СОСТОЯНИЕ ГЕНОМА В УСЛОВИЯХ ХРОНИЧЕСКОГО ОБЛУЧЕНИЯ

Специфической особенностью биологического действия ионизирующей радиации является поражение уникальных генетических структур клеточного ядра, способное к частичной репарации соответствующими ферментными системами или приводящее к репродуктивной гибели клеток. Поражение мембран и других биологических структур, развитие свободнорадикальных реакций перекисного окисления, разнообразных биохимических реакций, вплоть до интерфазной гибели клеток, а также реактивных изменений со стороны других систем, в большей или меньшей степени неспецифично.

Авария на Чернобыльской АЭС не имеет аналогов, как по площади радиоактивного загрязнения, так и по величине поглощенных объектами живой природы доз [1]. В Чернобыльском выбросе присутствовал более широкий спектр радионуклидов по сравнению с аварией 1957 г. на Южном Урале. Значительный вклад в активность выпадений внесли 131I, 137Cs, 134Cs, 90Sr, 238,239,240Pu и 241Am, которые благодаря своей высокой подвижности и высокоэнергетическому спектру излучений представляют наибольшую опасность для растений и животных. Сложная зависимость от времени радионуклидного состава выброса привели к чрезвычайно негомогенной картине выпадений. Неоднородное распределение радионуклидов обусловило большой разброс дозовых нагрузок на объекты живой природы, который в ряде случаев даже на небольших участках выходил за пределы порядка.

При изучении генетических последствий загрязнения посевов озимой ржи радиоактивными выпадениями Чернобыльской АЭС в наиболее острую фазу радиационного воздействия (вегетационный период 1986 г.) установлена закономерная изменчивость в зависимости от дозы выхода аберрантных клеток и их нагруженности повреждениями [2]. На фоне достоверного роста цитогенетических нарушений наблюдалась стимуляция морфометрических показателей проростков, характеризующих жизнеспособность на ранних этапах онтогенеза.

В работе с арабидопсисом, произраставшим (1987-92 г.) на участках с разными уровнями радиоактивного загрязнения в 30-км зоне контроля аварии на ЧАЭС установлено, что зависимость частоты эмбриональных летальных мутаций (в том числе хлорофилльных) от дозы облучения представляла степенную функцию с показателем степени меньше единицы [3]. Что свидетельствует об относительно более высокой эффективности низких доз радиации.

Исследования, проводимые на ВУРСе (Восточно-Уральский радиоактивный след), показали, что 90Sr + 90Y (основной источник ионизирующего излучения) индуцирует в популяциях живых организмов мутационный процесс, интенсивность которого пропорциональна мощности доз хронического β-излучения. Один из показателей этого мутационного процесса – появление большого числа нарушений хромосомного аппарата в делящихся клетках организмов. Другой показатель – повышенная частота генных мутаций, например пигментных, что было показано на модельных и природных популяциях хлореллы. В условиях хронического облучения обитают популяции микроорганизмов, растений и животных в целом более радиоустойчивые, чем те же виды, обитающие в контрольных условиях [4, 5]. Исследования динамики мутационного процесса в последовательных поколениях природных популяций растений Centaurea scabiosa L. c целью изучения закономерностей формирования генетического груза при длительном пребывании их в условиях повышенного фона радиации показали, что данные популяции растений в течение всего периода наблюдений характеризуются повышенным уровнем генетической изменчивости по цитогенетическим изменениям, хлорофилльным и генным мутациям [6]. Авторы заключили, что хроническое облучение приводит к включению в генный пул новых редких аллельных форм, что сказывается на генофонде популяции. Изменение генетической структуры происходит за счет увеличения концентрации редких аллелей, против которых действует отсекающий отбор.

У растений одуванчика лекарственного, произрастающего в условиях хронического облучения, наблюдалось увеличение феногенетического разнообразия большинства ферментных систем, повышение доли редких морф [7]. Было сделано предположение, что в ценопопуляциях растений из зоны радиоактивного загрязнения более интенсивно идут рекомбинационные процессы в геноме. Большое разнообразие ферментов служит материалом для естественного отбора и повышает адаптивный потенциал ценопопуляций.

