Связь между воздействием радиации на ДНК и временем необратимого разрыва молекулы раскрыта

Мы подвергаемся воздействию ионизирующего излучения чаще, чем думаем: при принятии солнечных ванн (УФ-лучи), во время рентгенографии или даже в полете на межконтинентальном рейсе на высоте 10 000 метров. Это излучение потенциально вредно для ДНК, так как может повредить её, разорвать структуру или изменить её, что ведёт к образованию опухолей.

Группа учёных под руководством Раффаэлло Потестио (включая Мануэля Микелони, Лоренцо Петролли и Джанлуку Латтанзи) исследовала разрыв ДНК, подвергшейся воздействию ионизирующего излучения. Они рассчитали среднее время между облучением и разрывом цепи ДНК. Оказалось, что чем больше расстояние между повреждёнными участками ДНК, тем дольше её структура остаётся целой. Это, в свою очередь, даёт клетке больше времени на репарацию повреждения. Работа опубликована в Biophysical Journal.

Компьютерные модели

Исследователи создали компьютерную симуляцию двуцепочечной последовательности ДНК, подобно видеоигре. Они смоделировали радиационное повреждение филамента и наблюдали за его поведением. Одно из самых опасных последствий воздействия радиации на ДНК — разрыв, известный как двуцепочечный разрыв (DSB), то есть нарушение структурной и химической непрерывности остова ДНК в двух комплементарных цепях.

Этот тип повреждения может привести к серьёзным последствиям на клеточном уровне. Учёные выяснили, что цепи разрываются не сразу, и время, необходимое для разрыва цепи, экспоненциально возрастает с увеличением расстояния между разрывами в цепях ДНК. Авторам работы удалось сформулировать закон для среднего времени разрыва в зависимости от расстояния между разрывами цепей. «Эта информация крайне важна, — подчёркивает Раффаэлло Потестио, — потому что она, вероятно, влияет на эффективность процессов репарации ДНК».

Время разрыва и время репарации

Клетки обладают сложной ферментной системой контроля и «ремонта» ДНК, которая запускается при получении сигналов о повреждении. Однако этот механизм срабатывает не сразу после повреждения, и задержка может повлиять на нормальное функционирование клетки. Модификация последовательности может быть незначительной, если происходит через одну или несколько синонимичных мутаций, которые приводят к синтезу того же белка.

Однако если происходят существенные изменения в последовательности ДНК или ошибки в процессе репарации, в лучшем случае клетка совершает самоубийство (процесс «апоптоз»), поскольку понимает, что последовательность некорректна или необратимо повреждена. В худшем случае клетка восстанавливает целостность цепи ДНК, но это может вызвать мутацию, или изменение нуклеотидной последовательности, что способно привести к дисфункциональному поведению и, как следствие, к генетическим модификациям, хромосомным мутациям или возникновению рака.

От компьютерной симуляции к практике

Авторы исследования считают, что эта работа значима для радиобиологического сектора и представляет собой первый шаг к возможным разработкам в области лечения и профилактики. Исследование выделяется использованием методов численного моделирования, которые могут быть воспроизведены экспериментально: перенос симуляции из компьютера в лабораторию — одна из целей учёных.

Понимание того, что происходит при повреждении ДНК радиацией, открывает путь, в долгосрочной перспективе, к новым и всё более точным радиотерапевтическим методам лечения. «Это исследование имеет двойную и взаимодополняющую цель, — объясняет Потестио.

С одной стороны, понять механизмы, вызывающие клеточные повреждения, чтобы предотвратить или ограничить такие повреждения, а с другой — найти наилучший способ нанести максимально возможный ущерб. Это важно, например, в области протонной терапии, которая использует ионизирующее излучение, в частности протоны, для воздействия на раковые клетки с целью их уничтожения».

«Радиотерапия, — продолжает он, — включает в себя ряд более сложных вопросов, таких как, например, точное наведение излучения на раковые ткани, чтобы предотвратить поражение здоровых клеток, которые могут быть повреждены. Чем лучше мы понимаем последствия облучения и разрыва цепей ДНК, тем более подготовленными будем к разработке других методов лечения и смягчению побочных эффектов», — заключает Потестио.