Генетические и соматические эффекты ионизирующей радиации у человека и животных (сравнительный аспект)

Генетические и соматические эффекты ионизирующей радиации
у человека и животных (сравнительный аспект).

Центральный Научно-Исследовательский Рентгено-Радиологический Институт МЗ РФ, Санкт-Петербург, Россия

Ленинградская 70/4, Песочный

197758 Санкт-Петербург

Генетические последствия радиации в первом поколении облучённых родителей можно разделить на три типа.

1.  Серьёзные нарушения развития у потомства облучённых родителей (эмбриональная гибель, врождённые пороки, снижение фертильности), в основе которых лежат крупные мутации: хромосомные, геномные, важных структурных генов. Выраженность этих эффектов неодинакова у разных видов животных и человека и, по-видимому, зависит от репродуктивного потенциала вида, а также особенностей биологии размножения.

2.  Физиологическая неполноценность потомства (снижение устойчивости к неблагоприятным воздействиям, функциональные сдвиги).

3.  Увеличение у потомства облучённых родителей нестабильности генома и риска канцерогенеза.

Генетической причиной двух последних типов эффектов является, по-видимому, совокупность так называемых рецессивных мутаций полигенов жизнеспособности, а также нарушений ДНК регуляторного характера, возникающих в половых клетках родителей. Значимость этих последствий действия радиации представляется наиболее существенным для видов со сниженным давлением естественного отбора, в частности для человека.

Ключевые слова: облучение, генетические последствия.

Тел.: (8

Факс: (8

E-mail: *****@***edu

Genetic and somatic effects of ionizing radiation in humans and animals (comparative aspects).

I. E. Vorobtsova

Central Research Institute of Roentgenology and Radiology

197758 St. Petersburg, Russia

E-mail: *****@***edu

Genetic effects of ionizing radiation in the progeny of exposed parents could be conventionally subdivided on three main types. 1. Severe developmental disorders (fetus death, stillbirth, early postnatal mortality, malformation, hereditary disease, sterility). These effects are known to be caused by so called «gross» mutations (genomic, chromosomal, those of essential genes) with dominant harmful effects. Although found in rodents, insects, fishes they have not been found in humans. The proposal is made that the higher reproductive potency of a species the higher its tolerance for defective organisms. Due to strong selection against severe defects at the earliest stage of pregnancy, this genetic effect of radiation is likely to be difficult to detect in people. 2. Increased cancer risk manifested as elevated incidence of spontaneous tumors and increased sensitivity to carcinogenic agents. 3. Decreased fitness (non-carcinogenic negative health effects). These two last types of radiation genetic effects are presumably due to instability and functional inferiority of cell genome in the progeny of irradiated parents. The genetic background of these effects is suggested to be the load of induced minor mutations in regulatory genes (mini-, microsatelite loci) or /and epigenomic rearrangements of DNA in parental germ cells transmitted to progeny. These radiation genetic effects are much more obvious in animals as compared to humans. Apparently, they are difficult to find in humans because of their essential dependence on promotive (life style) factors, which are impossible to control in the offspring of irradiated people.

A comparison of somatic (in irradiated organisms) and genetic (in the progeny of irradiated parents) effects of radiation provide evidence on the phenomenological as well as pathogenic similarity.

Key words: ionizing radiation, genetic and somatic effects, humans, animals.

