11.08.2017
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.
6 часов назад
Мария Азарова

Ученые из США представили альтернативный молекулярный механизм образования меланоцитарного невуса, который согласуется как с экспериментальными, так и с клиническими наблюдениями.

26 ноября
Анастасия Михалева

За всю историю исследования в космосе побывали более 500 человек. В океан на глубину более 10 километров спускались всего трое. Мы до сих пор знаем о Мировом океане и его обитателях недопустимо мало.

Вчера, 14:37
Николай Цыгикало

Запуск в космос всегда динамичен. Ревущий старт, огромный факел огня, затихающий гром в небе. Первая ступень отработала и отделилась, отработала следующая, эстафета ускорения закончилась достижением орбитальной скорости на нужной высоте. Пуск ракеты завершен, заняв всего восемь – десять минут. Но выведение на этом не заканчивается. В работу вступает особая, космическая ступень. Именно она поднимает орбиту на большую высоту, начинает межпланетное путешествие, и решает много других задач. О ее сложной работе и больших возможностях – в нашем материале.

25 ноября
НИУ ВШЭ

Мобильные ученые публикуются в индексируемых журналах в два раза чаще. К такому выводу пришли исследователи из НИУ ВШЭ.

26 ноября
Анастасия Михалева

За всю историю исследования в космосе побывали более 500 человек. В океан на глубину более 10 километров спускались всего трое. Мы до сих пор знаем о Мировом океане и его обитателях недопустимо мало.

25 ноября
Илья Ведмеденко

Российские инженеры спроектировали самолет для межконтинентальных полетов в стратосфере. Его можно назвать условным аналогом британского Skylon.

3 ноября
Ольга Иванова

Исследований на эту тему, как ни странно, мало, хотя предположений — великое множество. По мнению ученых из Венгрии, одна из причин такого поведения — высокая концентрация внимания на речи хозяина, а еще это означает, что собака слышит знакомое слово.

12 ноября
Мария Азарова

Кошки оказывались сбиты с толку, когда их человек, как им казалось, «телепортировался» в новое, неожиданное место. Однако они не реагировали таким же образом на чужих людей или других животных.

2 ноября
Мария Азарова

Авторы новой работы на примере Шотландии определили характеристики людей, умерших от Covid-19, хотя они были привиты, а также выявили основные предикторы смертности.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: