ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Генетические эффекты ионизирующего излучения из "Биологические эффекты радиации" Около 60 лет назад американские ученые, проводя эксперименты на плодовой мушке Drosophila, впервые обнаружили, что хромосомы очень чувствительны к облучению. Эти наблюдения были вскоре подтверждены на многих видах растений и животных. К настоящему времени установлено, что видимые разрывы хромосом вызывает облучение в дозах, гораздо меньших 0,1 Гр. К концу 40-х годов описательная классификация аберраций хромосом была завершена. Кроме простого описания, некоторые ученые провели количественные исследования числа аберраций, вызванных облучением в данной дозе. Позже внимание сконцентрировалось на способности хромосом к репарации и на природе репарационного процесса. Прежде чем приступить к изложению количественных и качественных аспектов повреждения хромосом, полезно кратко изложить основную информацию о структуре хромосом. [c.88] Хромосомы высших растений и животных представляют собой структуры, состоящие из ДНК и основных белков, гистонов , которые богаты лизином и аргинином. Молекулярная структура ДНК описана в гл. 2. Полагают, что молекула ДНК представляет собой двойную спираль, однако в последнее время эта структурная форма молекулы ДНК оспаривается, особенно Сазисехараном и его коллегами (рис. 7.1). Их модель удовлетворяет данным кристаллографии и имеет то преимущество, что не требует раскручивания молекулы, чтобы разделить нити. Проблема раскручивания спирали всегда была непреодолимой топологической проблемой для модели Уотсона—Крика. [c.89] Молекула ДНК, как сейчас известно, связана с шариками или дисками основных белков (гистонов) и обвивает их примерно 2,5 раза. На рис. 7.2 показана первичная упаковка этих гистоновых шариков с образованием основной нити толщиной 20—25 нм, которую можно увидеть под электронным микроскопом. Эта нить образует нерегулярно расположенные петли, складки и ответвления, формируя метафазные хромосомы. [c.89] Наблюдаемые на хромосомах радиационные эффекты можно объяснить при помощи теории репликации хромосом, приведенной на рис. 7.3. На нем изображена клетка с двумя хромосомами, каждая с одной центромерой. По мере прохождения клеткой фазы синтеза ДНК хромосомный материал будет удваиваться, и именно в этот период хромосома делится на две сестринские хроматиды, которые связаны друг с другом только в области центромеры. В анафазе клеточного деления Центромера разделяет хромосому, и каждая дочерняя клетка получает одну хромати-ду от каждой хромосомы. Наличие центромеры обязательно для продвижения фрагментов хромосом к полюсам клетки. Ацентрические фрагменты без центромеры не могут двигаться и обычно остаются в цитоплазме, где они могут образовать микроядра в одной или другой дочерней клетке. Фрагменты с двумя центромерами, дицентрики, движутся в противоположных направлениях, образуя механические мосты между двумя наборами хроматид. После деления клетки хроматиды опять называют хромосомами. Хромосомы легче всего увидеть во время митоза, однако современные методы слияния клеток и явление преждевременной конденсации хромосом позволяют наблюдать одиночные и удвоенные хромосомы в интерфазном ядре. [c.90] Ниже сначала описываются некоторые основные нарушения структуры хромосом, а затем будут обсуждены количественные аспекты образования аберраций хрмосом в зависимости от дозы облучения. [c.91] На рис. 7.4 показаны четыре основные категории структурных изменений. [c.91] Во всех случаях возникновения аберраций обменного типа этот процесс может быть полным , когда не остается свободных или разорванных концов, или неполным , когда имеются части хромосом, которые не соединились в новую конфигурацию. Хроматидные аберрации обычно отличаются более высокой степенью незавершенности, чем обмены хромосомного типа (рис. 7.5). [c.92] Излишне описывать все разнообразие аберраций, которые возникают в результате комбинации четырех основных типов взаимодействия, учитывая к тому же тот факт, что они могут быть симметричными или асимметричными, полными или неполными, а также