Воздействие облучения активирует защитные механизмы стволовых клеток человека

Исследователи из нескольких российских институтов, включая МФТИ, выяснили, как длительное воздействие ионизирующего излучения влияет на стволовые клетки человека. Они обнаружили, что оно вызывает задержку клеточного цикла, что приводит к более быстрому и точному ремонту вызванных излучением двунитевых разрывов ДНК. Последствия для здоровья, в частности влияние на риск развития рака, остаются неясными. Статья опубликована в Oncotarget.

Среднегодовая доза естественного фонового излучения для человека составляет около 3 миллигрей (мГр), а один рентгеновский снимок добавляет от 0,001 до 10 мГр. Доза свыше 1000 мГр, полученная за короткое время, вызывает острую лучевую болезнь. В реальности люди чаще сталкиваются с длительным воздействием низких доз радиации, эффекты которого изучены плохо.

Двунитевые разрывы ДНК

Один из негативных эффектов радиации — образование двунитевых разрывов ДНК, когда разрываются обе цепи двойной спирали. Нераспознанные или неправильно отремонтированные разрывы могут привести к онкологическим заболеваниям. Особую роль в накоплении мутаций играют стволовые клетки.

Ученые использовали мезенхимальные стволовые клетки, полученные из десен. При кратком, но интенсивном облучении количество маркеров разрывов (белков γH2AX и 53BP1) росло линейно с дозой. Однако при длительном облучении рост был линейным только до определенного момента, после чего (на уровне 1000 мГр) выходил на плато. Достигался баланс между образованием разрывов и их репарацией.

Ремонт ДНК

Клетка имеет системы для починки двунитевых разрывов. После интенсивного облучения в 8 из 10 случаев клетка использует быстрый, но неточный механизм негомологичного соединения концов, что часто ведет к хромосомным аберрациям. Альтернатива — точный механизм гомологичной рекомбинации, который использует копию ДНК в качестве шаблона, но доступен только в определенных фазах клеточного цикла.

Исследователи наблюдали за гомологичной рекомбинацией с помощью маркера Rad51. При двухчасовом облучении количество Rad51 оставалось постоянным, а затем росло линейно. Возникло предположение, что длительное облучение активирует этот точный механизм репарации.

Клеточное деление

Стволовые клетки делятся на пролиферирующие (делящиеся) и покоящиеся. Облучение не изменило соотношение между ними (примерно 4:1), но детальный анализ показал, что через 4 часа «медленного» облучения значительно увеличилось число клеток в S-фазе (синтез ДНК) и G2-фазе (подготовка к делению). Именно в этих фазах у клетки есть копия ДНК, которую можно использовать как шаблон для гомологичной рекомбинации.

Это объясняет рост маркера Rad51. Иными словами, облучение вызывает задержку клеточного цикла, в результате чего в любой момент времени больше клеток находятся в фазах, позволяющих использовать точный ремонт ДНК.

«Мы показали, что длительное облучение мезенхимальных стволовых клеток приводит к перераспределению клеточного цикла. Это может влиять на биологический ответ на радиацию. Наши результаты могут лечь в основу дальнейших исследований двунитевых разрывов в стволовых клетках и их влияния на образование опухолей», — говорит директор Физтех-школы биологической и медицинской физики МФТИ Сергей Леонов.