НАРУШЕНИЕ МИТОТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ КЛЕТОК ПРИ ОБЛУЧЕНИИ

Из физиологических факторов на радиочувствительность растений влияет скорость роста, т.е. скорость клеточного деления. При остром облучении растения обладают большей радиочувствительностью в стадии наиболее интенсивного роста, медленно растущие растения или их отдельные ткани устойчивее к действию облучения, чем растения или ткани с ускоренным ростом. При хроническом облучении проявляется обратная зависимость: чем выше скорость роста, тем меньше угнетаются растения. Это обусловлено интенсивностью деления клеток. Быстро делящиеся клетки накапливают за время одного акта клеточного цикла меньшую дозу и, следовательно, повреждаются слабее. Такие клетки имеют больше возможностей перенести облучение без существенного нарушения функций. Поэтому при облучении в сублетальных дозах любой фактор, увеличивающий продолжительность митоза или мейоза, должен усиливать радиационное повреждение, вызывая увеличение частоты наведенных излучением хромосомных перестроек и более сильное торможение скорости роста [1].

Нарушение митотической активности клеток зависит от вида излучения и его энергии.

Радиобиологический эффект излучений разного вида и неодинаковой энергии, но в одной и той же поглощенной дозе может быть различным.

Биохимическая природа радиационного нарушения в митозе клеток пока неизвестна. Предполагается, что в результате нарушения обмена веществ в клетке накапливаются метаболиты, ингибирующие деление клетки [2].
Установлено, что при облучении нарушается обмен нуклеиновых кислот. По-видимому, эти нарушения также ответственны за торможение или блокаду митоза клеток. Однако убедительных доказательств о связи между радиационным нарушением синтеза ДНК и торможением митоза еще нет.

Установлено, что облучение клеток на стадии интерфазы митоза приводит к замедлению процесса и даже его полной остановке. Однако митотические последствия облучения имеют ритмический характер: после уменьшения числа митозов митотическая активность или восстанавливается или даже усиливается, затем наступает новый спад ее и новое возвращение к норме или стимуляция и т.д. Объяснение этого эффекта весьма дискуссионно. По крайней мере, с внешней стороны, в этом процессе наблюдаются признаки, столь характерные для физиологической реакции торможения и возбуждения биологической системы [2, 3].

Пострадиационное (после облучения) уменьшение митотической активности клеток имеет еще ряд закономерностей. Время наступления минимума митотической активности клеток, длительность и степень торможения митоза зависят от биологической специфики облучаемых клеток, от дозы излучения и в определенных пределах от мощности дозы излучения.

Митотическая радиоустойчивость также значительно различается для разных клеток. У дрожжей митотическая активность нарушается при дозах около 10 Гр, а у растительных и животных организмов при дозе 0,5 Гр. Падение митотической активности в эпидермисе мыши обнаруживается уже при облучении в дозе около 0,05 Гр.

Вообще следует отметить, что пострадиационное нарушение митотической активности весьма чувствительный тест на биологическое действие радиации.

Другим морфологическим эффектом, наблюдаемым в клетках после облучения, являются повреждения хромосом (слипание, образование комков, набухание). Такое действие излучения на хромосомы называют диффузным, так как оно не локализовано, а распространяется на всю хромосому. Предполагается, что диффузное действие излучения на хромосому объясняется какими-то нарушениями в белковой части нуклеопротеидов. Как правило, это действие обратимо: деление клеток продолжается, и образование комков хромосом при последующих делениях не возобновляется. Однако могут быть и необратимые диффузные нарушения хромосом, приводящие к смерти клетки. Наблюдаются и другие повреждения хромосом локальные, ограничивающиеся одним или несколькими участками хромосом. Такие морфологические изменения хромосом называются аберрациями. Можно указать два типа хромосомных аберраций: поломки или разрывы хромосом и соединение фрагментов разных хромосом. Если нарушенная хромосома восстанавливает свое первоначальное состояние, то такой процесс называется реституцией. Соединение фрагментов хромосом приводит к появлению структурно новой хромосомы. Имеющиеся данные показывают, что разрывы хромосом являются следствием не только прямого поражения хромосом ионизирующими частицами, но главным образом следствием косвенного действия через радиационнохимические эффекты.

О косвенном действии излучения на появление хромосомных аберраций свидетельствует кислородный эффект.

Установлено, что с увеличением дозы облучения число хромосомных аберраций увеличивается. Наблюдается также зависимость числа хромосомных аберраций от мощности дозы излучения. Облучение в одной дозе, но при большей мощности дозы вызывает больше аберраций, чем при облучении меньшей мощности дозы.

Хромосомные аберрации могут приводить к разным последствиям: нарушению обмена веществ, задержанию митоза, появлению морфологически видоизмененных клеток и новых генотипов. Крайним случаем является гибель клетки [2].

Необходимо отметить, что физиологическое действие радиации на клеточном уровне изучено еще очень мало. Несомненно, что нарушения обмена веществ в клетках, мембранах и других структурных элементах клетки приводят к нарушению всего механизма регуляторных физиологических функций клетки, проявляющемуся в ее реакции на внешние условия, в прохождении фаз и стадий роста и развития клетки. Наиболее изученным радиобиологическим эффектом, как уже отмечалось, является нарушение физиологической функции митоза. Более изучено физиологическое действие излучений на уровне целого многоклеточного организма.

