Радиорезистентность организмов: механизмы выживания при ионизирующем излучении

Введение

Уровень ионизирующего излучения, который организмы способны выдерживать.

Радиоустойчивость – это уровень ионизирующего излучения, который организмы способны выдерживать. Организмы, устойчивые к ионизирующему излучению (IRRO), определяются как организмы, для которых доза острого ионизирующего излучения (IR), необходимая для достижения 90%-ного снижения популяции (D10), превышает 1000 Грей (Гр).

Радиоустойчивость удивительно высока у многих организмов, что противоречит прежним представлениям. Например, изучение окружающей среды, животных и растений в зоне Чернобыльской катастрофы выявило неожиданное выживание многих видов, несмотря на высокие уровни радиации. Бразильское исследование на холме в штате Минас-Жерайс, характеризующемся высоким уровнем естественной радиации из-за урановых месторождений, также показало наличие множества радиоустойчивых насекомых, червей и растений. Некоторые экстремофилы, такие как бактерия Deinococcus radiodurans и тихоходки, способны выдерживать большие дозы ионизирующего излучения порядка 5000 Гр.

Индуцированный радиорезистент

На графике слева представлена кривая доза/выживаемость для гипотетической группы клеток с периодом восстановления и без него. За исключением периода восстановления во время облучения, клетки подвергались бы одинаковой обработке. Радиоустойчивость может индуцироваться воздействием малых доз ионизирующего излучения. Многочисленные исследования задокументировали этот эффект у дрожжей, бактерий, простейших, водорослей, растений, насекомых, а также в культурах клеток млекопитающих и человека и в моделях на животных. В этот процесс могут быть вовлечены различные клеточные механизмы радиопротекции, такие как изменения уровней некоторых цитоплазматических и ядерных белков, увеличение экспрессии генов, восстановление ДНК и другие процессы. Биофизические модели также предоставили общие представления об этом явлении. Установлено, что многие организмы обладают механизмом самовосстановления, который в некоторых случаях может быть активирован под воздействием радиации. Ниже приведены два примера этого процесса самовосстановления у людей. Девайр Альвес Феррейра получил большую дозу (7,0 Гр) во время аварии в Гоянии и выжил, в то время как его жена, получившая дозу 5,7 Гр, умерла. Наиболее вероятным объяснением является то, что его доза была разделена на множество меньших доз, которые поглощались в течение определенного времени, в то время как его жена дольше находилась в доме и подвергалась непрерывному облучению без перерыва, что дало механизмам самовосстановления в ее организме меньше времени для восстановления части повреждений, вызванных радиацией. Это привело к ее смерти. Он также скончался в 1994 году. Аналогичным образом, некоторые из людей, работавших в подвалах разрушенного Чернобыля, накопили дозы в 10 Гр. Эти работники получали эти дозы небольшими фракциями, что позволило избежать острых эффектов. В экспериментах по радиационной биологии было установлено, что при облучении группы клеток количество выживающих клеток уменьшается с увеличением дозы. Также было обнаружено, что если популяции клеток дают дозу, а затем оставляют в покое (без облучения) на определенный период времени перед повторным облучением, то радиация обладает меньшей способностью вызывать гибель клеток. В человеческом теле существует множество типов клеток, и человек может погибнуть от потери одной ткани в жизненно важном органе. При многих случаях смерти от радиации в краткосрочной перспективе (от 3 до 30 дней) смерть наступает из-за потери клеток, формирующих клетки крови (костный мозг), и клеток пищеварительной системы (стенки кишечника).

In the graph on left, a dose/survival curve for a hypothetical group of cells has been drawn with and without a rest time for the cells to recover. Other than the recovery time partway through the irradiation, the cells would have been treated identically. Radioresistance may be induced by exposure to small doses of ionizing radiation. Several studies have documented this effect in yeast, bacteria, protozoa, algae, plants, insects, as well as in in vitro mammalian and human cells and in animal models. Several cellular radioprotection mechanisms may be involved, such as alterations in the levels of some cytoplasmic and nuclear proteins and increased gene expression, DNA repair and other processes. Also biophysical models presented general basics for this phenomenon. Many organisms have been found to possess a self repair mechanism that can be activated by exposure to radiation in some cases. Two examples of this self repair process in humans are described below. Devair Alves Ferreira received a large dose (7.0 Gy) during the Goiânia accident, and lived, whereas his wife, who got a dose of 5.7 Gy, died. The most likely explanation is that his dose was fractionated into many smaller doses which were absorbed over a length of time while his wife stayed in the house more and was subjected to continuous irradiation without a break so giving the self repair mechanisms in her body less time to repair some of the damage done by the radiation. This resulted in her death. He also eventually died in 1994. In the same way some of the persons who worked in the basement of the wrecked Chernobyl have built up doses of 10 Gy, these workers received these doses in small fractions so the acute effects were avoided. It has been found in radiation biology experiments that if a group of cells are irradiated then as the dose increases the number of cells which survive decrease. It has also been found that if a population of cells are given a dose before being set aside (without being irradiated) for a length of time before being irradiated again then the radiation has less of an ability to cause cell death. The human body contains many types of cells and a human can be killed by the loss of a single tissue in a vital organ. For many short term radiation deaths (3 days to 30 days) the loss of cells forming blood cells (bone marrow) and the cells in the digestive system (wall of the intestines) cause death.