Проведенные в последние годы исследования отдаленных последствий действия радиации на клетки человека и животных позволили выявить ряд новых положений в радиобиологии и генетике. Одно из них установление того, что генетические эффекты действия радиации не ограничиваются изменениями, обнаруживаемыми непосредственно после соответствующих воздействий. Оказалось, что такие и другие повреждения генома (хромосомные и генные мутации, трансформация, репродуктивная гибель клеток, изменения радиочувствительности и др.) могут возникать de novo в достаточно отдаленных поколениях выживших клеток [8]. Они отличаются по спектру и выраженности от результатов острых воздействий и объединяются в понятие «индуцированная нестабильность генома». Радиационно-индуцируемая нестабильность генома наблюдалась при дозах менее чем 50 мЗв редкоионизурующей и 10 мЗв плотноионизирующей радиации и обнаруживалась, по крайней мере, еще через 50 и более клеточных генераций. Основные проявления действия радиации были связаны с дестабилизацией хромосом и выражены различными типами хромосомных и хроматидных нарушений. При этом дочерние клетки отличались от родительских, т.е. непосредственно подвергавшихся действию радиации, по спектру цитогенетических нарушений. Выявляемые повреждения были случайны и непредсказуемы как по частоте, так и выраженности. Тем не менее, некоторые типы аберраций (хроматидные разрывы, фрагменты и малые хромосомы) были более подвержены передаче в поколениях. Возможно, поэтому спектр мутаций в дочерних клетках оказывается ближе к спонтанному, чем к радиационно-индуцированному.

Механизмы индуцированной нестабильности генома пока точно не установлены. В.К. Мазурик и В.Ф. Михайлов [9] пришли к выводу о заинтересованности всех процессов, участвующих в поддержании стабильности генома. По их мнению, ионизирующая радиация нарушает три взаимосвязанные системы, обеспечивающие: а) окислительно-восстановительный гомеостаз; б) контроль клеточного цикла в сверочных точках (check points); в) механизмы репарации ДНК. В первом случае повышается продукция активных форм кислорода, который повреждает клеточные компоненты, особенно ДНК, и приводит, тем самым, к увеличению частоты клеточной гибели, различным мутациям и аберрациям хромосом. Во втором – могут индуцироваться множественные мутации в гене и повышаться экспрессия белка с утраченной эффективностью контроля над другими генами, участвующими в надзоре за клеточным циклом и за элиминацией поврежденных клеток путем апоптоза. В итоге часть клеток с мутациями может сохраняться в потомстве и поддерживать нестабильность генома. В третьем – под влиянием радиации могут происходить как нерепарируемые и частично репарируемые повреждения ДНК, так и нарушения самих механизмов репарации, что приводят к поддержанию нестабильности генома.

Литература

  1. 20 лет после Чернобыльской катастрофы: Последствия в Республике Беларусь и их преодоление.  Национальный доклад // Под ред. В.Е. Шевчука, В.Л. Гурачевского. – Минск: Комитет по проблемам последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС при Совете Министров Республики Беларусь. 2006. – 112 стр.
  2. Зяблицкая, Е.Я. Анализ генетических последствий загрязнения посевов озимой ржи радиоактивными выпадениями Чернобыльской АЭС / Е.Я. Зяблицкая [и др.] // Радиационная биология. Радиоэкология. – 1996. – Т. 36,  № 4. – С. 498-505.
  3. Абрамов, В.И. Генетические эффекты малых доз хронического облучения формирующихся семян Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. / В.И. Абрамов, А.В. Рубанович, В.А. Шевченко // Генетика. – 2005. – Т. 41. Вып. 9. – С. 1244-1250.
  4. Дубинин, Н.П. Современные проблемы радиоэкологии / Н.П. Дубинин, В.А. Шевченко, М.Д. Померанцева. – М.: Атомиздат, 1971. – С. 183-227.
  5. Успехи современной генетики / Н.П. Дубинин [и др.]. – М.: Наука, 1972. – С. 170-205.
  6. Кальченко, В.А. Цитогенетические эффекты в популяциях растений, произрастающих на Восточно-Уральском радиоактивном следе / В.А. Кальченко [и др.] // Радиационная биология. Радиоэкология. – 2002. – Т. 42, № 6. – С. 745-749.
  7. Ульянова, Е.В. Изменчивость ферментных систем в ценопопуляциях одуванчика лекарственного из зоны Восточно-Уральского радиоактивного следа / Е.В. Ульянова, В.Н. Позолотина // Радиационная биология. Радиоэкология. – 2004. – Т. 44, № 5. – С. 579-584.
  8. Ахматуллина, Н.Б. Отдаленные последствия действия радиации и индуцированная нестабильность генома / Н.Б. Ахматуллина // Радиационная биология. Радиоэкология. – 2005. –Т. 45, № 6. – С. 680-687.
  9. Мазурик, В.К., Михайлов В.Ф. Радиационно-индуцируемая нестабильность генома: феномен, молекулярные механизмы, патологические значения / В.К. Мазурик, В.Ф. Михайлов // Радиационная биология. Радиоэкология. – 2001. – Т. 41, № 3. – С.272-289.

Шамаль Наталья Владимировна
Шамаль Наталья Владимировна

© Наталья Шамаль, старший научный сотрудник лаборатории радиоэкологии

e-mail: namahasha@rambler.ru