Стволовые клетки сопротивляются радиации «на тормозах»
Чтобы точнее исправить радиационные разрывы в ДНК, стволовые клетки тормозят свой жизненный цикл на определенных стадиях.
Когда мы говорим про опасную радиацию, то имеем в виду ионизирующее излучение. В нем достаточно энергии, чтобы превращать молекулы и атомы в заряженные ионы – почему такое излучение в целом и называется ионизирующим, хотя разновидностей у него довольно много.
Именно способность влиять на устройство атомов и молекул делает ионизирующее излучение опасным для живых организмов. Впрочем, здесь нужно учитывать, что все зависит от его количества, от дозы и времени воздействия. Например, в среднем каждый человек на Земле за счет природного радиационного фона, от которого никуда не деться, получает в год дозу около 3 мГр (миллигрей); а вот для острой лучевой болезни нужно за короткое время получить 1 Гр.
Но лучевая болезнь – это все-таки экстремальная ситуация. В повседневной жизни ионизирующее излучение, с которым мы сталкиваемся, слишком «размазано» по времени и не слишком велико по дозе. Тем не менее, достаточно высокая доза способна причинить ощутимый вред: из-за мутаций в ДНК, вызванных ионизирующим излучением, возрастает вероятность онкологических болезней. Сейчас считается, что даже небольшой избыток излучения в этом смысле опасен. Однако в экспериментах малые дозы облучения либо не приводили к отклонениям, либо даже оказывали положительное действие – облученные животные жили дольше и реже болели раком.
Очень большая доля злокачественных опухолей происходит от стволовых клеток, которые, как известно, служат источником зрелых, специализированных клеток. Стволовые клетки постоянно делятся, и, если в них появляются мутации, то они перейдет к клеткам-потомкам. И если мутаций оказывается много (а стволовые клетки живут долго), то вероятность рака становится довольно большой. Как мы сказали выше, мутации могут возникать из-за ионизирующего излучения, но до сих пор мало кто изучал, как длительное слабое излучение действует на стволовые клетки.
Именно это попытались выяснить исследователи из Московского государственного университета, Московского физико-технического института и некоторых других научных центров. Взяв стволовые клетки из десны, они подвергали их кратковременному и длительному воздействию рентгеновского излучения, причем доза его в обоих случаях была одинаковой.
Излучение рвет ДНК, иногда только одну цепь, а иногда сразу обе. Если порвалась одна цепь, то специальные белки легко зашьют разрыв, используя вторую цепь как шаблон. Но если порвались обе цепи, то тут уже работает другой механизм ремонта, и именно при таких повреждениях сильно возрастает вероятность, что ДНК отремонтируют неправильно.
Исследователей интересовали именно двойные разрывы. Оказалось, что при кратковременном облучении двойных разрывов становилось со временем все больше и больше, а при длительно облучении их число росло только до какого-то определенного момента, после чего наступал баланс – разрывов не становилось ни больше, ни меньше (хотя суммарная доза, напомним, и при кратковременном, и при длительном облучении была одинаковой). Все выглядело так, как если бы клетка успевала исправлять повреждения по мере того, как они появлялись, поддерживая «дефективность» ДНК на одном уровне.
Исправить двойной разрыв можно, просто сшив концы. Такой способ репарации (ремонта) обычно и используется, но, как мы сказали, он чреват ошибками, из-за которых клетка может либо просто погибнуть, либо переродиться в злокачественную. И есть другой способ, когда полностью разорванную двойную спираль ДНК восстанавливают по образцу другой двойной спирали. Подчеркнем – не одну цепочку латают по шаблону другой цепочки, а для обеих цепей подбирают другую молекулу ДНК, которая служит шаблоном-образцом для ремонта. И в таком случае ошибок получается гораздо меньше. Но для этого нужна точная копия поврежденной молекулы. А в клетке такая копия появляется только перед делением, когда вся ДНК удваивается, чтобы каждой из дочерних клеток досталось по копии.
В статье в Oncotarget говорится, что у стволовых клеток при длительном облучении действительно активировался именно второй, более точный механизм ремонта ДНК – это было видно по тому, как в клетках накапливался один из его белков. И одновременно клетки тормозили свой жизненный цикл – они дольше оставались в тех стадиях, когда синтезируется вторая копия ДНК и когда можно приступать собственно к делению.
Понятно, почему так происходило: чтобы более точный механизм ремонта успел исправить многочисленные радиационные разрывы, нужно время и нужна ДНК-образец, так что подходящие стадии клеточного цикла приходится подзадержать. Также понятно, почему это случалось именно при длительном облучении: разрывы появлялись постепенно, и клетки успевали исправить их в соответствующее временное окно.
В перспективе полученные результаты помогут точнее оценить влияние небольших доз ионизирующего излучения на организм, а также, возможно, помогут создать средство, которое помогало бы клеткам в экстремальных условиях включать более точный механизм репарации ДНК.
31 июля 2017
Статьи по теме:
