Радиобиология / Моссэ И. Б., Морозик П. М. Генетические эффекты ионизирующей радиации

Рис. 2.9. Дозовые кривые для линейной, квадратичной и линейно-квадратичной моделей

Линейная беспороговая модель очень проста и обычно используется для вычисления радиационной опасности.

Математически она выражается следующим образом: Риск = а × Доза,

где а – константа.

Квадратичная модель описывается формулой: Риск = а × Доза × Доза,

где а – константа.

Линейно-квадратичная модель описывается уравнением следующего типа: Число трансформированных клеток = а × Доза + B × Доза × Доза,

где а и B – константы.

Конечно, основываясь на результатах изучения клеток, очень трудно де-

лать выводы о том, какой формы должна быть дозовая кривая при облучении в малых дозах. Если мы используем линейную модель в том случае, когда правильной является линейно-квадратичная, мы переоценим риск; и наобо-

рот, если используем линейно-квадратичную модель, когда нам следовало бы использовать линейную, мы недооценим риск.

Очень важно понимать, что мы не можем в настоящее время доказать, ка-

кая модель правильная.

Существует еще один усложняющий фактор. При высоких дозах радиации возрастает гибель клеток, при этом происходит элиминация клеток с мута-

100

Рис. 2.10. Кривая доза–эффект, которая загибается вниз вследствие гибели клеток при высоких дозах облучения

циями. Таким образом, кривая доза–эффект при высоких дозах может «заги- баться вниз» (рис 2.10). Эта кривая, характерная для радиационно-генетиче-

ских эффектов, приводит к парадоксальным выводам – с увеличением дозы облучения (при дозах, приближающихся к летальным) частота мутаций уменьшается! Это явление получило название «аномальной зависимости в области высоких доз». И в этом заключается основное отличие радиационно-генетиче- ских эффектов от общебиологических, для которых характерно с увеличени-

ем дозы только возрастание эффекта.

2.3.3. Эффект мощности дозы

Помимо проблемы экстраполяции с высоких доз на низкие, существуют еще факторы, усложняющие вычисление генетического риска, обусловленно- го облучением в малых дозах. При воздействии радиации та же доза, растяну-

тая во времени (при низкой мощности дозы), может быть менее опасной, чем при остром облучении, вследствие способности клеток репарировать повреж-

дения ДНК. Это можно сопоставить с известными фактами, что, например, прием 100 мг стрихнина или мышьяка, или потеря 10 л крови гораздо более опасны, когда все это происходит в несколько секунд, чем когда это растянуто на месяцы.

Этот аргумент применим и к воздействию радиации. Поскольку большин- ство хромосомных перестроек зависят в своем появлении от двух независи-

мых разрывов, на их образование влияет мощность дозы радиации. В случае, если данная доза дается сразу за короткое время, мы можем ожидать макси- мальный эффект для всех возможных перекомбинаций фрагментов, возника-

ющих одновременно. Если же давать ту же дозу за длительный период времени или по частям, то многие разрывы, возникая разновременно, не могут вступить

101

в перекомбинацию и поэтому фрагмент от разрыва соединяется в старом по- рядке, восстанавливая исходную структуру хромосомы. Кроме того, при об- лучении, растянутом во времени, увеличивается время, необходимое для ре- парации. Это целиком подтвердилось в различных экспериментах – действи-

тельно, количество хромосомных перестроек, индуцированных облучением, уменьшается при уменьшении мощности дозы.

2.3.4. Аномальные зависимости в области малых доз радиации

Выше мы рассматривали аномальную зависимость в области высоких доз радиации. Аналогичное явление зафиксировано рядом исследователей и в об-

ласти малых доз. Так, например, при исследовании частоты индуцированных мутаций на клеточных культурах в диапазоне доз мощностью 0,1–100 сГр об- наружена нелинейная зависимость эффекта от дозы. Так, при мощности экс-

позиционной дозы от 0,1 до 1 сГр наблюдали эффект обратной зависимости от дозы, а при мощности 1–100 сГр обнаружили прямую зависимость [193]. Счи- тают, что появление на кривой зависимости доза–эффект участка с минималь-

ным уровнем мутабильности отражает процесс активации внутриклеточных механизмов, защищающих клетку от неблагоприятного действия мутагенных факторов [193]. Данные механизмы обеспечивают контроль клеточного цикла [194], детоксикацию активных форм кислорода [195] и репарацию генетиче-

ских повреждений [196]. По-видимому, именно реализация того или иного клеточного механизма отражается на характере зависимости эффекта от дозы и показывает специфику эффектов в диапазоне малых доз [197–200].