Генетические эффекты ионизирующей радиации, наблюдаемые у потомства облученных родителей можно условно разделить на 3 типа: серьезные нарушения в развитии, увеличение риска канцерогенеза и ухудшение здоровья (fitness). Хронологически первыми начали изучаться серьезные нарушения в развитии потомства в силу того, что они имели очевидные фенотипические проявления, такие как гибель эмбрионов, мертворождение, спонтанные аборты, врожденные аномалии, наследственные болезни, стерильность. Генетической причиной этих нарушений, являются т. н. "крупные" мутации с выраженным вредным доминантным эффектом (хромосомные, геномные, мутации важных структурных генов). Эти генетические эффекты имеют неодинаковую выраженность у разных биологических видов. Будучи четко выражены у грызунов, других млекопитающих, насекомых, рыб, у человека по заключению экспертов НКДАР они не были с достоверностью зарегистрированы ни в одной из исследованных когорт детей облученных родителей (1). Начиная с 30-х годов сведения о неблагополучных исходах беременности собирались в результате обследования 3-х групп облученных людей: 1. получивших облучение в диагностических или терапевтических целях; 2. профессионально контактировавших с источниками ионизирующей радиации; 3. переживших атомную бомбардировку. Отсутствие серьезных генетических эффектов у потомства облученных людей казалось непонятным, особенно если учесть высокую радиочувствительность человека по сравнению с другими видами. В 1974 году мы высказали предположение о том, что выраженность этих эффектов зависит от репродуктивного потенциала вида (2, 3). Человек характеризуется низкой скоростью репродукции (длительная, одноплодная беременность, продолжительное половое созревание). В этой ситуации для поддержания численности популяции эволюционно кажется более выгодным, чтобы отбор против особей с серьезными наследственными нарушениями происходил на возможно более ранних стадиях развития плода с тем, чтобы неполноценная беременность прерывалась и могло произойти новое зачатие. Известно, что в человеческой популяции существует достаточно большой груз наследственной патологии. Поэтому, вероятно дополнительно индуцированные наследственные повреждения элиминируют у человека при еще недиагностированной беременности, а к рождению допускаются преимущественно лишь особи соответствующие "адаптивной видовой норме".

В связи с этим у человека при облучении родителей не удается обнаружить увеличения частоты крупных наследственных аномалий. Они просто ускользают от наблюдения.

У грызунов скорость репродукции выше, беременность многоплодная. В этом случае прерывание беременности из-за нескольких дефектных эмбрионов грозило бы гибелью всему помету. Следовательно, в данном случае эволюционно невыгодно, чтобы отбор "работал" против всей неполноценной беременности. Поэтому у грызунов при облучении родителей, хотя часть наиболее пораженных особей гибнет (доминантные летальные мутации), остальные рождаются и среди них есть мертворожденные, а также животные с серьезными нарушениями развития и мутациями, многие из них гибнут в ранней постнатальный период или оказываются стерильными. Однако, это не отражается на численности популяции в дальнейшем воспроизведении которой участвуют лишь полноценные животные.

У насекомых и рыб – репродуктивный потенциал очень высок, а отбор на ранних стадиях, по-видимому, минимален. Это подтверждается всем арсеналом данных радиационной генетики дрозофилы, свидетельствующих о большом количестве разнообразных мутантов в потомстве облученных мух.

Таким образом, толерантность вида к вновь возникающим под действием радиации наследственным аномалиям тем большая, чем выше его репродуктивный потенциал. Поэтому экстраполяцию соответствующих экспериментальных данных на человека и основанные на них расчеты генетического риска следует производить с большой осторожностью.

