Эффект возрастной стабилизации генома при действии малых доз ионизирующего излучения
СтатьиОпубликовано в журнале:
Профилактика старения »» Выпуск 4 2001 В.Е. Балакин, С.И. Заичкина, О.М. Розанова, Д.Ю. Клоков, Г.Ф. Аптикаева, А.X. Ахмадиева, Е.Н. Смирнова
Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино),
Филиал Института ядерной физики РАН (Протвино)
Известно, что с возрастом наблюдается увеличение числа спонтанного уровня цитогенетических повреждений в клетках организма, что является характерным признаком старения на уровне клеток и их ядерного материала. Малые дозы ионизирующего излучения, на ранних этапах воздействия индуцируя генетические повреждения, в дальнейшем оказались способны вызывать длительный адаптационный эффект в клетках костного мозга мышей, выражающийся в стабилизации генома и предотвращении возрастного нарастания цитогенетических повреждений. Эффект наблюдался при однократном воздействии и сохранялся в течение всего периода наблюдения, сравнимого со всей длительностью жизни мышей как вида. Известно, что адаптационный эффект могут вызывать также иные вещества, влияющие на репарационные ферменты генома и на антиоксидантную систему клеток, являющуюся главной защитной системой организма от многих типов физических и химических повреждений. Длительность эффекта напоминает иммунную форму реагирования организма, а стабильность наблюдающихся изменений позволяет говорить о возможности для организма выхода в состояние длительной повышенной резистентности - фактически в состояние множественной устойчивости, что можно трактовать как режим замедленного старения, что, однако, следует проверить прямыми исследованиями на кривых смертности мышей.
Известно, что облучение клеток в малых дозах ионизирующей радиацией вызывает физиологический процесс, названный радиационным адаптивным ответом - РАО [1]. Суть этого явления заключается в том, что предварительное облучение в малой дозе приводит к снижению чувствительности объекта к последующему повреждающему воздействию больших доз ионизирующего излучения.
В 60-е годы уже было обнаружено повышение выживаемости предварительно облученных мышей [2]. К настоящему моменту РАО в основном исследован на различных культурах клеток по таким критериям, как клеточная гибель, хромосомные аберрации, мутации, неопластическая трансформация [3]. Явление цитогенетического РАО показано и на организменном уровне, хотя данные, полученные in vivo, зачастую противоречивы [4]. В подавляющем большинстве этих исследований РАО изучался в короткие сроки, но есть единичные работы, в которых РАО исследовали в более продолжительные сроки после адаптирующей дозы [4].
В наших предыдущих работах впервые обнаружен эффект длительного, сравнимого со сроком жизни животного, сохранения цитогенетического РАО, индуцированного дозами 0.1 и 0.2 Гр [5, 6]. Как правило, механизмы, обусловливающие индукцию и проявление РАО, повышают также резистентность организма к другим мутагенным факторам, в частности, алкилирующим соединениям, тяжелым металлам, УФ-облучению [3].
Известно, что старение приводит к увеличению уровня цитогенетического повреждений, поэтому представляет интерес исследование того, как механизмы, лежащие в основе РАО, влияют на накопление возрастных цитогенетических нарушений, причина которых окончательно не установлена.
В задачу настоящей работы входило изучение влияния однократного g-облучения в дозе 0.1 и 0.2 Гр на накопление спонтанных цитогенетических повреждений в течение жизни животного. В экспериментах использовали самцов мышей линии SHK, 2-месячного возраста. Животных содержали в виварии в стандартных условиях. Облучение осуществляли от источника 60Со на установке ГУБЭ. Одна группа мышей была облучена в дозе 0.1 Гр при мощности дозы 0.125 Гр/мин.
Другую группу мышей содержали в аналогичных условиях в качестве контроля. Через 1 год в аналогичных условиях был проведен второй эксперимент, но облучение проводили в дозе 0.2 Гр. Дозы 0.1 и 0.2 Гр были выбраны на основании наших предыдущих данных о том, что они индуцируют одинаковый уровень цитогенетического повреждения на единицу дозы [7].
