РАДИАЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА

РАДИАЦИОННАЯ ГЕНЕТИКА — раздел генетики и радиобиологии, посвященный изучению закономерностей и механизмов возникновения наследственных изменений (мутаций) под действием ионизирующего излучения с целью разработки путей управления этим процессом. Значение Р. г. для медицины определяется биол, последствиями мутаций.

Р. г. изучает генетические эффекты только ионизирующего излучения (см. Ионизирующие излучения), в т. ч. рентгеновского излучения (см.), хотя некоторые исследователи полагают, что Р. г. должна заниматься и изучением влияния на генетический материал неионизирующих излучений (ультрафиолетового и видимого света, ультракоротких радиоволн, лазерного излучения и т. д.).

Открытие влияния ионизирующего излучения на образование мутаций (см. Мутация) в зарубежной литературе приписывают Меллеру (Н. J. Muller), опубликовавшему в 1927 г. результаты экспериментов по действию рентгеновского излучения на дрозофил. Однако отечественные ученые Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов еще в 1925 г. описали появление «стойких радиорас», т. е. мутаций, у дрожжей, подвергнутых воздействию радия. А так наз. патологические митозы после облучения, связанные, как стало известно позже, с хромосомными мутациями, многие исследователи наблюдали еще в самом начале 20 в.

В 30—40-х гг. 20 в. были установлены основные факты, свидетельствующие о генетических эффектах ионизирующего излучения, и высказаны гипотезы о механизме образования мутаций под его действием. Эти гипотезы с нек-рыми изменениями сохраняют свое значение и поныне. Большой вклад в развитие Р. г. внесли советские ученые. А. С. Серебровский и М. С. Навашин предложили гипотезы образования хромосомных мутаций под влиянием излучения; Н. В. Тимофеев-Ресовский провел биофизический анализ образования генных мутаций; важные работы в области Р. г. были выполнены Н. П. Дубининым, М. Л. Бельговским, Н. Й. Шапиро и др. Большую роль в развитии Р. г. сыграли работы Меллера, а также Д. Ли, Бауэра, Дарлингтона (С. D. Darlington) и др. В эти годы исследования по Р. г. были направлены на изучение влияния радиации на элементарные генетические структуры и процессы; прикладные аспекты Р. г. заключались в применении ионизирующего излучения в селекции растений, животных и микроорганизмов, а также в обосновании методов лучевой терапии (см.). С середины 40-х гг. 20 в. в связи с появлением ядерного оружия и началом использования атомной энергии в науке и в производстве резко возросло число исследований по Р. г., особенно в ее прикладных аспектах; в этот же период были сделаны и некоторые фундаментальные открытия: установлена возможность модификации радиационно-генетических эффектов, выяснена природа первичных генетических изменений под влиянием ионизирующего излучения и открыта способность клеток частично восстанавливаться от радиационного повреждения. Определенную роль Р. г. сыграла и в развитии молекулярной генетики (см.).

Ионизирующее излучение вызывает мутации всех типов — точковые, хромосомные и геномные. После облучения особенно сильно возрастает число хромосомных мутаций. Точковые мутации лишь частично являются генными, в основном они сопровождают хромосомные перестройки или представляют собой точечные делеции (см.). Среди геномных мутаций полиплоидия (см. Хромосомный набор) наблюдается исключительно редко, более обычна анеуплоидия, преимущественно гипоплоидия, к-рая связана в большинстве случаев с потерей хромосом в результате хромосомных мутаций. Т. о. , ионизирующее излучение принадлежит к числу наиболее неспецифичных мутагенов (см.).

Методы исследования в Р. г. существенно не отличаются от методов, применяемых в любых исследованиях по мутагенезу (см.). В опытах на прокариотах наиболее распространены методы обнаружения мутаций по потребности микроорганизмов в определенных питательных веществах или по их чувствительности к антибиотикам. Для этого используют селективные среды, позволяющие обнаруживать мутантов с очень низкой частотой возникновения. Аналогичные методы разработаны для культур клеток эукариотов. Кроме того, некоторые мутации прокариотов легко обнаруживаются благодаря изменению внешнего вида макроколоний (цвета, формы и т. д.).