Увеличение риска канцерогенеза является еще одним типом генетических радиационных эффектов. В 1958 г. впервые с соавторами опубликовали результаты, свидетельствовавшие о том, что у детей, рожденных женщинами, получавшими диагностическое облучение, повышена частота лейкемий (4). Эпидемиологические данные по этой проблеме были получены на детях, чьи родители подвергались диагностическому, терапевтическому, профессиональному облучению или пережили атомные взрывы в Хиросиме и Нагасаки. Результаты были противоречивы и не позволили придти к окончательному заключению о канцерогенном эффекте облучения родителей (5). Интерес к этой проблеме возобновился в 90-х годах после известной работы показавшего возрастание лейкомогенного риска у детей работников ядерного предприятия в Шеллафильде (6). Однако до сих пор нет единого мнения о правомочности этого вывода автора. Данные, полученные в экспериментах на животных более однородны. Большинство авторов, среди которых было много отечественных ученых – , , (см. ссылку 3) отмечало увеличение частоты опухолей у потомства облученных самцов, укорочение латентного периода их возникновения, учащение злокачественных вариантов. Эффекты облучения родителей, однако, были невелики и часто статистически недостоверны. В конце 60-х годов мы также занялись изучением этой проблемы на мышах, предположив, что если облучение родителей является фактором, вызывающим предрасположенность потомства к канцерогенезу, то воздействие вторичным (провоцирующим, промотирующим) канцерогенным агентом должно способствовать лучшему выявлению этой предрасположенности. Действительно, при воздействии уретана на потомков облученных самцов мышей частота аденом легких оказалась у них достоверно повышенной по сравнению с потомством интантных животных, подвергнутых такому же воздействию (3, 7, 8). В 70-х годах концепция о возможной передаче через половые клетки радиационных повреждений ДНК, вызывающих предрасположенность потомства к канцерогенезу была более, чем непопулярна. Лишь в 1982 г. аналогичные нашим данные, полученные японским автором (9) привлекли внимание исследователей к этой проблеме. В течение последних двух десятилетий эти результаты были подтверждены как в многочисленных радиационных исследованиях (10, 11), так и в работах по многогенерационному химическому канцерогенезу (см. ссылку 3)

Каков же причинный механизм этого генетического эффекта? Мы показали, что соматические и половые клетки потомства облученных самцов крыс и дрозофил отличаются повышенной чувствительностью хромосом к воздействию мутагенных факторов (12, 13, 14), т. е. хромосомной нестабильностью. Данные о геномной нестабильности были получены нами позже на детях, чьи родители до зачатия облучались по поводу опухолевых заболеваний (15), а также на детях ликвидаторов последствий аварии на ЧАЭС (16). Эффект передачи через облученные половые клетки родителей состояния нестабильности генома потомству стал в настоящее время одним из интригующих и широко изучаемых (17). Аналогичные нашим данные получены недавно на животных и на людях с применением новых молекулярных технологий (18, 19).

Таким образом, облучение родителей дестабилизирует наследственный аппарат потомства, что увеличивает вероятность мутаций в любых генах и в частности в тех, которые ответственны за процессы опухолевой трансформации клеток.

Данные о жизнеспособности (состоянии здоровья) потомства облучённых людей очень немногочисленны. Они начали накапливаться с 20-х годов при обследовании детей, родители которых подвергались облучению в медицинских целях (диагностических, терапевтических), профессионально или в результате взрыва атомных бомб в Японии. Несмотря на то, что в некоторых работах было показано ухудшение качества здоровья детей облученных родителей, в наиболее многочисленной когорте – дети лиц, переживших атомную бомбардировку эти наблюдения не подтвердились (см ссылку 2).

Интерес к этой проблеме возобновился после аварии на ЧАЭС, и появились некоторые данные, демонстрирующие ухудшение здоровья детей, родители которых были облучены вследствие этой аварии (20). В то же время практически никаких негативных последствий не было описано у детей работников предприятия "Маяк" (21). По-видимому, на результаты подобных исследований очень существенно влияют различные факторы: размер когорты, адекватность контроля, социальные и бытовые факторы, методы оценки состояния здоровья и др.