Через 1 сутки, 2 недели, 1, 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 20 мес. мышей из контрольной и экспериментальной групп забивали методом цервикальной дислокации и готовили цитологические препараты костного мозга по стандартной методике.
Подсчитывали количество полихромальных эритропитов (ПХЭ) с микроядрами. На каждую экспериментальную точку использовали не менее 5 мышей и анализировали 25-30 тыс. ПХЭ. Всего в экспериментах использовано было 170 животных. При вычислении ошибок учитывали как разброс данных по отдельным животным, так и ошибки, связанные с конечным числом клеток.
При проверке статистической достоверности различий между группами использовали критерий Стьюдента.
В табл. 1 приведены результаты определения количества ПХЭ с микроядрами в костном мозге контрольных и облученных мышей в разные сроки после облучения. Для увеличения точности данные двух экспериментов обработаны совместно.
Последние строка таблицы и точка графика учитывают данные за 15,18 и 20 мес. Видно, что у мышей, переведенных однократным облучением в адаптированное состояние, уровень цитогенетических нарушений после первоначального всплеска, вызванного облучением в малых дозах, в дальнейшем уменьшался и к концу жизни животных становился заметно меньше, чем уровень спонтанных нарушений у необлученных животных (Р < 0.001 для 12 мес., Р < 0.0001 для последнего временного определения).
Таблица 1
Выход ПХЭ с микроядрами в клетках костного мозга облученных и необлученных мышей в зависимости от возраста (эффект стабилизации геном)
| Вариант | Время после облучения | Число мышей | Число подсчитанных ПХЭ | ПХЭ с микроядрами | ПХЭ с микроядрами*, % |
| Без облучения | 10 | 60276 | 260 | 0.43+/-0.06 | |
| Облучение | 1 сут | 10 | 48727 | 817 | 1.64+/-0.12 |
| Без облучения | 10 | 60447 | 234 | 0.37+/-0.05 | |
| Облучение | 2 нед. | 10 | 60847 | 532 | 0.88+/-0.06 |
| Без облучения | 10 | 60611 | 276 | 0.46+/-0.06 | |
| Облучение | 1 мес. | 10 | 61190 | 337 | 0.59+/-0.05 |
| Без облучения | 10 | 60044 | 316 | 0.53+/-0.05 | |
| Облучение | 3 мес. | 10 | 66748 | 509 | 0.75+/-0.06 |
| Без облучения | 10 | 61126 | 494 | 0.81+/-0.05 | |
| Облучение | 6 мес. | 10 | 61531 | 536 | 0.89+/-0.09 |
| Без облучения | 10 | 57944 | 452 | 0.95+/-0.06 | |
| Облучение | 9 мес. | 10 | 63540 | 475 | 0.74+/-0.05 |
| Без облучения | 9 | 55521 | 544 | 1.01+/-0.07 | |
| Облучение | 12 мес. | 10 | 57245 | 357 | 0.67+/-0.05 |
| Без облучения | 15 | 111884 | 1112 | 1.01+/-0.06 | |
| Облучение | 17.7 мес.** | 17 | 118994 | 742 | 0.62+/-0.05 |
** Данные объединены для 15, 18 и 20 мес.
Таким образом, из представленных данных следует, что организм, переведенный в адаптированное состояние облучением в определенном режиме, длительно имеет повышенную устойчивость не только к радиации, что показано в нашей предыдущей работе [5], но и к факторам, обусловливающим старение животного. Обнаруженный эффект можно назвать стабилизацией генома, понимая под этим длительно сохраняющееся состояние, отличающееся повышенной устойчивостью к различного вида мутагенным факторам и старению.
Далее, если принять во внимание гипотезу накопления соматических мутаций, объясняющую старение, то можно ожидать, что эффект стабилизации генома проявится и в увеличении показателя, наиболее полно отражающего состояние организма - средней продолжительности жизни. Действительно, уже давно известны экспериментальные данные о том, что облучение в малых дозах увеличивает среднюю продолжительность жизни животных [8]. Использованные в этих работах дозы лежат в том же диапазоне, в котором нами был обнаружен длительно сохраняющийся РАО [5, 6]. Можно также высказать предположение, что повышенная стабильность генома организма приведет к уменьшению вероятности возникновения раковых заболеваний. Косвенным подтверждением этого являются данные по снижению спонтанной неопластической трансформации клеток С3Н10Т1/2 в результате облучения в малых дозах [9], а также результаты исследований, где показано, что повышенная концентрация радона в помещениях уменьшает риск заболевания раком легких [10].
