Радиационно-индуцированное повреждение ДНК

По современным представлениям большая часть биологических эффектов ИИ связана с повреждением молекул ДНК, являющихся наиболее чувствительной к излучению частью клетки. Эти повреждения вызываются прямым и косвенным воздействием ИИ. В первом случае ИИ поражает молекулу ДНК прямо, разрывая ее структуру (рис. 1.25). При косвенном воздействии ИИ повреждает молекулы воды, или другие органические молекулы. Образующиеся при этом свободные радикалы могут образовать разрыв химических связей в молекуле ДНК (рис. 1.25).

Разрыв одной из нитей ДНК называют одиночным разрывом. Совпадение разрывов противоположных нитей ДНК в одной точке приводит к появлению двойных разрывов. Интересно, что одиночные разрывы возникают в клетке в нормальных условиях и без всякой связи с облучением в результате теплового движения молекул, окислительных процессов и др. При дозе ионизирующего излучения в 0,025 Гр (2,5 рад) в ядре каждой клетки создается около 5×10³ ионизаций, приводящих к ~ 25 одиночным разрывам ДНК и к ~ 1 двойному разрыву. Однако в клетке существует специальный ферментативный механизм, который непрерывно мониторит целостность ДНК, распознает повреждения и успешно репарирует подавляющую часть разрывов. Репарационные процессы настолько эффективны, что, несмотря на все повреждения, большая часть клеток выживает.

Двойные разрывы репарируются значительно хуже, чем одиночные. Кроме того, репарация не всегда заканчивается восстановлением исходной молекулы. Например, вместо воссоединения разорванной связи может возникнуть связь между свободными концами двух противоположных нитей молекулы ДНК, между свободными концами в местах разных разрывов одной и той же нити ДНК и даже между свободными концами разных молекул ДНК. Неправильное воссоединение разрывов приводит к возникновению хромосомных аберраций.

Рис. 1.25. Иллюстрация прямого и косвенного действия ИИ на молекулу.

ДНК [17].

Неверная репарация сахарно-фосфатного скелета и оснований и их химическая модификация препятствуют считыванию с нее генетической информации, а также нормальной репликации ДНК и последующему распределению генетического материала между клетками при их делении. Если дело касается ДНК в неделящихся клетках, то повреждение каких-то участков ее цепи может и не сказаться существенно на жизнедеятельности этих клеток. Для делящихся клеток радиационные повреждения ДНК могут привести к потере (или модификации) некоторых генов и, следовательно, к потере специфических функций, часть из которых может быть существенной для выживания клетки.

Структуры ДНК уникальны. Если повреждения молекул других типов могут быть скомпенсированы за счет оставшихся неповрежденными молекул белков, полисахаридов и т. п., то в случае ДНК такой путь исключен. Если в результате облучения возникли называвшиеся ранее повреждения ДНК, например, двойные разрывы или сшивки, нормальная репликация осуществляться не может. При формировании хромосом повреждения ДНК проявляются возникновением мостов, фрагментов и других типов хромосомных аберраций, многие из которых летальны, поскольку при них невозможно равномерное распределение генетического материала между дочерними клетками. Эта форма гибели клеток в митозе получила наименование репродуктивной гибели.

Еще одним важным для организма результатом лучевого повреждения ДНК является возникновение наследуемых повреждений генетического материала — мутаций. Результатом таких мутаций может быть злокачественное перерождение клеток тела или дефекты развития у потомства. При воздействии малых доз облучения эти процессы являются одним из наиболее существенных проявлений повреждающего действия радиации. Все это является причиной, почему ДНК считается наиболее уязвимой частью клетки по отношению к радиационному повреждению.