Возможно, что одной из причин «обратной зависимости» в области малых доз является «байстэндер» эффект, который будет рассмотрен в п. 4.4.

2.3.5. Модели абсолютного и относительного риска

Второй усложняющий фактор связан с тем, что генетические эффекты за- висят не только от величины и мощности дозы радиации, но и от уровня спон- танных или естественных мутаций. Необходимо различать модель абсолют- ного риска, в которой принимается, что риск, вызванный облучением, увели- чивается на определенную величину, и модель относительного риска, в кото- рой принимается, что риск возрастает на величину, пропорциональную есте-

ственному риску.

Частоту индуцированных мутаций можно выразить в абсолютных терми-

нах (абсолютный мутационный риск – это вероятность мутирования данного гена при облучении в 1 Зв) или в относительных единицах – отношение такой частоты мутаций на зиверт к частоте спонтанных мутаций. Это отношение называется относительным мутационным риском и выражается в Зв–1. Часто используют показатель удваивающей дозы, т. е. дозы, которая вызовет 100 %-ное увеличение частоты спонтанных мутаций. Удваивающая доза – это величина,

102

обратная относительному мутационному риску. Предположим, например, что 1 Зв увеличивает уровень мутаций на 50 % сверх спонтанного уровня. Если 50 % выразить в долях, получим 0,5. Таким образом, относительный мутационный риск равен 0,5, а удваивающая доза составит 1:0,5 или 2 Зв.

Относительный риск в ряде случаев является важным показателем. На-

пример, естественный риск рака увеличивается с возрастом, поэтому модель относительного риска предсказывает большее число смертей от злокачествен-

ных заболеваний, чем модель абсолютного риска (рис. 2.11).

О связи между радиочувствительностью и этапом онтогенеза говорят на- блюдения за насекомыми. Их радиочувствительность подробно исследова-

лась с целью практического использования радиации для уничтожения яиц,

Риc. 2.11. Изменение частоты рака с возрастом согласно моделям абсолютного и относительного риска

103

личинок, куколок или стерилизации взрослых особей. В целом радиочув-

ствительность насекомых снижается в ходе онтогенеза. Так, у Drosophila по мере развития яиц их устойчивость к облучению возрастает в несколько раз, на стадии куколки – уже в десятки раз, а взрослая особь в сотни раз устойчи- вее зародыша. Предполагают, что высо- кая радиоустойчивость взрослых осо- бей связана с повышенным содержани-

ем в гемолимфе эндогенных защитных веществ – аминокислот, полипептидов, аминов, а также с особенностями тра-

хейного дыхания, приводящего к пониженному содержанию кислорода в тка-

нях. Изменение радиоустойчивости с возрастом хорошо изучено в опытах на мышах и крысах. На рис. 2.12 показано, как изменяется устойчивость мышей к действию радиации в зависимости от возраста. Интересно, что сходная кри-

вая получена и в том случае, когда критерием радиочувствительности служил не летальный эффект, а вызванное облучением сокращение средней продол-

жительности жизни животных.

Как видно из этого рис. 2.12, наиболее радиочувствительными являются новорожденные и старые животные. Такая же зависимость принимается и для человека.

2.4.Популяционный уровень

2.4.1.Влияние ионизирующих излучений на популяции

Первые исследования влияния на популяции острого облучения, выпол- ненные на дрозофиле, в известной мере были стимулированы проводившими- ся в то время испытаниями атомных бомб в атмосфере, в результате чего про-

исходило облучение больших групп живых организмов [201–203]. Исследования облученных популяций в естественных условиях их обита-

ния были осуществлены В. С. Стоуном и др. (1957–1958) при изучении послед- ствий термоядерных взрывов в природных популяциях Drosophila, обитаю- щих на Маршалловых островах [204]. Первый термоядерный взрыв был про-

веден в 1954 г., второй – в 1956 г. На острове Бикини популяции подверглись прямому облучению, а затем действию излучения от осадков, на других островах (Ронгелап, Ронгерик, Маджуро) генетический эффект обусловили только излучения, источником которых были радиоактивные осадки.

Популяции собирали в 1955–1957 гг. на четырех Маршалловых островах, в 1956 и 1957 гг. на острове Понапе (Каролинские острова). В основном иссле- дованию подвергли популяции Drosophila ananassae. При этом изучали кон-

104

центрацию леталей, плодовитость и способность яиц к развитию. Получен- ные результаты показали, что под влиянием ионизирующей радиации в попу- ляциях появляется большое количество мутаций разных типов – леталей, по-

лулеталей и других мутаций, способных снижать жизнеспособность особей

[205].