хромосомными или хро-матидными. [c.93] В противоположность им симметричные обмены, если они завершены, не вызывают потери генетического материала и не препятствуют делению клетки в анафазе. Поэтому такие аберрации называют стабильными . Они являются потенциально более опасными, чем нестабильные аберрации, по крайней мере в соматических клетках, поскольку они могут пройти через последующие циклы деления. Их можно определить, только используя новейшие методики выявления исчерченности хромосом. [c.93] Наконец, необходимо отметить, что существует множество доказательств того, что большинство дифференцированных клеток как растений, так и животных и в норме содержат некоторое количество аберраций хромосом, которые не оказывают явного эффекта ни на структуру, ни на функцию клетки. Большинство этих спонтанных аберраций обычно хроматидного типа, поскольку они возникают как ошибки или погрешности коррекции во время 5-фагзы. [c.94] Отходя от чисто описательных аспектов повреждения хромосом, необходимо в первую очередь рассмотреть зависимость выхода аберраций от дозы. Опыты с животными и данные по облученным больным показали, что выход аберраций (/) после облучения клеток излучением с низкой ЛПЭ лучше всего описывается простым математическим уравнением у = сЮ +, где О - доза, а а и 0 - константы. Это уравнение хорошо согласуется с гипотезой о том, что некоторые аберрации являются результатом прохождения через хромосому лишь одной ионизирующей частицы (одно попадание), поэтому их выход пропорционален дозе (оО), в то время как другие аберрации вызываются прохождением двух отдельных частиц, и их выход пропорционален квадрату дозы (/ Я). На рис. 7.7 показаны примеры одно- и двухударных хромосомных и хроматидных аберраций. Одноударные аберрации линейно зависят от дозы, для более сложных аберраций зависимость нелинейная (рис. 7.8). Выход одноударных аберраций, по-видимому, не зависит от мощности дозы. Если события ионизации происходят с частотой 1 раз в 1 с или 1 раз в 1 мин и каждое такое событие вызывает разрыв, то соответственно через 1 мин или через 1 ч в обоих случаях будет получена одна и та же поглощенная доза и возникает одно и то же число (около 60) потенциальных разрывов хромосом. Два повреждения одной хромосомы, необходимые для образования более сложных аберраций, могут порождаться одним или двумя треками ионизирующих частиц, и истинная форма кривой доза — эффект для двухударных аберраций типа, например, нестабильных дицентриков будет зависеть от мощности дозы и ЛПЭ излучения. Мощность дозы здесь важна, поскольку число наблюдаемых двухударных аберраций зависит от вероятности того, что первый и второй разрывы произойдут рядом друг с другом в пространстве и времени. Необходимо, чтобы два разрыва находились в достаточной близости друг к другу в ядре для того, чтобы они могли взаимодействовать и дать двухударную аберрацию они должны также произойти в максимально коротком временном интервале, чтобы первый разрыв не успел воссоединиться до того, как возникает второй. [c.94] Способность радиационно-индуцированных хромосомных аберраций к репарации установлена с помощью метода фракционирования дозы. Разделение дозы на две равные фракции и изменение промежутка времени между первой и второй фракциями позволило выявить, что определенная доля разрывов, вызванных первым облучением, успевает репарироваться до облучения второй половиной дозы. С увеличением интервала времени между частями дозы выход двухударных аберраций уменьшается. [c.96] Вызванные облучением аберрации, наблюдаемые при клеточном делении, являются результатом двух процессов — радиационного разрыва хромосом или хроматид и соединения разорванных концов с образованием различных структур. Аберрации можно разделить на два тип Э одно- и двухударные. Частота простых одноударных разрывов приблизительно линейно зависит от дозы и не зависит от мощности дозы, в то время как частота более сложных двухударных разрывов возрастает не в соответствии с кинетикой первого порядка, а быстрее с увеличением дозы. Выход двухударных аберраций к тому же зависит от мощности дозы излучения. Более