Наследственность радиорезистентности

Существуют веские доказательства того, что радиоустойчивость может быть генетически обусловлена и передаваться по наследству, по крайней мере, у некоторых организмов. Генрих Нётель, генетик из Свободного университета Берлина, провел наиболее масштабное исследование мутаций, связанных с радиоустойчивостью, используя обычную плодовую мушку Drosophila melanogaster, в серии из 14 публикаций.

Эволюция радиорезистентности

С точки зрения эволюционной истории и причинности, радиоустойчивость не представляется адаптивной чертой, поскольку нет задокументированного естественного отбора, который мог бы предоставить преимущество организмам в способности выдерживать дозы ионизирующего излучения в диапазоне, который, как было замечено, способны переносить несколько экстремофильных видов. Это обусловлено главным образом тем, что магнитное поле Земли защищает всех ее обитателей от солнечного космического излучения и галактических космических лучей, являющихся двумя основными источниками ионизирующего излучения в нашей Солнечной системе. Даже с учетом всех задокументированных земных источников ионизирующего излучения, таких как газ радон и первичные радионуклиды в географических локациях, считающихся природными зонами с высоким уровнем радиации, годовая доза естественного фонового излучения остается на десятки тысяч порядков меньше уровней ионизирующего излучения, которые способны выдерживать многие высокорадиоустойчивые организмы. Одно из возможных объяснений существования радиоустойчивости заключается в том, что это пример кооптированной адаптации или экспаптации, где радиоустойчивость может быть косвенным следствием эволюции другой, связанной адаптации, положительно отобранной в ходе эволюции. Например, гипотеза адаптации к десикации предполагает, что экстремальные температуры в среде обитания гипертермофилов, таких как Deinococcus radiodurans, вызывают повреждение клеток, практически идентичное повреждению, обычно вызываемому ионизирующим излучением, и что клеточные механизмы восстановления, эволюционировавшие для восстановления этого теплового или десикационного повреждения, также применимы к радиационному повреждению, позволяя D. radiodurans выживать при экстремальных дозах ионизирующего излучения. Воздействие гамма-излучения приводит к повреждению клеточной ДНК, включая изменения в азотистых основаниях, повреждение сахарофосфатного остова и разрывы двойных нитей ДНК. Исключительно эффективные клеточные механизмы восстановления, эволюционировавшие у видов Deinococcus, таких как D. radiodurans, для восстановления теплового повреждения, вероятно, также способны обращать вспять последствия повреждения ДНК, вызванного ионизирующим излучением, например, восстанавливая фрагментированные компоненты их генома. Bacillus sp., продуцирующие необычайно устойчивые к радиации (и пероксиду) споры, были выделены из сборочных цехов космических аппаратов и рассматриваются как кандидаты, способные перемещаться на космических аппаратах посредством межпланетного переноса. Геномный анализ некоторых из этих радиоустойчивых спорообразователей пролил свет на генетические признаки, которые могут быть ответственны за наблюдаемую устойчивость.

From the perspective of evolutionary history and causation, radioresistance does not appear to be an adaptive trait because there is no documented naturally occurring selection pressure that could have bestowed a fitness advantage to the ability for organisms to withstand doses of ionizing radiation in the range that several extremophile species have been observed to be capable of surviving. This is primarily because the Earth's magnetic field shields all its inhabitants from solar cosmic radiation and galactic cosmic rays, which are the two primary sources of ionizing radiation across our solar system, and even including all documented terrestrial sources of ionizing radiation such as radon gas and primordial radionuclides at geographical locations considered to be natural high level radiation sites, the yearly dose of natural background radiation remains tens of thousands of times smaller than the levels of ionizing radiation that many highly radioresistant organisms can withstand. One possible explanation for the existence of radioresistance is that it is an example of co opted adaptation or exaptation, where radioresistance could be an indirect consequence of the evolution of a different, linked adaptation that has been positively selected for by evolution. For example, the desiccation adaptation hypothesis proposes that the extreme temperatures present in the habitats of hyperthermophiles like Deinococcus radiodurans cause cellular damage that is virtually identical to damage typically caused by ionizing radiation, and that the cellular repair mechanisms that have evolved to repair this heat or desiccation damage are generalizable to radiation damage as well, allowing D. radiodurans to survive extreme doses of ionizing radiation. Exposure to gamma radiation leads to cellular DNA damage including alterations in nitrogenous base pairing, sugar phosphate backbone damage, and double stranded DNA lesions. The extraordinarily efficient cellular repair mechanisms that Deinoccocus species like D. radiodurans have evolved to repair heat damage are likely also capable of reversing the effects of DNA damage wrought by ionizing radiation, such as by piecing back together any components of their genome that have been fragmented by the radiation. Bacillus sp. producing unusually radiation (and peroxide) resistant spores, have been isolated from spacecraft assembly facilities, and are thought of as candidates that could ride piggyback on spacecraft through interplanetary transfer. Genome analysis of some of these radiation resistant spore producers have thrown some light on the genetic traits that could be responsible for the resistances observed.

Радиорезистентность в радиационной онкологии

Радиорезистентность – это термин, который также иногда используется в медицине (онкологии) для обозначения раковых клеток, устойчивых к лечению лучевой терапией. Радиорезистентность раковых клеток может быть врожденной или индуцированной самой лучевой терапией.