Первые работы по радиационной генетике экспериментальных популяций проведены Б. Уоллесом [206]. Было показано, что после однократного воздей-

ствия ионизирующих излучений пул мутаций, вызванный этим облучением, сохраняется в непрерывно размножающейся популяции длительное время, постепенно снижаясь в соответствии с экспоненциальным или степенным за- коном до уровня естественного мутационного процесса – популяции посте- пенно «очищаются» от вредных мутаций. Быстрее всего (уже в первом поко- лении) из облученных популяций элиминируются особи, несущие хромосом- ные перестройки и доминантные летальные мутации. Остальные типы мута-

ций, меньше влияющие на жизнеспособность их носителей, могут оставаться в популяции на протяжении многих поколений, снижая ее приспособленность.

Таким образом, после прекращения острого облучения в популяции в те-

чение более или менее длительного времени происходит процесс «очищения» от возникших вредных мутаций. Полезные мутации, которые возникают го-

раздо реже, чем вредные, сохраняются, если дают несущим их особям какието преимущества. Поскольку в ходе эволюции полезные мутации закрепля-

лись естественным отбором и уже включены в генотип, возникающие новые мутации чаще всего являются вредными. Необходимо помнить, что элимина-

ция мутаций сопровождается гибелью особей на разных этапах онтогенеза. Вновь возникающие мутации могут сохраняться в цепи поколений лишь

втом случае, когда несущие их особи способны конкурировать с представите- лями исходной генетической линии. Сохранение мутаций зависит от способ-

ности к спариванию гетерозиготных самцов и плодовитости гетерозиготных самок, поэтому элиминация мутаций определяется главным образом конку- рентной способностью самцов, несущих такие мутации, и жизнеспособно-

стью гетерозигот.

Более сложные процессы возникают в популяциях при периодическом или хроническом облучении. При этом радиация выступает как новый постоян- ный фактор внешней среды с высокой мутагенной активностью. При непре-

рывном хроническом облучении мутационные изменения накапливаются

воблучаемых популяциях, передаваясь из поколения в поколение, и через не-

сколько поколений частота мутаций достигает нового, более высокого уровня. Этот уровень, называемый равновесием, при неизменности мощности дозы облучения будет поддерживаться достаточно долго за счет установления рав- новесия между давлением мутационного процесса, с одной стороны, и давле-

нием отбора – с другой.

При воздействии хронического облучения в популяциях происходит по-

стоянная индукция мутаций, часть которых (хромосомные перестройки,

105

доминантные летальные мутации) элиминируются уже в следующем поколе-

нии, в то же время рецессивные летальные мутации сохраняются до тех пор, пока их частота в популяции достигнет такой величины, когда они начнут переходить в гомозиготное состояние. Судьба других мутаций, не летальных, но снижающих жизнеспособность их носителей, зависит от уровня естествен-

ного отбора – чем он интенсивнее, тем быстрее элиминация не конкурентно способных особей. Оставшиеся мутации составляют генетический груз попу-

ляций.

При этом динамика мутационного процесса в хронически облучаемых по-

пуляциях состоит из 4 этапов: 1) нарастание уровня мутационного процесса

вначале эксперимента, когда скорость индукции мутаций превышает ско-

рость элиминации; 2) плато – стабилизация уровня мутаций, когда скорости этих двух процессов равны, и когда рецессивные летальные мутации начина- ют выщепляться вследствие их перехода в гомозиготное состояние; 3) посте- пенное снижение уровня мутаций; 4) стабилизация популяций на новом уров-

не мутагенеза и радиорезистентности.

Третий этап обусловлен тем, что при воздействии длительного облучения, помимо увеличения генетического груза, в популяциях наблюдается также возрастание частоты полезных для организма мутаций. Изменения генетиче- ского материала могут быть положены в основу нового адаптивного комплек-

са генов, т. е. в определенных случаях радиационные мутации включаются

вгенофонд популяций и повышают их жизнеспособность. Это помогает уско-

рению адаптивного сдвига в популяции при появлении новых условий среды,

втом числе и повышении фона радиации. В частности, таким адаптивным сдвигом является возрастание радиорезистентности популяций при их дли- тельном или периодическом облучении. Происходит перестройка генетиче-

ской структуры популяций в связи с возрастанием доли радиорезистентных особей.

Все 4 этапа наблюдаются не всегда. В работах, выполненных на высших растениях, показана адаптация облучаемых популяций уже к четвертому-пя-

тому поколению; этапы накопления или стабилизации мутационного груза при этом не выявляются, а наблюдается лишь снижение частоты мутаций от

М1 до М4–5. Понятно, что отбор радиорезистентных форм идет тем интенсив-

нее, чем выше мощность дозы хронического облучения, т. е. чем интенсивнее воздействие селектирующего фактора и чем жестче естественный отбор.

