К.б.н . Якимчук Р.А.

Уманський державний педагогічний університет імені Павла Тичини, Україна

ГЕНЕТИЧНА ОЦІНКА ЕФЕКТИВНОСТІ НИЗЬКОДОЗОВОГО РАДІАЦІЙНОГО ОПРОМІНЕННЯ

 

Аварія на ЧАЕС загострила увагу до проблем біологічної ефективності пролонгованої дії на генетичний апарат низькоінтенсивного опромінення і визначила план досліджень генетичних ефектів, індукованих опроміненням у малих дозах. Враховуючи, що хронічної дії радіації зазнає 2,5 млн. людей в Україні, більше 2 млн. людей у Білорусії (в тому числі 550 тис. дітей) та 1,5 млн. дітей і дорослих у Російській Федерації, які проживають при щільності забруднення ґрунту цезієм вище 1 Кі / км­ ² , стало актуальним не лише питання шкідливості його впливу на здоров’я людини, а й ризику появи генетичних порушень у ряді наступних поколінь.

Проблема правильної оцінки радіобіологічних і медичних наслідків Чорнобильської катастрофи пов’язана в першу чергу з розумінням механізмів дії малих доз радіації, тих безпосередніх і віддалених ефектів, які вони викликають. Сьогодні більшість досліджень свідчать про високу генетичну ефективність гострого і хронічного опромінення в малих дозах. Виходячи з характеру взаємодії іонізуючих випромінювань з речовиною і розглянутих особливостей радіобіологічних реакцій, Дессауер на початку 20-х років ХХ ст. прийшов до наступного висновку: реакція, яка вивчається, здійснюється в одній з великої кількості опромінених одиниць (клітин, гамет, хромосом і т. ін.) лише в тому випадку, якщо дана одиниця отримала певну кількість попадань. Ця концепція відома в радіобіології як «принцип попадань». Таким чином, пропорційність відсотка індукованих мутацій дозі опромінення, незалежність його від потужності дози й жорсткості випромінювань дозволяє стверджувати, що мутації, які викликані опроміненням, є результатом одного попадання в формі однієї іонізації. Однак, ефект опромінення низькими дозами вказує на існування складних епігенетичних механізмів, які модифікують радіобіологічні реакції на вплив у діапазоні малих доз.

До цього часу відсутня кількісна теорія залежності доза опромінення – біологічний ефект. На якісному рівні найбільш фундаментальна спроба опису можливих механізмів біологічної дії іонізуючого випромінювання здійснено в роботах А.М. Кузіна . Сформульована ним структурно-метаболічна теорія основана на уявленнях про багатофакторний характер формування радіобіологічного ефекту, до числа найважливіших з яких відносяться наступні: дискретний характер передачі енергії іонізуючого випромінювання речовині, можливий нерівномірний розподіл поглинутої енергії в опромінюваних клітинах; пряма й опосередкована дія випромінювання на молекули, структури клітини і тканини організмів; єдність мікрогетерогенної структури й метаболічної організації клітини; множинність подій, що беруть участь у формуванні радіобіологічних ефектів; порушення, які виникають у клітинному ядрі й біомембранах , в генерації енергії та зміні рівня низькомолекулярних біологічно-активних речовин (радіотоксинів); розвиток у часі радіобіологічного ефекту; ймовірний характер прояву радіобіологічних ефектів; механізми як вражаючої дії сублетальних і летальних доз випромінювання, так і стимулюючої дії малих доз опромінення; синергізм дії іонізуючого випромінювання з іншими фізичними та хімічними факторами.

У відповідності до однієї із запропонованих С.О. Гераськіним зі співавторами (1999) концепцій біологічної дії іонізуючого випромінювання на клітину, залежність виходу цитогенетичних пошкоджень в діапазоні малих доз має нелінійний та універсальний характер. Залежність “ доза-ефект” для них, на відміну від високих доз, за звичай має бімодальну чи полімодальну залежність. Тому, коефіцієнти ризику, вирахувані за результатами опромінення при низьких дозах, будуть відрізнятися від коефіцієнтів ризику при великих дозах і екстрапольованих до низьких. В діапазоні малих доз, ефект, за їх підвищення, зростає, досягаючи максимуму і потім дещо знижується. Повторно ці максимальні значення досягаються лише при дозах, які перевищують попередні приблизно в 5 разів. Припускається, що ряд нелінійних ефектів іонізуючого випромінювання в низькодозовому діапазоні може бути обумовлений залежністю інтенсивності його пошкоджуючої дії з активацією ним антиоксидантних, репараційних внутрішньоклітинних процесів, а також елімінацією пошкоджених клітин.