того, в случае двухударных аберраций обнаруживают эффект фракционирования дозы, при котором воссоединение разорванных концов хрмосомы, разрыв которых произошел после облучения первой дозой, происходит до того, как произведено облучение второй дозой, что вызывает уменьшение выхода двухударных аберраций по сравнению с их выходом при той же суммарной дозе, данной однократно. Интерпретация эффекта фракционирования дозы представляет определенные сложности, так как этот процесс связан с репарацией ДНК, клеточным метаболизмом и микроокружением ДНК. Увеличивается число доказательств наличия связи между разрывами ДНК, хромосомными аберрациями и репродуктивной гибелью клеток млекопитающих. [c.98] Генетика изучает наследственность и особое внимание уделяет изучению генов, так как они являются основными факторами, определяющими наследственность. Именно гены определяют разнообразие структур и функций, которые наблюдаются в живой природе. Генетическим материалом является молекула. ДНК, которая комплексируется с белками и образует хромосомы. Информация, которую несут гены, расположенные линейно вдоль хромосом, в форме триплета оснований, закодирована в молекуле ДНК. При делении клетки происходит редупликация и разделение хромосом, каждая дочерняя клетка получает ту же генетическую информацию, которая имелась в материнской клетке (см. рис. 7.3). [c.98] Большинство клекток содержит два набора хромосом, имеющих пары идентичных генов. Доминантным геном является тот, который проявляет тот или иной признак, находясь только в одной хромосоме. Рецессивный ген может проявить какой-либо признак, только находясь в обеих хромосомах. Доминатный ген будет подавлять проявление признаков, определяемых рецессивным геном. Например, ген, определяющий зеленую окраску гороха (С), является доминантным по отношению к гену, дающему желтую окраску [д]. Чтобы иметь зеленую окраску, клетки гороха должны иметь набор генов СО или Сд, а для желтой окраски набор генов должен быть дд. Некоторые гены обнаруживают неполную доминантность, происходит смешение или кооперативный эффект между парами генов вместо подавления доминантным геном рецессивного гена. Так, набор генов Сд может дать зелено-желтую окраску гороха, если ген зеленой окраски не будет доминировать над рецессивным геном желтой окраски. [c.98] Значение мутаций не так велико в соматических клетках организма в отичие от мутаций в половых клетках. Мутация в соматической клетке может привести к дисфункции или даже гибели этой клетки или ее потомков, но поскольку каждый орган состоит из многих миллионов клеток, эффект одной или двух мутаций не будет значимым. Однако соматические мутации, как предполагается, могут явиться причиной возникновения опухолей и старения. Об этом будет подробно говориться в гл. 9 и 10 соответственно. В отличие от соматических клеток мутации, происходящие в половых клетках, могут оказать губительное действие на потомство. [c.99] Мутации, происходящие на любой стадии развития яйцеклетки, или сперматозоидов, или в оплодотворенной яйцеклетке (зиготе), с большой вероятностью ведут к гибели потомства или по крайней мере вызывают появление потомства с серьезными аномалиями. Все последующее обсуждение будет касаться только мутаций в половых клетках и влияния их на потомство. [c.99] Генные мутации можно разделить на доминантные, рецессивные или сцепленные с полом. Доминантной является мутация, которая проявляется у ближайшего потомства как результат изменений в половых клетках любого из родителей. Рецессивная мутация проявляется у потомства только в том случае, если половые клетки обоих родителей имели идентичные изменения. Рецессивная мутация не проявится у ближайшего потомства, если она имеется только у одного из родителей, поскольку для проявления эффекта необходимы два идентичных рецессивных гена. Иногда тем не менее через несколько поколений могут появиться индивидуумы, получившие одинаковые рецессивные гены от обоих родителей. Как доминантные, так и рецессивные мутации могут быть летальными или вызывать разнообразные видимые и скрытые эффекты. [c.99] Вернуться к основной статье