде работ показано, что степень выраженности радиоадаптивного ответа может сильно колебаться у отдельных индивидуумов. Так по данным [24] [Bosi A., Olivieri G. // Mutat. Res. 1989. V. 211. №1. P. 13-17] на лимфоцитах некоторых здоровых людей радиоадаптивный ответ вообще не регистрировался. Такие же результаты получены в работе [25] [Bauchinger M., Schmid E., Braselmann H., Nahrstedt U. // Mutat. Res. 1989. V. 227. №1. P. 103-107]
Что касается механизмов развития адаптивного ответа, то до настоящего времени в этом вопросе нет окончательной ясности. В работе [27] [Wolff S., Wiencke J.K., Afzal V. et al // Low Dose Radiation Biology: Bases Data on Risk Assessment. London, 1989. P. 446-454] показано, что формирование адаптивного ответа коррелирует с появлением в клетке новых белков. В других работах показано, что ингибиторы белкового синтеза, такие как циклокгексамид, снимают реакцию радиоадаптивного ответа [6] [Riger R., Michaelis A., Nicoloff H. // Mutat. Res. 1984. V. 140. №2/3. P. 99-102.]. Характерно, что одни и те же белки образуются при возникновении адаптивного ответа под действием не только радиации и химических мутагенов, но и при воздействии другими разнородными повреждающими факторами: гормонами, тепловым шоком, тяжелыми металлами, окислительным стрессом и т. д. [28] [Akaboshi E., Howard-Flanders P. // Mutat. Res. 1989. V. 227. №1. P. 1-6.] [29] [Galit J. // Int. J. Radiat. Biol. 1990. V. 57. №5. P. 981-992]. Таким образом, можно сделать вывод о антистрессовом характере формирования адаптивного ответа под воздействием самых разнообразных повреждающих факторов.
В работах [15] [ Wolff S., Afzal V., Wiencke J.K. et al. // Int. J. Radiat. Biol. 1988. V. 53. №1. P. 39-48] [18] [Ikushima T. // Mutat. Res. 1989. V. 227. №2. P. 241-246] анализировался выход хромосомных и изохромосомных разрывов при комбинированном воздействии вначале облучением адаптирующей дозой, а затем химическими мутагенами. Показано, что адаптивный ответ наблюдается по отношению к блеомецину, вызывающему двухнитевые разрывы ДНК, и митомицину С, вызывающему сшивки типа ДНК-ДНК. Авторы полагают, что накопление определенного количества повреждений такого типа, является одним из механизмов инициации адаптивного ответа. Действие алкилирующих агентов (метил- или этилметансульфоната) снимало проявление адаптивного ответа, а в ряде случаев повышало выход генетических нарушений.
При комбинированном действии в начале в адаптирующей концентрации блеомецином либо перекисью водорода формировался адаптивный ответ к последующему облучению [27] [Wolff S., Wiencke J.K., Afzal V. et al // Low Dose Radiation Biology: Bases Data on Risk Assessment. London, 1989. P. 446-454] [30] [Vijayalaxmi W., Burkart W. // Mutat. Res. 1989. V. 211. №1. P. 1-5]. Данные результаты указывают на возможную роль накопления разрывов ДНК, необходимого для запуска реакции адаптивного ответа.
В работе [18] [Ikushima T. // Mutat. Res. 1989. V. 227. №2. P. 241-246] показано, что обработка облученных в адаптирующих дозах клеток цис-платиной, вызывающей образование сшивок ДНК, снимает проявление адаптивного ответа. По данным [22] [Wiencke J.K., Afzal V., Olivieri G., Wolff S. // Mutagenesis. 1986. V. 1. №2. P. 375-380] в присутствии бензамида адаптивный ответ не наблюдается. Бензамид – ингибитор фермента АДФ – фосфорибозилтрансферазы, ответственный за репарацию разрывных дефектов ДНК и АДФ – рибозилирование белков. Активность АДФ – фосфорибозилтрансферазы значительно стимулируется при облучении [33] [Berger N. A. // Radiat. Res. 1985. V. 101. №1. P. 4-15]. В работе [34] [Feinendegen L. E., Mühlensiepen H., Lindberg C. et al. // Int. J. Radiat. Biol. 1984. V. 45. №1. P. 205-215] показано, что через 4 часа после облучения мышей дозой 0,01 Гр. происходит снижение активности тимидинкиназы в костном мозге на 40% с постепенным восстановлением исходной активности к 10 часу после облучения. В результате этих процессов наступает временное ингибирование синтеза ДНК, что вероятно, способствует ее репарации. 94 В работе [31] [Bases R., Hamori I., Piazza L. et al. // Int. J. Radiat. Biol. 1990. V. 58. №1. P. 35-54] на клетках CV – 1 показано, что предварительное облучение в диапазонах 0,2 – 6,6 Гр. с последующим облучением в дозе 400 Гр. приводит к снижению выхода модифицированных оснований ДНК, а также апуриновых и апиримидиновых сайтов. Адаптивный ответ выявлен и при хроническом облучении. Так в работе [35] [Алиева А.А., Ахундов В. Ю., Алекперов У. К. и др. // Радиобиология. 1985. Т. 25. Вып. 1. С. 78-81.] показано, что облучение мышей дозой 0,04 Гр. в течении 70 суток с дальнейшим с дальнейшим однократным облучением в дозе 2,98 Гр. вызывает радиоадаптивный ответ по выходу хромосомных аберраций. На лимфоцитах селезенки мышей показано, что облучение животных дозой 5 сГр. В течении 4 суток снижает частоту СХО при УФ облучении и стимулирует репарационный синтез ДНК. Адаптивный ответ сохраняется в течении 12 суток [36] [Wojcik A., Tuschl H. // Mutat. Res. 1990. V. 243. №1. P. 67-73]. Адаптивный ответ обнаружен при исследовании лимфоцитов крови людей, из-за условий работы подвергавшихся длительное время облучению в дозах > 14·10-3 сГр. в месяц [37] [Tuschl H., Kovac R., Altmann H. // Health Phys. 1983. V. 45. №1. P. 1-7]. При хроническом облучении мышей в течении 55 суток дозой с мощностью 0,13 Р/ч наблюдается активация ДНК-полимераз в ядрах клеток печени, селезенки и легкого [38] [Кожановская Л.К., Фоменко Л.А., Газиев А.И. // Радиобиология. 1990. Т. 30. Вып. 3. С. 300-303.] В выше перечисленных случаях реакция адаптивного ответа поддерживалась длительно, как и в работе [19] [Cai L., Liu S-Z. // Int. J. Radiat. Biol. 1990. V. 58. №1. P. 187-194]. Длительное облучение клеток в малых дозах стимулирует их радиорезистентность как к радиации, так и к алкилирующим соединениям. [39] [Rhynas P.O.W., Newcombe H.B. // Exp. Cell. Res. 1960. V. 21. №2. P. 326-331] [40] [Yan T.M., Gregg E.C., Kim S.C. // Radiat. Res. 1979. V. 80. №4. P. 502-511] [41] [Osmak M. // Radiat. Res. 1988. V. 115. №3. P. 609-616].
Список использованных источников
1. Моссэ, И.Б. Радиационная генетика: курс лекций: учеб. пособие / И.Б. Моссэ, П.М. Морозик – Мн.: МГЭУ им. А.Д. Сахарова. 2013. – 208 с.