Прежде всего, отметим, что у растений нет каких либо органов, которые были бы избирательно чувствительны к радиации. Хотя и могут быть местные локальные радиационные нарушения тех или иных тканей или органов многоклеточного организма, однако организм реагирует на любое действие ионизирующих излучений как единое целое [3-6].

Лучевое поражение растений проявляется в замедлении роста и развития, снижении урожайности, понижении репродуктивности семян. Пищевое качество урожая также снижается. Тяжелое поражение приводит к полной остановке роста и гибели растений через несколько дней или недель после облучения. Степень радиоактивного поражения зависит в основном от величины получаемой дозы облучения и радиочувствительности растения во время облучения.

Радиочувствительность растений сильно зависит от фазы развития их во время облучения.

Посевные качества семян в наибольшей степени снижаются при облучении в фазе колошения у зерновых и цветения у бобовых.

Эффект радиационной стимуляции попользуется в практике сельского хозяйства для повышения урожайности (метод предпосевного облучения семян). Облучение семян ряда культур в относительно небольших дозах (порядка 500-1000 рад) ускоряет созревание последних, увеличивает массу сельскохозяйственного продукта. Наблюдаются положительные изменения в накоплении в растениях таких ценных веществ, как белки, жиры, витамины и др.

В рассмотренных случаях стимуляционный эффект имеет интегральный, статистический характер. Он проявляется как результат накопления стимуляционных эффектов многих биологических объектов.
Наблюдаются также такие явления, характерные для раздражимых систем, как смена состояния возбуждения и торможения.

Например, Н.М. Сисакян обнаружил, что рентгеновское облучение проростков ржи в дозе 5000-30 000 рад вначале усиливает биосинтез белков, сахарозы и нуклеиновых кислот, а через сутки тормозит, угнетает [2].

Возможен и обратный физиологический эффект: на облучение живой организм отвечает реакцией торможения физиологических функций, а затем торможение сменяется возбуждением. Живой организм может возвратиться в нормальное состояние через прохождение одной фазы возбуждения и одной фазы торможения (две фазы) или через прохождение нескольких фаз возбуждения и торможения (многофазный процесс восстановления).

Изучение закономерностей генетической нестабильности у растений имеет важное фундаментальное и прикладное значение, в частности, для прогнозирования отдаленных последствий облучения различных видов растений с целью сохранения их генофонда. В связи с возрастанием в окружающей среде содержания поллютантов антропогенного происхождения с широким спектром действия, в частности, радионуклидного загрязнения, актуальной задачей является поиск эффективных препаратов природного происхождения, способных оказывать защитное действие на геном клеток.

В качестве перспективного источника веществ с радиопротекторными свойствами рассматривают натуральный природный материал, что связано, прежде всего, с его относительной доступностью как сырья, нетоксичностью или низкой токсичностью получаемых из него продуктов, их стабильностью, положительным системным характером воздействия на организмы [7-9].

Литература

1. Анненков, Б.Н., Юдиннева, Е.В. Основы сельскохозяйственной радиологии /Б.Н. Анненков, Е.В. Юдиннева. – М.: Агропромиздат, 1991. – 287 с: ил.
2. Гродзинский, Д.М. Радиобиология растений / Д.М. Гродзинский. – Киев, 1989. – 384 с.
3. Fiskesjo, G. The Allium test as a standard in environmental monitoring / G. Fiskesjo // Hereditas. – 1985. – V. 102. – P. 99-102.
4. Гудков,И.Н. Роль асинхронности клеточных делений и гетерогенности меристемы в радиоустойчивости растений / И.Н. Гудков, Д.М. Гродзинский // Механизмы радиоустойчивости растений. – Киев: Наукова думка, 1976. – С. 110-137.
5. Evseeva, T.I. Genotoxicity and cytotoxicity assay of water sampled from the underground nuclear explosion site in the north of the Perm region (Russia) / T.I. Evseeva // J. Environ. Radioactivity.– 2005. – Vol. 80. – P. 59-74.
6. Токсические и цитогенетические эффекты, индуцируемые у Allium cepa L. низкими концентрациями Cd и 232Th / Т.И. Евсеева [и др.] // Цитология и генетика. – 2005. − № 5. − С. 73-80.
7. Rank J., Nielsen M.H. A modified Allium test as a tool in the screening of the genotoxicity of complex mixtures // Hereditias. – 1993. – № 118. – P. 49-53
8. Knoll, M.F. Effects of Pterocaulon polystachyum DG (Asteraceae) on onion (Allium cepa) root-tip cells / M.F. Knoll // Genetics and Molecular Biology. − 2006. − Vol. 29. − P. 539-542.
9. Akinboro, A. Cytotoxic and genotoxic effects of aqueous extracts of five medicinal plants on Allium cepa Linn. / A. Akinboro, A.A. Bakare // J. Ethnopharmacol. − 2007. − Vol. 112. – N 3. − P. 470.

---

© Елена Карпова, младший научный сотрудник лаборатории радиоэкологии

e-mail: elena.karpova1991@mail.ru