книги из ГПНТБ / Дертингер Г. Молекулярная радиобиология. Действие ионизирующих излучений на элементарные биологические объекты

8.Gellert M. Proc. nat. Acad. Sci. (Wash.), 1967, 57, 148.

9.Hanawalt P. C, Haynes R. H. Scient. Amer., 1967, 216, 36.

10.Harm W. Mutation Res., 1969, 8, 411.

11.Harm W. e. a. Mutation Res., 1968, 6, 371.

12.Haynes R. H. Radial. Res., 1962, 16, 562.

13.Haynes R. H. Photochem. Photobiol., 1964, 3, 429.

14.Haynes R. H. Radial. Res. Suppl., 1966, 6, 1.

16.Hill R. F. Photochem. Photobiol., 1965, 4, 563.

17.Howard-Flanders P. Ann. Rev. Biochem., 1968, 37, 175.

20.Howard-Flanders P. e. a. Genetics, 1964, 49, 237.

21.Kaplan H. S. Proc. nat. Acad. Sci. (Wash.), 1966, 55, 1442.

24.Kelner A. Proc. nat. Acad. Sci. (Wash.), 1949, 35, 73J

25.Lett J. T. e. a. Proc. Roy. Soc. (Lond.), 1967, B167, 184.

26.McGrath R. A., Williams R. W.'Nature, 1966, 212, 534.

27.McGrath R. A. e. a. Biophys. J., 1966, 6, 113.

28.Moseley В. E. В., Laser H. Nature, 1965, 206, 373.

29.Munson R. J. ,Bridges B. A. Nature, 1966, 210, 922.

32.Reiter H., Strauss B. S. J. molec. Biol., 1965, 14, 179.

33.Rorsch A. e. a. In: Radiation research. Ed. G. Silini. Amsterdam, North-

37.Setlow J. K. Photochem. Photobiol, 1964, 3, 405.

38.Setlow J. K. Radiat. Res. Suppl., 1966, 6, 141.

39.Setlow R. В., Carrier W. L. Proc. nat. Acad. Sci. (Wash.), 1964, 51, 226.

40.Szybalski W., Орага-Kubinska Z. In: Cellular radiation biology. Baltimore, Williams and Wilkins, 1965, p. 223.

41.Taylor A. L., Trotter C. D. Bact. Rev., 1967, 31, 332.

42.Witkin E. M . Science, 1966, 152, 1345.

230

РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ Г Л А В А и И СТЕПЕНЬ СЛОЖНОСТИ

БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОРГАНИЗАЦИИ

После того как мы рассмотрели действие радиации на бак­ терии, задача, поставленная в начале книги, может считаться выполненной. Цель ее состояла в том, чтобы обсудить важней­ шие молекулярные механизмы лучевого повреждения и описать

дение некая, весьма важная концепция, а именно теория мише­ ни., в основе своей утверждающая, что радиочувствительность биологической системы возрастает с увеличением размера чув­

и 16). Неодинаковые вероятности инактивации могут быть по­ лучены благодаря тому, что специфические биологические фак­ торы решают вопрос, может ли система «пережить» определен­ ное повреждение ДНК, т. е. способна ли она репарировать это повреждение. Однако ответ в данном случае зависит от типа нуклеиновой кислоты (одноили двухцепочечной) и, в конеч­ ном счете, если в процессе участвуют клетки более высокой структуры, — от характера распределения Д Н К в хромосомах, которые могут присутствовать даже в количествах, кратных нормальному (полиплоидия).

14.1. Попытка систематического подхода

Различие между радиочувствительностью разных биологи­ ческих систем вызвало многочисленные попытки сопоставить радиочувствительность с химическими и морфологическими ха­ рактеристиками и, таким образом, пролить свет на природу инактивирующих событий, а также на тип и размер чувствитель­ ной структуры. Примерная корреляция между этими параметра-

231

ми и радиочувствительностью была отмечена уже в 1940 г. Ли [7], Вольманом и Лакасаном [11]. Эти исследователи обнаружи­ ли, что мелкие вирусы гораздо устойчивее к радиации, чем круп­ ные. Используя более совершенную методику изготовления пре­ паратов, а также методы наблюдения, дающие возможность проводить более точные измерения, Эпштейн в 1953 г. [4] дока­ зал, что радиочувствительность вирусов коррелирует скорее с

ния не только относительно вирусов, но также относительно бак­

пы, различающиеся своей специфической радиочувствитель­ ностью.