Необходимо заметить, что, используя явление перекрестного адаптивного ответа, когда адаптирующее и выявляющее воздействия являются факторами разной природы, можно попытаться перевести организм в новое адаптированное состояние не только ионизирующим излучением, но и другими воздействиями. Так, например, известно, что предварительная обработка клеток в культуре малыми концентрациями перекиси водорода также повышает устойчивость к последующему действию больших доз радиации. Особенно интересно, что адаптирующая обработка перекисью водорода не вызывала превышения уровня цитогенетического повреждения в клетках по сравнению со спонтанным [11]. Интересны данные о возможности длительного воздействия на состояние антиоксидантной системы организма безвредными и в достаточном количестве использующимися веществами, прежде всего - обыкновенной водой, под действием электролитической обработки приобретающей отрицательный окислительно-восстновительный потенциал. В системах in vivo и in vitro было показано, что такая вода (элетрохимически-активированная система - ЭХАС) способна нормализовать состояние антиоксидантной системы животных; описаны лечебные свойства ЭХАС при различных заболеваниях предложено использовать ЭХАС для биоактивации и нормализации антиоксидантных процессов организма в старости [12, 13, 14].
Пока неясно, насколько адаптированные состояния, вызванные малыми дозами ионизирующей радиации и химических веществ, одинаковы в отношении механизмов индукции, длительности сохранения и величины эффекта. Эксперименты по выяснению этих вопросов в настоящее время нами ведутся.
Стоит подчеркнуть, что обнаруженный в данной работе эффект стабилизации генома отличается от широко известного явления антимутагенеза [15] тем, что химические антимутагены действуют только во время их наличия в организме и для заметного эффекта, сказывающегося на продолжительности жизни, необходимо их постоянное введение в организм. Развиваемые здесь идеи более созвучны таким концепциям, как адаптационная медицина, активационная медицина, неспецифическая сопротивляемость организма [16, 17]. Однако принципиально новым в наших работах является длительное сохранение адаптированного состояния, достигаемого однократным воздействием, в отличие от вышеперечисленных примеров, где требуется постоянное поддержание этого особого состояния организма.
Для обсуждения представленных результатов о стабилизации генома малыми дозами ионизирующего излучения нам кажется уместным привлечь гипотезу, высказанную в работе [18], о смене стратегий развития, применяемых живыми существами в процессе эволюции. При определенных условиях популяция может перейти к стратегии "Х", отличающейся повышенной резистентностью к мутагенным факторам, низким темпом размножения, уменьшением частоты раковых заболеваний и увеличенным сроком жизни. В этой работе предполагается, что основным фактором, переключающим организм на новую стратегию, являются активные формы кислорода. В то же время известно, что при воздействии радиации важным, если не основным, повреждающим фактором являются те же активные формы кислорода.
Таким образом, в рамках этой гипотезы можно предполагать, что однократное радиационное воздействие способно переводить организм в длительное устойчивое состояние.
Представленные данные позволяют сделать вывод, что малые дозы ионизирующей радиации подавляют рост уровня цитогенетических нарушений, обусловленный старением, до уровня ниже спонтанного, т.е. переводят организм в новое устойчивое состояние, отличающееся повышенной стабильностью генома. Это явление открывает новое направление в биологии - исследование обнаруженного эффекта стабилизации генома и возможности в дальнейшем его использования в медицине.
ЛИТЕРАТУРА
1. Oliveri С., Воdусоtе J., Wolff S. // Science. 1984. Vol. 223. Р.594-597.
2. Даренская П.Г., Кознова Д.Б., Акоев И.Г., Невская Г.Ф. Относительная биологическая активность излучений. Фактор времени облучения. М.: Атомиздат, 1968. 376 с.