Ряд експериментальних даних свідчить на користь високої відносної біологічної ефективності хронічного низькодозового опромінення в порівнянні з гострим. Існують дані про надлінійну ( supralinear ) залежність дози-ефект в діапазоні малих доз радіації за хронічного опромінення рослин, тварин і людини. Надлінійна дозова залежність, яка викликає гіперчутливість клітин, описана також у відношенні генетичних ефектів, що спостерігаються в популяціях рослин, зростаючих в 30-кілометровій зоні Чорнобильської аварії. Із надлінійної дозової залежності витікає, що відносна ефективність опромінення при низьких потужностях доз у розрахунку на одиницю дози вища, ніж ефективність опромінення при високих потужностях доз. Гіперчутливість притаманна більшості клітинних ліній і не може бути передбачена зворотною екстраполяцією ефектів високих доз.

Проте, деякі дослідники припускають, що можливою причиною ефективності низьких доз опромінення у порівнянні з високими є загибель радіочутливих клітин при значних дозах радіації, і ми реєструємо показники частоти реверсій радіостійкості популяції клітин, що викривлює абсолютні показники мутагенезу. Існує ще одна концепція, запропонована Д.М.  Спітковським (1999), яка полягає в постулюванні нової фундаментальної програмованої реакції клітин – аутоіндукції в них аномалій каріотипу та інших порушень геному в результаті дії малих доз пошкоджуючих агентів. Відповідно до цієї концепції, будь-яка клітинна популяція складається з клітин, одній групі з яких характерна залежність відповіді від потужності дози, іншій – зменшення кількості генетичних порушень, у порівнянні з очікуваною, а також з групи клітин, яким притаманне збільшення у порівнянні з очікуваною кількістю генетичних порушень незалежно від потужності дози.

Численні дані, отримані протягом останніх двох десятиріч, дозволяють припускати, що уявлення, які склалися в радіаційній генетиці, можуть суттєво недооцінювати несприятливі наслідки впливу мутагенів на організми. Хронічне низькодозове опромінення в регіонах, які зазнали радіонуклідного забруднення в результаті радіаційних катастроф, здатне призводити до спадкової дестабілізації генетичних структур, яка проявляється розривами і переконформаціями ДНК , перекомпактизацією хроматину, абераціями хромосом, синхронними хромосомними обмінами, анеу /поліплоїдіями, позаплановою експресією/ супресією генів, генними та хромосомними мутаціями, що призводить до порушення геномного балансу і супроводжується розвитком клітинних дисфункцій , малігнізацією, індукуванням апоптозу й загибеллю клітини.

Радіаційно-індукована нестабільність геному розглядається як особливий стан геному в потомстві опромінених клітин і їх сусідів, в якому головне – не вихідна підвищена пошкодженість геному, а його більша здатність зазнавати пошкоджень у процесі життєдіяльності клітини, що призводить до відстроченої репродуктивної загибелі, виникнення спонтанних мутацій і підвищення частоти загибелі клітин шляхом апоптозу . До нашого часу стали майже загальновизнаними постулатами наступні положення: а) радіаційно-індукована нестабільність геному фіксується за будь-яких доз радіації незалежно від природи випромінювання (з низькою та високою лінійною передачею енергії); б) як правило, для радіаційно-індукованої нестабільності геному немає чіткої залежності «доза-ефект»; в) радіаційно-індукована нестабільність геному – ключовий механізм радіаційного канцерогенезу за дії малих доз радіації, разом з тим і радіації з низькою лінійною передачею енергії. Глибина «пам’яті» опромінених клітин приголомшує: відповідно до численних даних, в культурі клітин суттєво підвищена швидкість мутування спостерігається щонайменше протягом 20-40 клітинних поділів після початку опромінення. У дослідженнях Н.Б. Ахматуліної (2005) нестабільність геному виявлялась до 30–40-го і навіть до 70–80-го поколінь гризунів.

