Коли статистика безсила
Іонізуюче випромінювання - це те, що в народі називають радіацією. Воно буває різних видів: рентгенівське, гамма-випромінювання, потоки різних частинок. Іонізуюче випромінювання здатне перетворити нейтральні атоми і молекули в заряджені іони. Вплив радіації на організм неминуче: за рахунок природного радіаційного фону середній житель планети отримує щорічно близько 3 мГр (мілігрей). А при рентгенівському обстеженні - від 0,001 мГр до 10 мГр в залежності від типу процедури. Однак передозування небезпечна: при дозі понад 1 Гр (1 Гр = 1000 мГр), отриманої за короткий проміжок часу, виникає гостра променева хвороба.
Щоб забезпечити радіаційну безпеку, потрібно вміти оцінювати ризики, які несе іонізуюче випромінювання. З обстежень людей, які зазнали опромінення, достовірно відомо тільки те, що високі дози радіації збільшують ризик ракових захворювань. На підставі цього регулюючі органи взяли лінійну модель, згідно з якою навіть маленьке перевищення дози веде до збільшення ризику раку. Однак в експериментах малі дози опромінення або не приводили до відхилень, або навіть надавали позитивну дію - збільшення тривалості життя і зниження частоти онкологічних захворювань. Крім того, необхідно враховувати потужність дози. Одна і та ж доза, отримана за тривалий проміжок часу, завдає меншої шкоди, ніж короткочасне опромінення. Про те, як саме враховувати потужність дози, ведуться безперервні суперечки. У реальних ситуаціях люди частіше піддаються невеликому і тривалого опромінення, тому важливо зрозуміти, як воно впливає на організм.
Подвійні розриви ДНК
Одне з негативних впливів радіації - утворення так званих подвійних розривів, коли рвуться обидві ланцюга ДНК. Клітина здатна відновлювати пошкоджені ділянки, це називається репарацією ДНК. Розрив одного ланцюга відновлюється по послідовності другий ланцюга, подвійні розриви відновлюються іншими способами, і при цьому великий ризик помилки. Якщо системи репарації не починаєш такі розриви або полагодять неправильно, що може призвести до онкологічних захворювань. Тому дослідження по впливу радіації на живі клітини в основному концентруються на подвійних розривах. З недавнього часу з'ясувалося, що в освіті пухлини основну роль грають стовбурові клітини (клітини без певної спеціальності), тому що вони можуть накопичити мутації і передати їх нащадкам - спеціалізованим клітинам. Але вплив тривалого опромінення на стовбурові клітини вивчено дуже слабо.
Вчені провели кілька експериментів на стовбурових клітинах, взятих з ясен. Їх піддавали короткочасному і тривалому впливу рентгенівського випромінювання в одних і тих же дозах. Освіта подвійних розривів відстежували за допомогою маркерів - скупчень забарвлених білків γH2AX і 53BP1. Виявилося, що при короткочасному опроміненні кількість обох маркерів зростає лінійно при збільшенні дози. А при тривалому опроміненні - спочатку лінійно, а десь на 1 Гр виходить на плато. Тобто кількість розривів, дійшовши до певного значення, перестає зростати. Настає своєрідний баланс між освітою пошкоджень і їх репарацією.
Малюнок: a) Забарвлення клітинного ядра, 53BP1, γH2AX і всього відразу; b) короткочасне опромінення (потужність 5400 мГр / год); c) тривале опромінення (потужність 270 мГр / год)
У клітини є системи репарації, які можуть полагодити подвійні розриви ДНК. Однак після короткочасного опромінення у великих дозах репарація 8 з 10 освічених подвійних розривів відбувається за допомогою возз'єднання решт - щодо швидкого, але некоректного механізму. Через це часто виникають хромосомні порушення. Подвійні розриви ДНК, відновлені некоректно, призводять до загибелі клітин, активації онкогенів або придушенню активності антионкогенов. Інший механізм репарації подвійних розривів - гомологічних рекомбінація. Для відновлення розриву використовується схожа або ідентична молекула ДНК в якості зразка. Цей механізм дає набагато менше помилок, але він можливий тільки в певних фазах клітинного циклу. Гомологичную рекомбінацію вчені відстежили по маркеру - білку Rad51. Протягом двох годин опромінення кількість Rad51 залишалося приблизно на одному рівні, а потім лінійно зростала. Дослідники припустили, що під час тривалого опромінення відбувається активація гомологичной рекомбінації.
У той час як одні стовбурові клітини діляться, інші перестають це робити, і між ними зберігається баланс. Вчені підрахували кількість подвійних розривів окремо в діляться і пасивних клітинах. Клітини можна розрізнити за допомогою спеціального білка, який знаходиться тільки в клітинах, що діляться. Виявилося, що число подвійних розривів зростає однаково в діляться і не діляться клітинах, досягаючи постійного значення і в тих, і в інших.
Цикл клітини. Фаза G0 - фаза спокою, клітина не ділиться. Під час фази G1 відбувається підготовка до поділу, вміст клітини, крім хромосом, подвоюється. Під час фази S з ДНК «знімається копія» - все 46 хромосом подвоюються. G2 - кінцевий етап підготовки до поділу, тобто до митозу
Крім того, з'ясувалося, що опромінення не вплинуло на частку клітин, які діляться: вона завжди була приблизно 80%. Але, провівши більш докладне дослідження, вчені виявили, що після четвертої години повільного опромінення значно зростає частка клітин, які знаходяться у фазах клітинного циклу S (синтез ДНК) і G2 (остання підготовка до поділу клітини). Під час цих фаз в клітці знаходиться копія її ДНК, щоб згодом клітина могла розділитися на дві. Саме під час цих фаз і можлива гомологічних рекомбінація. Цим може пояснюватися зростання маркера Rad51. Тобто під час опромінення відбувається затримка клітинного циклу і збільшується частка клітин в тих фазах, де можлива гомологічних рекомбінація. Таким чином, з'являється можливість коректної репарації подвійних розривів.