В пределах данных экспериментальных групп увели­ чение чувствительности пропорционально содержанию ДНК, что при изображении на двойном логарифмическомграфике дает

232

прямые с градиентом, равным единице (45°). Вероятность инак­ тивации в группе 1 равна примерно единице (см. табл. 15), в группе 2 — примерно 0,1 (см. табл. 16), в группе 3 — примерна 0,02 и в группе 4 она достигает величины порядка 0,002. Таким образом, радиочувствительность при постоянном числе нуклеотидов снижается на три порядка при усложнении уровня био­ логической организации в анализируемых системах. Причины, вызывающие повышение резистентности при переходе из груп­ пы 1 в группу 2, были подробно рассмотрены в гл. 12, однако,

можно думать, что все повреждения ДНК, летальные для орга­ низмов группы 2, окажут инактивирующее действие на организ­ мы группы 3. Поскольку из гл. 12 и 13 известно, что репарация одноцепочечных разрывов и повреждений оснований ДН К про­ исходит в бактериях и двухцепочечных вирусах, не совсем по­ нятно, почему группы 2 и 3 не совпадают.

Чтобы ответить на этот вопрос, Каплан и Мозес [6] пыта­ лись выяснить, оправданы ли наклоны четырех прямых на рис. 115. Статистически они доказали, что экспериментальные ре­ зультаты точнее описываются с помощью четырех параллель­ ных линий с градиентом 0,809, чем линиями с градиентом, рав­ ным единице. Тогда разница между прямыми 2 и 3 становится статистически недостоверной и обсуждение причины различной вероятности инактивации, очевидно, теряет смысл. Однако до­ пущение градиента 0,809, означающее, что существует степей- * ная зависимость между радиочувствительностью и содержа­ нием ДНК, имеет важные последствия, которые в деталях об­ суждались авторами этой книги.

При переходе от гаплоидных клеток к диплоидным радиочув­ ствительность уменьшается на порядок. Увеличение резистент­

не будет закончена репарация. Однако вполне возможно, что при облучении гаплоидных клеток рецессивные летальные му­ тации, такие, как точечная мутация или малая делеция, могут оказаться ответственными за большую часть общей инактива­ ции, в то время'как в диплоидных организмах инактивация обу­ словлена главным образом доминантными летальными мутация­ ми, например, такими, как хромосомные аберрации или разры­ вы. Кроме того, известно, что не вся клеточная ДН К требуется для осуществления процесса деления, так как время от времени часть хромосомы теряется во время митоза, хотя при этом и образуется жизнеспособное потомство («избыточность генети­ ческой информации»). Наконец, нужно учесть и то, что дип-

233

.лоидные клетки содержат две копии каждой из молекул ДНК, и это обстоятельство может способствовать дальнейшему сни­ жению чувствительности. Приведенные доводы объясняют, по­ чему диплоидные клетки оказываются столь резистентными к ионизирующему облучению. Однако поиски основных решаю­

уровнями биологической организации среди огромного множе­ ства различных биологических систем. Терци удалось получить идентичные результаты [9], в то время как Сперроу с соавт. [8], включив в рассмотрение растительные клетки, выделили восемь различных групп, где радиочувствительность пропорциональна объему интерфазных хромосом. Такого рода обобщение резуль­ татов несомненно содержит элемент неопределенности, что ста­ новится особенно очевидным, если вспомнить что радиочувстви­ тельность зависит от экспериментальных условий и сильно раз­ личается у разных мутантов одной и той же системы. Поэтому следует очень тщательно проанализировать все слабые стороны таких обобщений, особенно когда они охватывают множество разнообразных систем. Как мы уже не раз подчеркивали, этот совет в любом случае окажется не лишним при теоретическом обсуждении мишени.

До сих пор считалось, что Д Н К — критическая мишень всех клеточных систем. Это важное предположение наглядно подт­ верждается рис. 115. Проверить его можно также и на высших клетках. В гл. 11 было установлено, что репликация является наиболее чувствительной функцией ДНКОб этом свидетельст­ вует и тот факт, что дозы облучения, почти полностью тормозя­ щие клеточную репликацию, практически не оказывают влия­ ния на неделящиеся, к примеру нервные, клетки. Облучение митотических клеток тканевой культуры сердца амфибий резко сфокусированным пучком протонов вызывает обильные хромо­ сомные аберрации, даже когда только десяток протонов про­ ходит сквозь ядро. Однако клетки не теряют способности де­ литься после того, как тысячи протонов проходят через цито­ плазму [12]. В этой связи приобретает значение тот факт, что

•критической мишени, повреждение которой приводит к репро­ дуктивной смерти клетки.

Клеточная мембрана, как и ДНК, может оказаться структу­ рой, претерпевающей резкие изменения при одном или несколь­ ких событиях поглощения энергии, вызывающих нарушение де-

234

ления облученной клетки. Согласно гипотезе, выдвинутой Баком и Александером [1], при радиационном повреждении мембран высвобождаются ферменты, которые затем ферментативно раз­ рушают важные клеточные структуры. До сих пор, однако, пос­ ле облучения удавалось наблюдать лишь деградацию ДНК, ко­ торая, очевидно, в основном является следствием репарации ра­ диационных повреждений (см. гл. 13). При этом так и не было обнаружено какой-либо сколько-нибудь значительной деграда­ ции других клеточных компонентов даже после облучения срав­ нительно высокими дозами. Далее, показано, что проницаемость клеточной мембраны для ряда веществ изменяется очень незна­ чительно даже после воздействия высоких доз [1]. Следователь­ но, на данном этапе нельзя привести экспериментальных дока­ зательств в пользу того, что в клетке существуют другие ми­ шени, которые можно было бы сравнить по значимости с ДНК.

14.2. Что такое радиочувствительность?

Для того чтобы как-то отразить название последней главы, следует сказать несколько слов о радиочувствительности. Под этим термином обычно имеют в виду чувствительность специ­ фической функции молекул (такой, как ферментативная актив­ ность или трансформирующая активность Д Н К ) , а не радиационнохимическую чувствительность молекул. Цель нашей кни­ ги состояла, однако, в том, чтобы сравнить радиационнохимическую и функциональную чувствительности. И хотя результа­ ты предпринятых попыток можно видеть в соответствующих гла­ вах книги, мы все же решили включить несколько необычное резюме для более полного освещения проблемы. На рис. 116 значения G для разрушения большого числа молекул и макро­ молекул, а также значения той же величины для инактивации

дальтон относятся к воде, простым органическим соединениям, дипептидам и многочленным ферментам. Большая часть зна­ чений G в этой группе соединений лежит в областях 1 и 2, неза­ висимо от молекулярного веса. Таким образом, поглощение от 50 до 100 эв энергии излучения в такой молекуле всегда вызы­ вает радиационнохимические повреждения или же инактивацию.

235

радиочувствительность (l/D37) макромолекул пропорциональна их молекулярным весам, поскольку доза определяется величи­

ставленные на рис. 116, увеличиваются примерно на фактор 5

Рис. 116. Значения G для разрушения или инактивации молекул, макро­ молекул и вирусов в зависимости от их молекулярного веса или молеку­ лярного веса их нуклеиновых кислот соответственно:

режденных молекул на 100 эв не обязательно обусловлено бо­ лее высокой чувствительностью молекул меньшего размера. Скорее оно показывает, что при облучении малых молекул ионы и электроны того же роя ионов поражают разные молекулы, так что в среднем на первичную ионизацию приходится более чем одна поврежденная молекула [5]. С увеличением молекулярного веса возрастает вероятность того, что пары ионов первичной ионизации будут локализоваться внутри одной и той же моле­ кулы. С этой точки зрения величины G, равные 1 и 2, для мак­ ромолекул не следует рассматривать как свидетельство того, что

гии, сосредоточенной в «не слишком малом» объеме при взаи­ модействии ионизирующего излучения с веществом.

Можно также привести примеры истинной радиорезистент­ ности на молекулярном уровне. В этом отношении любопытен бензол, который благодаря своей системе я электронов не толь­ ко химически устойчив, но также и более резистентен к ионизи­ рующему излучению, чем неароматические соединения того же

236

размера (см. рис. 116). Это означает, что спаренные кольцевые системы, очевидно, способны «перераспределять» поглощенную радиационную энергию к нескольким связям так быстро, что почти не происходит разрушения этих связей и повреждения ве­ щества. Эта интерпретация подтверждается данным о том, что увеличение числа колец бензола на молекулу повышает ее ра­ диорезистентность (см. рис. 116).

Пунктирные линии на рис. 116 соответствуют прямым, изо­ браженным под углом 45° на рис. 115. Необходимо, однако, пом­

структуры ДНК: изменения оснований, одно- и двухцепочечные разрывы (см. гл. 10). Если суммировать значения G для этих повреждений, то, используя данные, описанные в гл. 10, полу­

приведенных на рис. 116. Снижение радиочувствительности при

Таким образом, совсем под другим углом зрения был рас­ смотрен вопрос, вызвавший в свое время интерес к радиобиоло­ гическим исследованиям, а именно вопрос о том, почему клетки инактивируются дозой в несколько сотен рад, в то время как •ферменты способны переносить дозы до 100 Мрад. Теперь необ­ ходимо объяснить, почему организмы с возрастающей степенью сложности биологической организации столь устойчивы к дей­ ствию излучений, несмотря на высокое содержание Д Н К в це­ лом. Причины этого явления у вирусов и бактерий подробно рассмотрены нами в этой книге. Основной причиной высокой резистентности, как оказалось, является способность репарировать радиационные повреждения ДНК. При более высоких уровнях организации могут иметь значение избыточность генети­ ческой информации и полиплоидия. Итак, вызванные радиа­ цией клеточные' эффекты все более приобретают характер на­ рушений клеточных функций, связанных с ДНК, по мере того как возрастает'роль метаболизма в развитии этих поврежде­ ний. Поэтому при описании клеточной радиобиологии необхо­ димо учесть все возрастающее значение клеточного метаболиз­ ма. Правда, не обязательно это делать в рамках молекулярной ^радиобиологии, которая занимается основными физико-химиче­ скими механизмами повреждений функции ДНК. Эти проблемы,

237

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

239