Вважають, що в основі механізмів формування генетичної нестабільності лежить можливість існування субпопуляцій клітин, яким властива підвищена чутливість до опромінення. Оскільки прямого впливу опромінення на ДНК не відбувається, припускають, що у формуванні нестабільності можуть брати участь епігенетичні механізми. Крім того, процесу генетичної нестабільності сприяє дефіцит репаративної активності, порушення в контролі клітинного циклу й апоптичної загибелі клітин. Беручи до уваги, що успадкування нестабільності геному нащадками опромінених батьків проходить епігенетично , зміни в спектрі метилування батьківської ДНК представляються найбільш ймовірним кандидатом на роль сигналу нестабільності. Метилування промоторів структурних генів пригнічує їх транскрипцію, тому зміни в метилуванні можуть призводити як до експресії, так і до депресії генів. Явище генетичної нестабільності також може бути обумовлене активністю мобільних генетичних елементів. На відміну від безпосередніх пошкоджень ДНК , які усуваються в процесі репарації або закріплюються у вигляді стабільних мутацій, активація мобільних генетичних елементів може вести до декількох циклів транспозицій , викликати утворення нестабільних мутацій, модифікувати ступінь експресивності ознаки та інші зміни генотипу. Встановлені в наш час молекулярні прояви радіаційно-індукованої нестабільності геному в нащадків опромінених клітин полягають у спонтанних змінах структури ДНК , порушенні репарації ДНК і суттєвому зсуві функціонування окислювально-відновлювальної системи. Останнє викликає не лише зміну внутрішньоклітинного вмісту активних форм кисню, але й торкається їх регуляторних функцій, впливаючи на функціонування внутрішньоклітинних модулів реакцій, які керуються генетичними програмами, що активуються у відповідь на дію різноманітних факторів зовнішнього середовища.

В умовах тривалого опромінення біоценозу дуже важливого значення набуває проблема сумісної дії випромінювань і факторів нерадіаційної природи. Не виключено, що цим у значній мірі визначається аномально сильна дія малих доз. Синергічні реакції відповіді біологічних систем спостерігаються за сумісної дії різних за своєю природою факторів: іонізуючого випромінювання з радіонуклідами, нерадіоактивними металами і гіпертермією, металів з радіонуклідами, лазерного випромінювання і магнітного поля і т. ін. Причому встановлено, що в діапазоні низьких дозових навантажень синергічні ефекти спостерігаються частіше, ніж у випадку сильних впливів. При великих дозах провідне значення набувають процеси прямої дії випромінювання.

Таким чином широкомасштабне техногенне радіаційне забруднення довкілля змушує переглянути існуючі уявлення про біологічну ефективність гострої та хронічної дії низькоінтенсивного опромінення на генетичний апарат живих організмів. Залежність “ доза-ефект” для малих доз, на відміну від високих, за звичай має нелінійний характер та може бути представлена бімодальною чи полімодальною кривою. Тому ефективність опромінення в малих дозах не може бути визначеною за простої екстраполяції величини ефекту, виявленого при опроміненні у високих дозах, на малі. В радіонуклідно забруднених регіонах хронічне низькодозове опромінення здатне спричиняти спадкову дестабілізацію генетичних структур, що призводить до порушення геномного балансу, розвитку клітинних дисфункцій , малігнізації, індукуванню апоптозу й загибелі клітин. Мутагенна активність синергічної взаємодії радіації з інших генотоксичними факторами в діапазоні низьких дозових навантажень свідчить про необхідність вивчення впливу радіаційного забруднення оточуючого середовища на стабільність геному організмів не лише з позицій безпосередньої дії опромінення, але й з позицій впливу одночасної зміни їх екологічного фону проживання. Перебування організмів у зоні з радіаційною аномалією може призвести до селективного збільшення поліморфізму й фізіологічної нестабільності та, як наслідок, мікроеволюційних зсувів.