3. Stecca С.. Gerber G.В. // Biochem. Pharmacol.. 1998. Vol.55. Р. 941-951.
4. Которов А.Н., Никольский А.В. // Радиац. биология. Радиоэкология. 1999. Т. 39. № 6. С. 648-662.
5. Балакин В.Е. Заичкина С.И., Клоков Д.Ю. и др. // ДАН. 1998. Т. 363. № 6. С. 843-845.
6. Kolokov D.Yu., Zaichkina S.I., Rozanova O.M. etc. Book XI Intern. Congr. on Radiation Research. Dublin. 1999. Р.255.
7. Заичкина С.И., Клоков Д.Ю., Розанова ОМ. и др. // Генетика. 1998. Т. 34. № 7. Р. 1013-1016.
8. Кузин А.М. Идеи радиационного гормезиса в атомном веке. М.: Наука, 1995. 158 с.
9. Azzam E.I., Toledo S.M., Raaphorst G.P. etc. // Radiat. Res. 1996. Vol. 146. Р. 369-373.
10. Керим-Маркус И.Б. // Радиац. биология. Радиоэкология. 1998. Т. 38. С. 672-683.
11. Dominguez I., Panneerselvam N., Escalza P. etc. // Mutat. Res. 1993. Vol. 301. Р. 135-141.
12. Подколзин А.А., Мегреладзе А.Г., Донцов В.И., и др. Система антиоксидантной защиты организма и старение. Ежегодник Национального Геронтологического Центра. 1999. № 3. М.: МГМСУ. С.38-56.
13. Донцов В.И., Крутько В.Н., Подколзин А.А. Старение: механизмы и пути преодоления. М.: Биоинформсервис. 1997. 240 с.
14. Podkolzin A.A., Dontsov V.I., Megreladze A.G., Chernilevsky V.E. Influence of electro-chemical-activated solutions IECAS) on enzymes of antiradical protection of an organism. Успехи геронтологии. Тезисы. 2-nd European congress of biogerontology. August 25-28, 2000. Saint Petersburg, Russia. Р. 73.
15. Дурнев А.Д., Середенин С.Б. Мутагены. Скрининг и фармакологическая профилактика воздействий. М.: Медицина, 1998. 328 с.
16. Гаркави Л.Х. Квакина Е.Б., Уколова М.А. Адаптационные реакции и резистентность организма. Ростов н/Д: Изд-во Ростов. ун-та, 1990, 224 с.
17. Меерсон Ф.З. Концепция долговременной адаптации. М.: Дело, 1993. 138 с.
18. Скулачев В.П. // Биохимия. 1998. Т. 63. № 11. С.1570-1579.
EFFECT of GENE AGE STABILIZATION by SMALL IONIZING RADIATION DOSES USING
V.E. Balakin, S.I. Zaichkina, O.M. Rozanova, D.Yu. Klokov, G.F. Aptikaeva, A.Ch. Achmadeeva, E.N. Smirnova
Institute of theoretical and experimental biophysics of Russian Academy of Sciences (Puschino),
Institute of a nuclear physics of Russian Academy of Sciences (Protvino)
It is known, that during age the increase of number of a spontaneous level of cytogenetic damages in cells of an organism is supervised, that is characteristic tag of aging at a level of cells and their nuclear material. The small ionizing radiation doses, at early stages of effect inducing genetic damages, in further have appeared are capable to cause the long-lived adaptive effect in cells of an osteal brain of mice expressed in gene stabilization and preventing of age increase of cytogenetic damages. The effect was supervised at single dose and was saved during all period of observation comparable to all duration of life of mice as of sort.
It is known, that the adaptive effect can be caused also by other substances influential in reparation gene enzymes and on the oxidative system of cells, being the main protective system of an organism from many types of physical and chemical damages.
The duration of effect reminds the immune form of reacting of an organism, and the stability of supervised changes allows to speak about possibility for an organism of an output in a status of a long-lived boosted resistance - actually in a status of multiple stability, that it is possible to treat as the mode of slow aging, that, however, it is necessary to test by direct researches on a curve of mortality of mice.
