Ученые выяснили, как длительное ионизирующее излучение воздействует на стволовые клетки человека. Оказалось, что в стволовых клетках происходит задержка клеточного цикла и это позволяет чинить вызванные радиацией двойные разрывы ДНК с меньшими ошибками. Науке предстоит выяснить, как это влияет на функционирование организма, в частности на риск заболеть раком.
Исследование провели сотрудники Московского государственного университета, Московского физико-технического института, Федерального медицинского биофизического центра имени А. И. Бурназяна, Института химической физики имени Н. Н. Семенова РАН, Института биохимической физики имени Н. М. Эмануэля РАН, Центральной клинической больницы Управления делами президента Российской Федерации, Российского онкологического научного центра имени Н. Н. Блохина и компании «Институт стволовых клеток человека» совместно с коллегами из США и Канады. Статья с результатами их работы опубликована в журнале Oncotarget, кратко об итогах исследования рассказывает пресс-релиз МФТИ.
Когда статистика бессильна
Ионизирующее излучение, которое часто называют просто радиацией, бывает разных видов: рентгеновское излучение, гамма-излучение, потоки различных частиц. Ионизирующее излучение способно превратить нейтральные атомы и молекулы в заряженные ионы. Воздействие радиации на организм неизбежно: за счет естественного радиационного фона средний житель планеты получает ежегодно около 3 мГр (миллигрей). А при рентгеновском обследовании – от 0,001 мГр до 10 мГр в зависимости от типа процедуры. Однако передозировка опасна: при дозе более 1 Гр (1 Гр=1000 мГр), полученной за короткий промежуток времени, возникает острая лучевая болезнь.
Чтобы обеспечить радиационную безопасность, нужно уметь оценивать риски, которые несет с собой ионизирующее излучение. Из обследований людей, подвергшихся облучению, достоверно известно только то, что высокие дозы радиации увеличивают риск раковых заболеваний. На основании этого регулирующие органы приняли линейную модель, согласно которой даже маленькое превышение дозы ведет к увеличению риска рака. Однако в экспериментах малые дозы облучения либо не приводили к отклонениям, либо даже оказывали положительное действие – увеличение продолжительности жизни и снижение частоты раков. Кроме того, необходимо учитывать мощность дозы. Одна и та же доза, полученная за длительный промежуток времени, наносит меньший ущерб, чем в случае кратковременного облучения. О том, как именно учитывать мощность дозы, ведутся непрекращающиеся споры. В реальных ситуациях люди чаще подвергаются небольшому и длительному облучению, поэтому важно понять, как длительное ионизирующее излучение воздействует на организм.
Двойные разрывы ДНК
Одно из негативных воздействий радиации – образование так называемых двойных разрывов, когда рвутся обе цепи ДНК. Клетка способна восстанавливать поврежденные участки, это называется репарацией ДНК. Разрыв одной цепи восстанавливается по последовательности второй цепи, двойные разрывы восстанавливаются другими способами и при этом велик риск ошибки. Если системы репарации не починят такие разрывы или починят неправильно, это может привести к онкологическим заболеваниям. Поэтому исследования по воздействию радиации на живые клетки в основном концентрируются на двойных разрывах. С недавнего времени выяснилось, что в образовании опухоли основную роль играют стволовые клетки (клетки без определенной специальности), потому что они могут накопить мутации и передать их потомкам – специализированным клеткам. Однако воздействие длительного облучения на стволовые клетки изучено очень слабо.
Ученые провели несколько экспериментов на стволовых клетках из десны. Клетки подвергали кратковременному и длительному воздействию рентгеновского излучения в одних и тех же дозах. Образование двойных разрывов отслеживали с помощью маркеров – скоплений окрашенных белков γH2AX и 53BP1. Оказалось, что при кратковременном облучении количество обоих маркеров возрастает линейно при увеличении дозы. А при длительном облучении – сначала линейно, а где-то на 1 Гр выходит на плато. То есть количество разрывов, дойдя до определенного значения, перестает возрастать. Наступает своеобразный баланс между образованием повреждений и их репарацией.
a) Окраска клеточного ядра, 53BP1, γH2AX и всего сразу; b) кратковременное облучение (мощность 5400 мГр/ч); c) длительное облучение (мощность 270 мГр/ч). Илл.: МФТИ
Ремонт ДНК
У клетки есть системы репарации, которые могут починить двойные разрывы ДНК. Однако после кратковременного облучения в больших дозах репарация 8 из 10 образованных двойных разрывов происходит с помощью воссоединения концов – относительно быстрого, но некорректного механизма. Из-за этого часто возникают хромосомные нарушения. Двойные разрывы ДНК, восстановленные некорректно, приводят к гибели клеток, активации онкогенов или подавлению активности антионкогенов. Другой механизм репарации двойных разрывов – гомологичная рекомбинация. Для восстановления разрыва используется похожая или идентичная молекула ДНК в качестве образца. Этот механизм дает гораздо меньше ошибок, но он возможен только в определенных фазах клеточного цикла. Гомологичную рекомбинацию ученые отследили по маркеру – белку Rad51. В течение двух часов облучения количество Rad51 оставалось примерно на одном уровне, а потом линейно возрастало. Ученые предположили, что во время длительного облучения происходит активация гомологичной рекомбинации.
Деление клеток
В то время как одни стволовые клетки делятся, другие перестают делиться, и между ними сохраняется баланс. Ученые подсчитали количество двойных разрывов отдельно в делящихся и пассивных клетках. Клетки можно различить с помощью специального белка, который находится только в делящихся клетках. Оказалось, что число двойных разрывов растет одинаково в делящихся и неделящихся клетках и в обоих видах клеток достигает постоянного значения.
Цикл клетки. Фаза G0 – фаза покоя, клетка не делится. Во время фазы G1 происходит подготовка к делению, содержимое клетки, кроме хромосом, удваивается. Во время фазы S с ДНК «снимается копия» – все 46 хромосом удваиваются. G2 – конечный этап подготовки к делению, то есть к митозу. Илл.: МФТИ
Кроме того, выяснилось, что облучение не повлияло на долю делящихся клеток: она всегда была примерно 80%. Но, проведя более подробное исследование, ученые обнаружили, что после четвертого часа медленного облучения значительно вырастает доля клеток, которые находятся в фазах клеточного цикла S (синтез ДНК) и G2 (последняя подготовка к делению клетки). Во время этих фаз в клетке находится копия ее ДНК, чтобы впоследствии клетка могла разделиться на две. Именно во время этих фаз и возможна гомологичная рекомбинация. Этим может объясняться возрастание маркера Rad51. То есть во время облучения происходит задержка клеточного цикла и увеличивается доля клеток в тех фазах, где возможна гомологичная рекомбинация. Таким образом, появляется возможность корректной репарации двойных разрывов.
«Мы показали, что продолжительное облучение мезенхимальных стволовых клеток приводит к их перераспределению по клеточному циклу. Это может влиять на биологический ответ на радиацию. Полученные нами результаты могут стать основой для дальнейших исследований двойных разрывов в стволовых клетках и их влияния на образование опухолей», – комментирует работу Сергей Леонов, директор Физтех-школы биологической и медицинской физики.