Результаты экспериментальных исследований вопроса о биологической полноценности (fitness) фенотипически нормального потомства облученных родителей, полученные в 50-60 годах были фрагментарны и противоречивы. В 1957 году впервые показал, что нейтронное облучение самцов мышей приводит к сокращению продолжительности жизни их потомства (22). Впоследствии эти данные не подтвердились, однако именно они стимулировали проведение исследований по влиянию накопленных мутаций на жизнеспособность потомств при облучении родителей в последовательных поколениях (см. ссылку 2). Это работы Сполдинга Дж. и др. на мышах и крысах. Не останавливаясь на них детально можно лишь сказать, что данные разных авторов были противоречивыми и трудно сравнимыми. Это было связано в основном с существенными отличиями схем экспериментов (разные виды радиации и дозы использовались для облучения родителей, разный пол облученных родителей, стадия гаметогенеза, разное количество поколений, оцениваемые параметры жизнеспособности). Основным итогом этих исследований была констатация факта отсутствия эффекта аккумулированных мутаций на показатели общей приспособленности облученных популяций. Таким образом, к середине 60 годов вопрос о влиянии облучения родителей на жизнеспособность потомства был снят с повестки дня в силу негативного характера полученных результатов. Тем не менее эпизодически появлялись публикации с результатами, свидетельствовавшими о различных физиологических отклонениях у потомства облученных млекопитающих (см. ссылку 2). В основном это были работы отечественных авторов , , и , и др.). В период с 1965 по 1980 гг. в Лаборатории отдалённой лучевой патологии (Центральный НИИ Рентгено-радиологии), руководимой профессором мы провели многостороннее исследование жизнеспособности потомства облученных животных на 2-х далеких в систематическом отношении видах организмов: дрозофиле и грызунах, с использованием единообразной схемы опытов. Оценивали только первое поколение потомства облученных самцов, происходившего от постмейотических половых клеток, жизнеспособность потомства оценивали по комплексу показателей на клеточном, тканевом, организменном уровнях (грызуны), на разных стадиях развития (дрозофила); использовались провоцирующие факторы, чтобы выявить возможную скрытую неполноценность потомства облученных самцов.

Полученные в течение 15 лет результаты ясно продемонстрировали существование генетических последствий облучения родителей, проявляющихся в неполноценности их потомства. Выраженность эффекта зависела от генотипического фона, т. е. степени гетерозиготности животных, природы провоцирующего воздействия, изучаемого показателя. Результаты этих работ, а также аналогичных исследований других авторов неоднократно обобщались нами в литературе (2, 3, 14).Таким образом в экспериментах на животных проведенных в 60-70 годах было принципиально доказано, что генетические эффекты облучения включают в себя не только серьёзные нарушения в развитии потомства, но также увеличение канцерогенного риска, геномной нестабильности и ухудшение жизнеспособности фенотипически нормального потомства облучённых родителей.

Генетические механизмы лежащие в основе снижения жизнеспособности, повышенного канцерогенного риска и геномной нестабильности потомства облучённых родителей до сих пор неясны. В качестве таких механизмов предлагались: мутации в полигенах жизнеспособности (23), груз различных мутационных и/или эпигеномных нарушений ДНК половых клеток родителей, приводящий к нестабильности и функциональной неполноценности генома (2, 3, 15), мутации в генах, контролирующих главные процессы в ДНК (репликацию, репарацию, транскрипцию) (24), мутации в гипервариабельных локусах (18, 19). Общей чертой всех предлагаемых механизмов является их полимишенная природа.

Однако, эти представления и результаты не укладывались в один из основных постулатов классической генетики о непроявляемости вновь индуцированных мутаций в гетерозиготном состоянии. В последние годы появились данные о т. н. гипервариабильных локусах мини - и микросателлитных последовательностях ДНК, о высокой частоте их мутирования и о передаче потомству свойства нестабильности генома (18, 19).

Генетические эффекты облучения родителей, проявляющиеся в ухудшении биологического качества потомства и в увеличении канцерогенного риска, значительно менее выражены у людей по сравнению с животными. Это обусловлено существенной зависимостью этих эффектов от различных факторов: стиля жизни, дополнительных воздействий на потомство: профессиональных, экологических, социальных. Однако, их значимость для человеческой популяции может быть очень велика из-за отсутствия отрицательного отбора неполноценных индивидуумов, из-за возможности коррекции этих эффектов медицинскими, социальными мерами. Физиологическая неполноценность, геномная нестабильность потомства облученных родителей заставляет пересматривать принятые оценки генетического риска от облучения в сторону их возможного увеличения.

Принято делить биологические последствия действия ионизирующих излучений у млекопитающих и человека на соматические – наблюдаемые у облученных организмов и генетические – возникающие у их потомства.

