Клетки любят радиацию

Раскрыт механизм, залечивающий двойные разрывы ДНК.

Алексей Щербаков

31 июля, 2017 13:12

7 мин

Исследователи ряда российских институтов, и в том числе МФТИ, провели масштабное исследование воздействия ионизирующего излучения на стволовые клетки человека. Стволовые клетки ученые выбрали, потому что считается: именно они отвечают за развитие опухолей. Оказалось, при длительном облучении в малых дозах стволовые клетки начинают сами «чинить» себя с меньшими ошибками. А еще эти клетки специально «приспособляют» свой жизненный цикл, чтобы восстановить разрушенную излучением ДНК. Правда, науке еще предстоит выяснить, как это влияет на функционирование организма и на опасность заболеть раком. Статья опубликована в журнале Oncotarget.

Статистический парадокс

Ионизирующее излучение — это то, что в народе называют «радиацией». Оно бывает разных видов: рентгеновское излучение, гамма-излучение, потоки разных частиц. Ионизирующее излучение способно превратить нейтральные атомы и молекулы в заряженные ионы. Воздействие радиации на организм неизбежно: за счет естественного радиационного фона средний житель планеты каждый год получает дозу около 3 мГр (миллигрей). А при рентгеновском обследовании — от 0,001 мГр до 10 мГр в зависимости от типа процедуры. Однако передозировка опасна: при дозе более 1 Гр (1 Гр=1000 мГр) за короткий промежуток времени возникает острая лучевая болезнь.

Из обследований людей, подвергшихся облучению, достоверно известно только, что высокие дозы радиации увеличивают риск раковых заболеваний. На основании этого официально была принята линейная модель, согласно которой даже маленькое превышение дозы ведет к увеличению риска рака. Однако в экспериментах малые дозы облучения либо не приводили к отклонениям, либо даже оказывали положительное действие — продолжительность жизни возрастала, а частота заболеваний раком снижалась.

Одна и та же доза, полученная за длительный промежуток времени, наносит меньший ущерб, чем кратковременное облучение. О том, как именно учитывать мощность дозы, ведутся бесконечные споры. В реальных ситуациях люди чаще подвергаются небольшому и длительному облучению, поэтому важно было понять, как длительное ионизирующее излучение воздействует на организм.

Двойные разрывы ДНК

Одно из негативных воздействий радиации — образование так называемых двойных разрывов, когда рвутся обе цепи ДНК. Однако клетка способна восстанавливать поврежденные участки - это называется репарацией ДНК. Разрыв одной цепи восстанавливается по последовательности второй цепи. Двойные разрывы восстанавливаются другими способами и при этом возрастает риск ошибки. Если системы репарации не починят такие разрывы или починят неправильно, это может привести к онкологическим заболеваниям. Поэтому исследования по воздействию радиации на живые клетки в основном концентрируются на двойных разрывах. С недавнего времени выяснилось, что в образовании опухоли основную роль играют стволовые клетки (клетки без определенной специальности), потому что они могут накопить мутации и передать их потомкам — специализированным клеткам. Воздействие длительного облучения на стволовые клетки изучено очень слабо.

^{a) окраска клеточного ядра, 53В1, yH2AX и всего сразу; b) кратковременное облучение мощностью 5400 мГр/ч; с) длительное облучение мощностью 270 мГр/ч}

Ученые провели несколько экспериментов на стволовых клетках, взятых из человеческой десны. Клетки подвергали кратковременному и длительному воздействию рентгеновского излучения в одних и тех же дозах. Образование двойных разрывов отслеживали с помощью маркеров — скоплений окрашенных белков γH2AX и 53BP1. И оказалось, что при кратковременном облучении количество обоих маркеров возрастает линейно при увеличении дозы. А при длительном облучении — сначала линейно, а где-то на 1 Гр выходит на «плато». То есть количество разрывов, дойдя до определенного значения, перестает возрастать. Наступает своеобразный баланс между образованием повреждений и их починкой, репарацией.

Ремонт ДНК

У клетки есть системы репарации, способные починить двойные разрывы ДНК. Однако после кратковременного облучения в больших дозах репарация 8 из 10 образованных двойных разрывов происходит с помощью воссоединения концов — относительно быстрого, но некорректного механизма. Из-за этого часто возникают хромосомные нарушения. Двойные разрывы ДНК, восстановленные некорректно, приводят к гибели клеток, активации онкогенов или же подавлению активности антионкогенов.

Другой механизм репарации двойных разрывов — гомологичная рекомбинация. Для восстановления разрыва используется похожая или идентичная молекула ДНК в качестве образца. Этот механизм дает гораздо меньше ошибок, но он возможен только в определенных фазах клеточного цикла. Гомологичную рекомбинацию ученые отследили по маркеру — белку Rad51. В течение двух часов облучения количество Rad51 оставалось примерно на одном уровне, а потом линейно возрастало. Что дало возможность ученым предположить, что во время длительного облучения происходит активация гомологичной рекомбинации.

Деление клеток

В то время как одни стволовые клетки делятся, другие перестают делиться, и между ними сохраняется баланс. Ученые подсчитали отдельно количество двойных разрывов в делящихся и пассивных клетках. Клетки можно различить с помощью специального белка, который находится только в делящихся клетках. Оказалось, что число двойных разрывов растет одинаково в делящихся и неделящихся клетках, и в обоих видах клеток достигает постоянного значения.

^{Цикл клетки. Фаза G0 - покой, клетка не делится. G1 - клетка готовится к делению: ее содержимое, кроме хромосом, удваивается. S - с ДНК снимается копия, все 46 хромосом удваиваются. G2 - конечный этап

подготовки к делению, то есть к митозу.}

Кроме того, выяснилось, что облучение не повлияло на долю делящихся клеток: она всегда была примерно 80%. Но проведя более подробное исследование, ученые обнаружили, что после четвертого часа медленного облучения значительно вырастает доля клеток, находящихся в фазах клеточного цикла S (синтез ДНК) и G2 (последняя подготовка к делению клетки). Во время этих фаз в клетке находится копия ее ДНК, чтобы впоследствии клетка могла разделиться надвое. Именно во время этих фаз и возможна гомологичная рекомбинация, чем может объясняться возрастание маркера Rad51. То есть во время облучения происходит задержка клеточного цикла и увеличивается доля клеток в тех фазах, где возможна гомологичная рекомбинация. Таким образом, появляется возможность корректной репарации двойных разрывов.

«Полученные нами результаты могут стать основой для дальнейших исследований двойных разрывов в стволовых клетках и их влияния на образование опухолей», — прокомментировал работу Сергей Леонов, директор Физтех-школы биологической и медицинской физики.