Известна быстрая элиминация излишних леталей в природных условиях – показано, что для растений пяти поколений достаточно, чтобы снизить кон-

центрацию радиационных леталей до уровня, свойственного контрольной естественной необлученной популяции. При этом выщепляется большое ко- личество особей, гомозиготных по летальным мутациям, по мутациям, осла- бляющим жизнеспособность, и другим вредным изменениям. Многие мута- ции вредны даже в гетерозиготном состоянии. Только при постоянном жест-

ком действии отрицательного естественного отбора облученные популяции адаптируются к облучению.

106

За несколько поколений естественный отбор может собрать новые мута- ции в более коадаптированный генетический пул [207]. Увеличение радиоре- зистентности облученных популяций наблюдалось у разных видов живых ор- ганизмов. Было обнаружено, что при периодическом облучении бактерий вы-

сокими дозами их устойчивость к облучению увеличивается в несколько раз

[208].

Влияние ионизирующей радиации на популяции растений было исследо-

вано в работах [209–213]. Так, например, в работе [211] при изучении природных популяций низших растений (хлореллы) показано, что после однократного воздействия ионизирующих излучений пул мутаций, вызванный этим облу-

чением, сохраняется в непрерывно размножающейся популяции длительное время, постепенно снижаясь в соответствии с экспоненциальным или степен-

ным законом до уровня естественного мутационного процесса. У растений (одноклеточной зеленой водоросли хлореллы), обитающих на участках с вы-

соким уровнем радиации, была выявлена более высокая резистентность по выживаемости, чем в контрольной популяции (ЛД50 в 1,5–2 раза выше). В облучаемых лабораторных (экспериментальных) популяциях хлореллы установлена адаптивная перестройка, связанная не только с общим увеличением устойчивости к радиации, но и с изменением уровня мутационного процесса в этих популяциях (пигментные и морфологические мутации).

Повышенная радиорезистентность установлена также и в популяциях ди- корастущих травянистых растений (василек лесной, горошек мышиный, про-

ломник северный и др.), подвергавшихся на экспериментальных участках

втечение свыше 20 лет хроническому облучению (бета-излучением строн- ция-90 при мощности дозы около 0,01 Гр/сут). При этом наблюдалось возрас- тание радиоустойчивости популяций приблизительно в два раза по сравне-

нию с соответствующим контролем по тесту хромосомных аберраций [211]. Исследования адаптации популяции животных проводились в основном

на дрозофиле как в природных, так и в экспериментальных популяциях. Так,

вработе [214] исследовалась бразильская популяция дрозофилы, обитавшая

влесу, богатом торием. Ее радиочувствительность сравнивалась с радиочув-

ствительностью популяции из экологически сходного леса, в котором уровень радиоактивности был в 100 раз меньше. Оказалось, что при облучении обеих популяций рентгеновскими лучами в дозе 1000 Р снижение плодовитости и жизнеспособности в первой популяции было меньше, а уровень доминант-

ных летальных мутаций ниже, чем во второй. Был сделан вывод о том, что хронически облучавшаяся популяция в два раза более радиоустойчива, чем контрольная.

Адаптация экспериментальной популяции дрозофилы, облучавшейся на протяжении 220 поколений, выявлена в работах [215–216]. Анализ устойчиво- сти этой популяции к облучению выявил, что по индукции мутаций ее радио-

чувствительность в два раза ниже, чем контрольной.

107

В литературе существуют сведения о неспецифической адаптации попу-

ляций к повреждающим факторам. Так, выявлено, что отселектированная по радиорезистентности популяция дрозофилы, в прошлом облучавшаяся рент-

геновскими лучами на протяжении 220 поколений, оказалась устойчивой

кмутагенному действию химического мутагена этилметансульфоната (ЭМС). Были выделены три мутации, обеспечивающие устойчивость популяции к об-

лучению, и показано, что они ответственны и за устойчивость к химическому мутагену. На этом основании было сделано предположение, что мутации вли-

яют на этапы, общие для радиационного и химического мутагенеза [216]. Устойчивые штаммы хлореллы из популяций, подвергавшихся хрониче-

скому воздействию этиленимина, резистентны и к летальному действию гаммаизлучения. Следовательно, облучавшиеся или подвергавшиеся воздействию химического мутагена популяции оказываются устойчивыми к обоим типам воздействий.

Установлено, что популяции пресноводного моллюска прудовика обыкно- венного, подвергавшиеся периодическому пересыханию и ежегодному про-

мерзанию, оказались в три раза более устойчивыми по сравнению с обычной речной популяцией к летальному действию облучения. В данном случае по- вышение радиорезистентности явилось следствием увеличения общей не-

специфической устойчивости популяций, сформировавшейся под действием жесткого естественного отбора в условиях давления экологических факторов.

Аналогичные данные получены и при исследовании влияния хроническо-

го облучения на мутационный процесс в природных популяциях растений. Показано, что неблагоприятные условия произрастания горошка мышиного (бедность почвы органическими и минеральными веществами, ее сухость и токсичность, обусловленная присутствием тяжелых металлов) оказывают не меньшее влияние на радиорезистентность популяции, чем хроническое облу-

чение [210].

Установлено также, что популяции лесных мышей, проживающих в усло-

виях загрязнения 90Sr, значительно устойчивее, чем контрольные, не только

кдополнительному облучению, но и к физической нагрузке (принудительное плавание), и к неблагоприятным экологическим факторам [141].

На дрозофиле показано, что адаптация по теплоустойчивости сопрово-

ждается адаптацией и по радиоустойчивости. В исследовании на мышах было показано, что их повышенная радиоустойчивость коррелирует с устойчиво-

стью к гипоксии, холоду, повышенной температуре, длительным физическим нагрузкам, канцерогенам, стрихнину и чумному токсину. В частности, полев-

ки из Заполярья более радиорезистентны по тесту хромосомных аберраций

вселезенке, костном мозге и роговице глаза по сравнению с полевками из Подмосковья [212].

Очевидно, что формирование неспецифической резистентности популя- ций – это общая закономерность, проявляющаяся при длительных воздей-

ствиях самых разнообразных экологических и антропогенных факторов. Это

108

явление необходимо учитывать при оценке генетических эффектов загрязне-

ния окружающей среды. Обычно исследователи ориентируются в основном на прямую оценку уровня мутаций в природных популяциях, что может привести к занижению результатов определения мутагенного потенциала загрязните- лей. Например, Леонард считает некорректным использование «метода лим-

фоцитов» для мониторинга популяций человека, длительно контактирующих с мутагенами, так как популяции лимфоцитов состоят из клеток с разной чув-

ствительностью, причем менее резистентные клетки быстрее элиминируются при хронических воздействиях мутагенных факторов, что приводит к повы- шению устойчивости популяции лимфоцитов и занижению результатов мо- ниторинга. Кроме того, время жизни лимфоцитов короткое, поэтому значи-

тельная часть аберраций элиминируется с погибшими клетками [101]. Накопленный огромный материал о быстрых и точных генетических из-

менениях под действием факторов внешней среды позволяет рассматривать эти изменения как индикаторы адаптивного ответа популяций и использовать популяционные сдвиги как критерии загрязнения среды.

После Чернобыльской аварии было проведено много работ по определе-

нию генетических последствий радиационного загрязнения ряда территорий Беларуси. В частности, изучена генетическая радиочувствительность природ-

ных популяций рыжей полевки из разных районов Беларуси. Показано, что дополнительное облучение в дозе 1,7 Гр вызывает более высокий процент хромосомных аберраций в клетках костного мозга полевок из контрольного Минского района по сравнению с животными из н. п. Хойники, что свиде-

тельствует о более высокой радиорезистентности последних [197]. Мониторинг морфогенетической изменчивости представляет интерес

с точки зрения выяснения степени влияния ионизирующего излучения на процессы развития особей и способность данного физического фактора моди-

фицировать проявление морфогенетических признаков.

Висследованиях Моссэ с соавт. 1986–1990 гг. отмечено статистически зна- чимое повышение частоты морфологических изменений разных типов (кры-

ловых и щетинковых морфозов, нарушение хитинизации брюшка и т. д.)

уособей из природных популяций дрозофилы, обитающих в районах с повы-

шенным радиационным фоном, по сравнению с популяциями из Березинского заповедника. Так, в 1987 г. выявлено большее количество особей с изменен-

ным фенотипом в популяциях, обитающих на территории с уровнем радиации 40 Кu/км2 (Веприн, Струмень, Брагин), чем в выборке из Припятского заповедника с более низким радиационным фоном – 1–5 u/км2 [217].

В1998 г. анализ морфогенетических изменений у особей из природных по-

пуляций Березинского заповедника и н. п. Ветка (24 u/км2) уже не выявил различий в частоте морфозов у обеих популяциях, что свидетельствует о про- исшедшей за этот период адаптации природных популяций к неблагоприят-

ным экологическим факторам.

109