Поскольку сохраняется потенциальная возможность облучения живых организмов при радиационных авариях, проведении высотных и космических полетов, при использовании источников излучений и радиоактивных материалов в промышленных целях и в медицине, то оценка такого воздействия остается актуальной и в настоящее время. Ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН изучают уровень повреждений ДНК в клетках человека и животных под воздействием ионизирующего излучения и веществ, имитирующих такое воздействие, например, перекиси водорода. Результаты их исследований опубликованы в последнем номере журнала Radiation and Environmental Biophysics.
Ионизирующее излучение — это вид энергии, высвобождаемой атомами в форме электромагнитных волн или частиц. Источников ионизирующего излучения вокруг нас множество. Окружающая нас природа - один из таких источников: природные радионуклиды рассеянны в земной коре, воздухе и других объектах внешней среды; с развитием научно-технического прогресса вокруг нас появляется все больше искусственных источников ионизирующего излучения. Пущинские радиобиологи изучают, каким образом ионизирующее излучение повреждает ДНК разных животных и человека, как при этом происходит ее восстановление (репарация), и как радиация влияет на стабильность геномов.
Среди различных методов регистрации повреждений ДНК все большее распространение получает метод «комета тест» (метод ДНК-комет, Comet assay), получивший свое название из-за формы клеток с поврежденной ДНК, которую наблюдают под флуоресцентным микроскопом. В процессе электрофореза под действием электрического тока разорванные петли ДНК вытягиваются и визуально напоминают форму кометы. Неповрежденная часть ДНК выглядит как голова этой кометы, за которой тянется хвост из разорванной ДНК. Щелочная версия метода позволяет выявить одно- и двунитевые разрывы, а также участки ДНК с поврежденными основаниями.
Пущинские исследователи провели сравнительные исследования уровня повреждений ДНК клеток из организмов, различающихся по радиочувствительности. Для этого были использованы ядросодержащие клетки из системы крови мыши, крови лягушки и человека после воздействия на них рентгеновского излучения или перекиси водорода. Воздействие перекиси водорода, подобно ионизирующему излучению, приводит к возрастанию уровня повреждений ДНК из-за атак активных форм кислорода. Все эксперименты ученые проводили в условиях in vitro. Кровь лягушки была взята для сравнения с кровью мыши и человека, поскольку лягушек рассматривают в качестве чувствительных индикаторов на загрязнение окружающей среды.
«Такие исследования необходимы для оценки экологических изменений при сравнении с уровнем повреждений ДНК аналогичных клеток животных, обитающих на загрязненных территориях, - рассказывает заведующая Лабораторией радиационной молекулярной биологии ИТЭБ РАН, кандидат биологических наук Кузнецова Елена Ананьевна, - тем более что кровь у представителей разных классов различается по форменным элементам, и не известно, как соотносятся у них уровни повреждений ДНК клеток крови».
Традиционно человек считался наиболее чувствительным к воздействию радиации. Однако, к удивлению ученых, при работе с пробами биологического материала in vitro наибольшие повреждения ДНК регистрировались в клетках крови и селезенки мыши. С чем это связано? Оказывается, отдельные группы форменных элементов крови неоднородны по своей радиорезистентности, и их количество у разных биологических видов различается. Например, радиорезистентных лимфоцитов у мыши примерно на 10 % больше, а количество радиочувствительных примерно на 30 % превышает таковое у человека. Но высокий уровень повреждений ДНК в клетках крови мыши по сравнению с человеком нельзя объяснить только некоторым преобладанием радиочувствительных лимфоцитов, необходимо учитывать и другие факторы, например, работу антиоксидантной системы в клетке. Поскольку повреждающее действие ионизирующих излучений обусловлено, в основном, активными формами кислорода, то эффективно уменьшить их воздействие могут химические модификаторы – антиоксиданты. Хорошо известным внутриклеточным радиопротектором является глутатион, уровень которого в спленоцитах мыши ниже, чем в лейкоцитах человека. Здесь необходимо пояснить, что селезенка мыши является активным кроветворным органом, продуцирующим все форменные элементы, и ее клетки – выделенные спленоциты – фактически форменные элементы разной степени зрелости. Большинство лейкоцитов мыши представлено лимфоцитами. Кроме того, в лимфоцитах человека присутствует другой антиоксидант – аскорбат. Очевидно, что такие различия в уровне антиоксидантов, наряду с некоторыми особенностями обмена веществ также вносят существенный вклад в высокий уровень радиационно-индуцированных повреждений ДНК лейкоцитов крови мыши по сравнению с человеком.
Уровень повреждений ДНК лейкоцитов человека, как ни странно, оказался сопоставим с таковым у клеток крови лягушки, несмотря на разный клеточный состав. Среди клеток крови лягушки по численности преобладают ядросодержащие эритроциты. У человека же эритроциты не содержат ядер, и к ним не применим метод «комета тест». Сразу после облучения уровень повреждений ДНК клеток крови лягушки был сравним с таковым в лейкоцитах человека и почти не изменялся в течение некоторого времени после облучения. «Оказалось, что репарация ДНК в клетках крови лягушек сильно замедлена по сравнению с клетками грызунов или человека, что, по-видимому, обусловлено особенностями обменных процессов и видовой специфичностью ультраструктур клеток крови лягушек, – комментирует исследование Елена Ананьевна Кузнецова. – Давайте предположим, если случается какая-либо авария, связанная с повышением уровня ионизирующего излучения, то можно собрать земноводных вокруг места происшествия, и уровень повреждения ДНК в клетках их крови можно использовать как фактор оценки дозы радиации».
Помимо такого возможного прикладного применения исследований пущинских ученых, их работа имеет фундаментальную значимость: она показала, что уровень индуцированных повреждений ДНК в клетках крови соотносится не с видовой радиочувствительностью, а с составом клеточных популяций и их физиологическими особенностями.
Источник:
N. Sirota, E. Kuznetsova, I. Mitroshina. The level of DNA damage in mouse hematopoietic cells and in frog and human blood cells, as induced by the action of reactive oxygen species in vitro. Radiation and Environmental Biophysics, 2018. First Online:21 February 2018
https://link.springer.com/article/10.1007/s00411-018-0732-y
Материал подготовила:
Татьяна Перевязова
Пресс-служба ИТЭБ РАН, iteb-press@yandex.ru
Галерея
