Стволовые клетки человека адаптируются к «медленному» воздействию радиации — Naked Science
13 минут
ФизТех

Стволовые клетки человека адаптируются к «медленному» воздействию радиации

Исследователи из ряда российских институтов выяснили, как длительное ионизирующее излучение воздействует на стволовые клетки человека.

Стволовые клетки человека адаптируются к «медленному» воздействию радиации
Стволовые клетки человека адаптируются к «медленному» воздействию радиации

Специалисты из ряда российских институтов, включая МФТИ, 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. Статья опубликована в Oncotarget.

Когда статистика бессильна

Ионизирующее излучение — это то, что в народе называют радиацией. Оно бывает разных видов: рентгеновское, 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 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 или не приводили к отклонениям, или даже оказывали положительное действие — увеличение продолжительности жизни и снижение частоты онкологических заболеваний. Кроме того, необходимо учитывать мощность дозы. Одна и та же доза, полученная за длительный промежуток времени, наносит меньший ущерб, чем кратковременное облучение. О том, как именно учитывать мощность дозы, ведутся непрекращающиеся споры. В реальных ситуациях люди чаще подвергаются небольшому и длительному облучению, поэтому важно понять, как оно 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, что 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. Но воздействие длительного облучения на стволовые клетки изучено очень слабо.

Ученые провели несколько экспериментов на стволовых клетках, взятых из десны. Их 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.

fig1.png

Рисунок: a) Окраска клеточного ядра, 53BP1, γH2AX и всего сразу; b) кратковременное облучение (мощность 5400 мГр/ч); c) длительное облучение (мощность 270 мГр/ч)

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 при помощи 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. Исследователи предположили, что во время длительного облучения происходит активация гомологичной рекомбинации.

fig2.png

Деление клеток

В то время как одни стволовые клетки делятся, другие перестают это делать, 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, достигая постоянного значения и в тех, и в других.

жизненный цикл клетки.jpg
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

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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
11 часов назад
6 минут
Василий Парфенов

Вопрос разработки способов запасания электричества в XXI веке встал невероятно остро — ученые со всего мира ломают голову над тем, как сделать батареи более емкими. Армейская исследовательская лаборатория США добилась успехов в создании тончайших антисегнетоэлектрических пленок из гафната свинца. Это сложное в получении соединение обладает большим потенциалом к применению в аккумуляторах и электрических вентилях.

Вчера, 18:35
4 минуты
Ольга Иванова

NASA смоделировало ситуацию, при которой нашей планете угрожает крупное небесное тело, и выяснило, как много времени понадобится землянам, чтобы предотвратить катастрофу. Спойлер: мы все умрем.

Вчера, 12:00
2 минуты
Илья Ведмеденко

Как следует из обнародованных материалов, дальность действия перспективной американской системы гиперзвукового оружия Long Range Hypersonic Weapon превышает 2775 километров.

11 мая
11 минут
Мария Азарова

Американские ученые показали, что РНК коронавируса SARS-CoV-2 проходит через обратную транскрипцию, встраивается в геном инфицированной клетки и экспрессируется в виде «химерных» транскриптов, сливающихся с вирусными с клеточными последовательностями.

12 мая
7 минут
Мария Азарова

Исследователи впервые показали присутствие коронавируса в ткани полового члена спустя как минимум полгода с момента заражения. Судя по всему, распространенная у пациентов с Covid-19 дисфункция эндотелиальных клеток может приводить и к развитию импотенции.

11 мая
8 минут
Мария Азарова

Блокирование рецептора, который помогает сохранять энергию в условиях голода, назвали ключом к более безопасным профилактике и лечению ожирения, вызванного неправильным образом жизни.

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

25 апреля
17 минут
Александр Березин

На этой неделе СМИ выдали новость, от которой можно впасть в шок: «Ранее из России уезжало около 14 тысяч исследователей [в год], теперь — 70 тысяч». Мы внимательно разобрались в ситуации и вынуждены отметить, что ничего подобного не было и нет. В реальности речь вовсе не об ученых и даже не о высококвалифицированных специалистах. Проблемы с учеными в России есть. Но в этом случае речь идет не о них, а о том, что отдельные бывшие комсомольские вожаки, удачно устроившиеся в РАН, перепутали утечку мозгов из России с отъездом из нее гастарбайтеров. Разбираемся, как это у них получилось.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: