Гены и радиация: невидимый (или видимый?) враг

Хиросима, Нагасаки, поднимающийся пугающий грибок ядерного взрыва… историческая печальная правда, события, которые не стоит повторять и подобных которым необходимо избежать в будущем. Ядерный взрыв, как, например, в недавно вышедшем нашумевшем фильме Кристофера Нолана «Оппенгеймер», — это не только мощная разрушительная волна, но и невидимый убийца, излучение в очень больших дозах. Именно поэтому последствия радиационных катастроф и испытаний остаются на долгие годы. Помимо самого взрыва, сопровождающегося огромным выбросом радиации, окружающая среда загрязняется радионуклидами, излучение от которых медленно, но верно продолжает дело, начатое самим взрывом.Возникающая при взрыве радиация (или ионизирующее излучение) — это поток элементарных частиц и электромагнитных лучей, испускаемых в момент ядерного взрыва. Человек не может их ни увидеть, ни ощутить. Действие ионизирующего излучения длится 10–15 секунд. При прохождении через различные материалы окружающей среды действие проникающей радиации ослабляется. Ионизирующее излучение, воздействуя на людей, повреждает живые клетки организма (в первую очередь, их ДНК). Это может привести к различным лучевым поражениям и даже к смерти.Существует несколько видов радиоактивного излучения. Альфа-излучение (представляющее собой поток альфа-частиц, которые фактически являются ядрами химического элемента гелия) обладает высокой ионизирующей и слабой проникающей способностью. От него может защитить обыкновенная одежда. Опаснее всего попадание радиоактивных альфа-частиц (точнее, радиоактивных элементов, их выделяющих) внутрь организма с воздухом, водой и пищей на территории, зараженной после взрыва радиоактивными веществами. Бета-излучение (фактически — поток электронов) имеет меньшую ионизирующую способность, чем альфа-излучение, но большую проникающую способность. Одежда уже не может полностью защитить, поэтому нужно использовать любое укрытие. Гамма- и нейтронное излучения (представляющие собой потоки соответственно гамма-квантов и нейтронов) обладают очень высокой проникающей способностью, защиту от них могут обеспечить только убежища, противорадиационные укрытия, надежные подвалы и погреба.Воздействие излучений может быть двух типов. Во-первых, непосредственным, прямым. В таком случае сама частица излучения попадает на молекулу ДНК и меняет, повреждает ее. Второй вариант: воздействие радиации может быть и непрямым, косвенным. Ведь практически все молекулы живых организмов находятся в клетках в жидкой, водной среде. Излучение вызывает ее ионизацию, образование свободных радикалов и перекисей (в первую очередь перекиси водорода). Они беспощадно «набрасываются» на биомолекулы, повреждая их.Свободные радикалы представляют собой химически активные частицы, которые содержат высокореактивные атомы, чаще всего — кислорода. У таких атомов на внешней оболочке присутствует неспаренный электрон, который очень хочет найти себе пару — вступает в реакцию и «забирает» электрон у других молекул. Это и есть окисление, и именно поэтому они настолько активны.На самом деле свободные радикалы в нашем организме — не такая уж и редкость. Они образуются, в частности, в процессе работы митохондрий — «энергетических станций» наших клеток. Митохондрии поглощают более 9/10 поступающего в наш организм кислорода, и около 5% этого кислорода потом превратятся в свободные радикалы и/или перекиси в результате процессов окисления. Их главная функция — синтез АТФ, молекулы, в виде которой наш организм использует энергию в своих биохимических реакциях и физиологических процессах. По так называемой «цепи переноса электронов» происходит перенос электронов на кислород с образованием воды. При этом могут образовываться промежуточные высокореактивные продукты — те самые свободные радикалы. Кроме того, свободные радикалы использует иммунная система для борьбы с инородными частицами, такими как бактерии. Так что для организма их образование — нормальное явление. И в норме поддерживается баланс таких высокоактивных форм кислорода.Справедливости ради, повреждения ДНК могут возникать в результате не только именно радиоактивного, но и ультрафиолетового (солнечного) излучения и ряда химических веществ, которые так и называют — радиомиметики, то есть подражающие радиации.Основными повреждениями ДНК, возникающими при воздействии излучений, могу быть модификация азотистых оснований (например, окисление), потеря оснований, разрывы однонитевые и двунитевые, сшивки ДНК—ДНК или ДНК—белок. Двухнитевые разрывы считаются наиболее тяжелыми повреждениями, которые, если их не исправить, почти всегда приводят к гибели клетки. Существуют даже методы дозиметрии, в частности на основе анализа количества двунитевых разрывов ДНК и последствий этих разрывов — характерных хромосомных перестроек.Однако в нашем организме есть защита от таких повреждений. Причем на нескольких уровнях.В-первых, это антиоксидантная система. Она позволяет нам бороться со свободными радикалами, образующимися из-за радиации. Самые важные и изученные из них — гены марганцевой супероксиддисмутазы SOD2, каталазы (CAT) и глутатионпероксидазы (GPX1).Марганец-зависимая супероксиддисмутаза (MnSOD, ген — SOD2) — один из самых главных ферментов, обезвреживающих свободные радикалы в нашем организме. Главная его задача — обезвреживать высокотоксичные кислородные свободные радикалы. Этот фермент работает как раз в митохондриях клеток, где свободные радикалы могут образовываться в больших количествах. Именно она помогает улитке справляться с ними, защищая и поддерживая баланс. В норме супероксиддисмутаза работает с огромной скоростью, правда, в результате этой работы образуется перекись водорода — тоже активное и опасное химическое соединение. Тут вступают в действие другие ферменты, такие как каталаза (CAT) и глутатионпероксидаза (GPX1). Они превращают перекись водорода в простую воду. Каталаза расщепляет молекулу перекиси на две молекулы воды и молекулу кислорода, а глутатионпероксидаза (с помощью глутатиона) — только на две молекулы воды.Снижение активности ферментов антиоксидантной системы в результате генетических изменений, конечно же, значительно повысит восприимчивость организма к радиации и вызываемым ей повреждениям. К слову, вариации этих генов встречаются достаточно часто. В России людей со сниженной активностью SOD2 — примерно каждый четвертый, с генетическими изменениями и предрасположенностью к сниженному количеству и активности CAT чуть больше 5%, GPX1 — 9,5%. Дополнительно принимаемые антиоксиданты тут не всегда спасут, важно с ними не переборщить. Ведь некоторые антиоксиданты (например, витамины Е, А) в избыточных количествах могут, напротив, усиливать оксидативный стресс и способствовать образованию опухолей. Все хорошо в меру.Если же радиационные повреждения все-таки возникли, на помощь приходит система репарации. Репарация — это процесс исправления повреждений ДНК. На самом деле есть несколько ее видов, которые действуют до, во время либо после репликации (удвоения), и классифицировать их можно тоже по-разному (по механизмам, характерным особенностям, виду исправляемых повреждений и так далее). Например:● Прямая репарация — непосредственное химическое восстановление повреждений «напрямую». Сюда можно отнести фотореактивацию (разрывает возникшие лишние связи — «мостики» между пиримидиновыми основаниями ДНК с помощью специальных ферментов фотолиаз, активируемых квантами света), репарацию так называемых АР-сайтов (участков ДНК, в которых порвана связь между остатками дезоксирибозы и пиримидиновыми основаниями тимином/цитозином, при этом сохраняется каркас из пентозофосфата; в этом случае фермент инсертаза способен присоединить правильное основание и исправить ошибку) и репарацию однонитевых разрывов ДНК (сшивание ферментами лигазами).● Эксцизионная («вырезающая») репарация — вырезание поврежденных нуклеотидов или азотистых оснований, после чего восстанавливается нормальная структура ДНК. Различают эксцизионную репарацию оснований (BER), эксцизионную репарацию нуклеотидов (NER) и репарацию неспаренных (несоответствующих) оснований (Mismatch Repair).● SOS-репарация, или репарация, склонная к ошибкам, — осуществляется с помощью активируемых полимераз, имеющих низкую специфичность к исходной («материнской») цепи ДНК. Это позволяет встраивать в дочернюю цепь нуклеотид, не соответствующий (некомплементарный) нуклеотиду исходной цепи, преодолеть повреждение и продолжить репликацию ДНК. Особенно хорошо изучена у бактерий, хотя у высших организмов тоже есть подобная система. Этот тип репарации часто относят к следующей группе — пострепликативной, хотя фактически она происходит во время репликации.● Пострепликативная, или рекомбинационная, репарация. В этом случае с помощью специальных ферментов происходит спаривание и рекомбинация поврежденных цепей одной молекулы ДНК с неповрежденными участками другой. Этот вариант репарации обычно осуществляется при возникновении двухнитевых разрывов ДНК. Рекомбинантная репарация может проходить либо с помощью гомологичной рекомендации (HR — homologous recombination, когда спаривание и обмен проходят между полностью соответствующими друг другу участками ДНК), либо посредством негомологичного воссоединения оборванных концов ДНК (NHEJ — non-homologous end joining), либо посредством однонитевого отжига по прямым повторам (в тех случаях, когда нет гомологичных или не полностью гомологичных последовательностей и рядом с двухцепочечным разрывом; это происходит, как правило, когда двухцепочечный разрыв образовался между расположенными близко повторами).Разумеется, для того чтобы успешно противостоять радиации, репарация должна работать хорошо и бесперебойно. Нарушение же работы ее белков скажется на ее эффективности и, разумеется, на уязвимости человека к излучениям. Например, вариант гена XRCC1: этот ген отвечает за производство белка, очень важного для эксцизионной репарация оснований и репарации одноцепочечных разрывов ДНК. Люди с полностью измененным этим геном и белком (а в России их 12%) в 3–4 раза хуже избавляются от повреждений ДНК.Даже если у человека есть проблемы с защитными системами, паниковать не стоит. Организму можно помочь: антиоксидантами, сбалансированным питанием, заботой о здоровье и безопасности окружающей среды.Автор: кандидат биологических наук, генетик, радиобиолог, ведущий научный сотрудник MyGenetics Ирина Колесникова