Известно, что соматические радиационные последствия бывают ранними (острыми) и отдаленными. К ранним относятся лучевая болезнь и местные лучевые поражения, к отдаленным – радиационный канцерогенез, нестабильность генома (25) и неспецифическая отдаленная лучевая патология (лучевое старение) (26). Причиной острых эффектов на клеточном уровне является гибель клеток (репродуктивная и интерфазная), приводящая к опустошению тканей; в основе радиационного канцерогенеза лежит усиленное размножение одного или нескольких клонов клеток и появление «плюс-ткани»; цитологической основой неопухолевых форм отдаленной лучевой патологии являются функциональная неполноценность, гибель паренхиматозных клеток и замещение их недифференцированными соединительно-тканными элементами. С открытием факта возникновения наследственной предрасположенности к неоплазиям у потомства облученных родителей, а также физиологической неполноценности этих организмов выявилось существенное феноменологическое сходство между соматическими и генетическими эффектами радиации.

Известные в настоящее время генетические последствия радиации позволяют также разделить их на ранние и отдаленные. К ранним последствиям следует, по-видимому, относить те эффекты, которые проявляются в гибели потомства облученных родителей на разных этапах онтогенеза – от презиготической до ранней постнатальной, в появлении врожденных пороков и аномалий развития, в нарушении фертильности у живорожденных особей. Так же как и ранние соматические эффекты, они связаны с деструкцией ткани вследствие гибели клеток.

К отдаленным генетическим эффектам радиации можно отнести увеличение риска канцерогенеза и физиологическую неполноценность потомства облученных родителей. Последняя во многих отношениях напоминает неспецифическую отдаленную лучевую патологию или лучевое старение непосредственно облученных организмов.

Феноменологическое сходство генетических и соматических последствий действия излучений на тканевом и клеточном уровнях позволяет предполагать идентичность обусловливающих их патогенетических механизмов (27). Причиной ранних соматических (лучевая болезнь, лучевые повреждения) и генетических (внутриутробная и ранняя постнатальная гибель, врожденные аномалии, стерильность) эффектов радиации на молекулярном уровне являются различные доминантные мутационные события (хромосомные, геномные мутации, мутации важных структурных генов), а также изменения ДНК регуляторного характера, вызывающие гибель клеток репродуктивную или интерфазную.

Причиной отдаленных соматических (канцерогенез, лучевое старение) и генетических (увеличение канцерогенного риска и физиологическая неполноценность потомства облученных родителей) эффектов радиации являются, по-видимому, индуцированные рецессивные мутации в гетерозиготном состоянии, а также эпигеномные нарушения, обусловливающие дестабилизацию наследственного аппарата и, как следствие, повышение вероятности активации протоонкогенов и функциональную неполноценность клеточного генома.

Список цитированной литературы.

1. United Nations Genetic and somatic effects of ionizing radiation. // United Nations Scientific Committee on the effects of atomic radiation. Report to the General Assembly with Annexes: United Nations sales publication E. 86. IXUnited Nations, N. Y.

2. Воробцова потомков облученных биологических объектов. // Медицинская радиология. 1974. №11. С.76-83.

3. Vorobtsova I. E. Increased cancer risk as a genetic effect of ionizing radiation. // In: N. P. Napalkov, J. M. Rice, L. Tomatis and H. Yamasaki (Eds.). Perinatal and Multigeneration Carcinogenesis. IARC Scientific Publications. №96. IARC. Lyon. 1989. P.389-401.

4. Stewart A., Webb J. and Hewitt D. A survey of childhood malignancies. // Brit. Med. J. V.P..

5. Yoshimoto Y., Neel J. V., Schull W. J., Kato H., Soda M. and Eto R. Malignant tumors during the first two decades of life in the offspring of atomic bomb survivors. // Am. J. Hum. Genet. V.P..

6. Gardner M. J., Snee M. P., Hall A. J., Powell C. A., Downes S. and Terrell J. D. Results of case-control study of leukaemic and lymphoma among young people near Sellafield nuclear plant in West Cumbria. // Brit. Med. J. 1990. V.300. P.423-429.

7. , , Некоторые особенности потомков облученных животных. // Вопросы экспериментальной и клинической рентгенорадиологии. Под. Ред. . Ленинград. ЦНИРРИ МЗ СССР. 1974. С.94-98.

8. Vorobtsova I. E. and Kitaev T. V. Urethane-induced lung adenomas in the first-generation progeny of irradiated male mice. // Carcinogenesis. VP..

9. Nomura T. Parental exposure to X-rays and chemicals induces heritable tumors and anomalies in mice. // Nature. V.2P.575-577.

10. Vorobtsova I. E., Aliyakparova L. M. and Anisimov V. N. Promotion of skin tumors by 12-O-tetradecanoylphobol-13-acetate in two generations of descendants of male mice exposed to X-rays irradiation. // Mutat. Res. V.2P.207-216.

11. Lord B. I., Woolford L. B., Wang L., Stones V. A., McDonald D., Lorimore S. A., Papworth D., Wright E. G. and Scott D.. Tumour induction by methyl-nitroso-urea following preconceptional paternal contamination with plutonium-239. // Brit. J. Canc. V.P.301-311.

12. Воробцова клеток печени потомства облученных самцов крыс. // Радиобиология. 1987. Т.27. №3. С.377-381.

13. , Воробцова половых клеток потомства облученных самцов дрозофил. // Радиобиология. 1987. Т.27. №2. С.274-277.

14. Vorobtsova I. E. Irradiation of male rats increases the chromosomal sensitivity of progeny to genotoxic agents. // Mutagenesis. V.P.33-38.

15. , , Радиочувствительность хромосом детей, родители которых подвергались противоопухолевой рентгено-химиотерапии. // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 1992. №12. С.655-657.

16. Vorobtsova I. E., Vorobyova M. V., Bogomasova A. N. Chromosomal instability in the progeny of irradiated parents. // Proceedings of 27th Annual Meeting of the European Society for Radiation Biology. Montpellier. Numero special de Radioprotection. 1997. V.32. C1-227.

17. Luke G. A., Riches A. C. and. Bryant P. E. Genomic instability in haematopoietic cells of F1 generation mice of irradiated male parents. // Mutagenesis. V.P.147-152.

18. и Газиев нестабильность генома половых клеток животных по мини - и микросателлитным последовательностям. // Радиационная биология. Радиоэкология. 2001. Т.41. С.475-488.

19. Barber R., Plumb M. A., Boulton E., Roux I. and Dubrova Yu. E. Elevated mutation rates in the germ line of first - and second-generation offspring of irradiated male mice. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V.P..

20. , , Сипягина здоровья первого поколения детей, родившихся от родителей, подвергшихся воздействию ионизирующего излучения в подростковом возрасте и продолжающих проживать на территориях, загрязненных радионуклидами. // Экологическая антропология. Ежегодник. / Под ред. . Минск: Белорусский комитет «Дзецi Чарнобыля». Минск. 2002. С.90-93.

21. Petrushkina N. P., Musatkova O. B. and Okladnikova N. D. Health status of children whose grandparents had been subjected to occupational external gamma-exposure. // Sci. Total Environ. V.1P.111-118.

ssell W. L. Shortening of life in the offspring of male mice exposed to neutron radiation from an atomic bomb. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V.P.324-329.

23. Mukai T. and Cockerham C. C. Spontaneous mutation rate at enzyme loci in Drosophila melanogaster. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. V.P..

24. Harms-Ringdahl M. Some aspects on radiation induced transmissible genomic instability. // Mutat. Res. V.4P.27-33.

25. Seymour C. B., Mothersill C. and Alper T. High yields of lethal mutation in somatic mammalian cells that survive ionizing radiation. // Int. J. Radiat. Biol. V.P.161-179.

26. Alexandrov S. N. Late Radiation Pathology of Mammals. // S. Eckardt, A. Graff, E. Magdon, Th. Mafthes, St. Tanneberger and H. Wrba (Eds.). Academic Verlag. Berlin. Germany. 156 p.

27. Воробцова и генетические последствия действия радиации (сравнительный аспект). // Радиобиология. 1991. Т.31. №4. С.568-570.