У эукариотов наиболее эффективный и надежный метод обнаружения мутаций состоит в использовании специальных скрещиваний. Так, для обнаружения сцепленных с полом рецессивных леталей (аллели гена, обусловливающие гибель организма) у дрозофилы применяют метод CIB , разработанный Меллером, с помощью к-рого он доказал существование мутагенного действия ионизирующего излучения; используется специальная линия дрозофил, у которых одна из X-хромосом самки несет так наз. запиратель кроссинговера (С), представляющий собой большую инверсию (см. Рекомбинация), а также рецессивную леталь (1) и доминантный маркер (В), контролирующий форму глаз. Из-за присутствия рецессивной летали самцы и гомозиготные самки нежизнеспособны. Для обнаружения индуцированных сцепленных с полом рецессивных леталей облученных самцов скрещивают с самками, гетерозиготными по хромосоме С1В. Самок С1В первого поколения, в свою очередь, скрещивают с нормальными самцами и исследуют дрозофил второго поколения. При наличии рецессивной летали потомство не должно содержать самцов, т. к. одна половина из них гибнет из-за наличия хромосомы С1В, а другая — из-за индуцированной летали. С помощью того же метода можно обнаруживать мутантов с пониженной жизнеспособностью (по изменению соотношения полов в потомстве) и сцепленные с полом жизнеспособные видимые мутации, проявляющиеся во втором поколении у всех самцов. На том же принципе основано использование и других тест-объектов, напр, объекта Muller-5 (Base). Сцепленные с полом видимые мутации, локализованные в половой хромосоме, особенно легко определяют у дрозофил со сцепленными Х-хромосомами. Такие дрозофилы получают Х-хромосому не от матери, а от отца. Поэтому мутации, индуцированные облучением самцов, проявляются уже в первом поколении. Для обнаружения хромосомных мутаций используют также метод установления транслокаций между II и III хромосомами дрозофилы.

Тем не менее хромосомные мутации более широко идентифицируются при помощи цитол. методов, при которых возможно непосредственное исследование облученных клеток на стадии метафазы или анафазы (см. Митоз), т. к. хромосомные мутации чаще всего обнаруживают по измененной морфологии хромосом. Особо следует отметить исследование хромосомных мутаций в гигантских хромосомах слюнных желез дрозофилы, когда возможен очень тонкий анализ изменений, индуцированных облучением. Цитол. методы требуют достаточно высокой митотической активности при небольшом числе крупных хромосом у изучаемого объекта. Клетки человека содержат 46 хромосом и поэтому менее доступны для проведения экспериментов, чем клетки модельных объектов. Однако в связи с важностью исследования мутаций у человека методы Р. г. были настолько разработаны и усовершенствованы, что клетки человека стали одним из самых распространенных объектов исследования. Обычно используют лимфоциты периферической крови, которые с помощью бласттрансформации, вызываемой чаще всего фитогемагглютинином, заставляют вступать в митотический цикл. При помощи специальных приемов приготовления препаратов получают метафазные пластинки, позволяющие сравнительно легко достигать очень точных результатов.

До сих пор еще до конца не решен вопрос о связи между разными типами мутаций, вызываемых ионизирующим излучением. Относительно геномных мутаций можно с достаточной уверенностью утверждать, что большинство их является следствием хромосомных мутаций. С помощью таких точных методов, как комплементационный тест, получение обратных мутаций из прямых, вызванных ионизирующим излучением, и непосредственным молекулярным анализом, было установлено, что ионизирующее излучение может индуцировать истинные генные мутации. Однако большинство толковых мутаций у некоторых организмов не является генными мутациями. Поэтому получаемые в экспериментах данные о хромосомных мутациях всегда вполне однозначны, в то время как данные о генных мутациях (кроме отдельных специальных исследований) всегда в большей или меньшей степени искажены хромосомными мутациями.

Хромосомные мутации (их называют еще структурными мутациями, хромосомными аберрациями, хромосомными перестройками) классифицируют в зависимости от того, вовлечено ли в перестройку все сечение хромосомы или только его часть, отдельные хроматиды или часть их сечения, происходит ли фрагментация хромосом и хроматид или перегруппировка материала хромосом — транслокация (см.), инверсия (см.) и т. п.

В начале 30-х гг. 20 в. была предложена гипотеза, согласно к-рой тип образующихся аберраций зависит от стадии клеточного цикла (см. Мейоз, Митоз), на к-рой происходит облучение: при облучении клеток, находящихся на стадии митотического цикла до репликации хромосом, повреждается все сечение хромосом, а после расщепления хромосомы на хроматиды облучением поражаются, как правило, отдельные хроматиды. Эта гипотеза пользуется широким признанием до сих пор. Позже были высказаны и другие предположения, согласно к-рым тип аберраций связан либо со временем реализации потенциального повреждения, либо с условиями его распространения по сечению хромосомы.

Относительно механизма образования хромосомных перестроек выдвинуты две группы гипотез. Согласно фрагментационной гипотезе, предложенной М. С. Навашиным в 1931 г., непосредственно во время облучения образуются фрагменты, которые могут рекомбинировать. Согласно контактной (кроссинговерной, обменной) гипотезе, предложенной А. С. Серебровским в 1929 г., первичным считают обмен, а появление фрагментов рассматривается как результат неполных обменов. Хотя некоторые исследователи до сих пор пытаются возрождать обменную гипотезу, большинство фактов убедительно свидетельствует в пользу фрагментационной. Симметричные хромосомные мутации (число хромосом в результате мутации не изменено и каждая хромосома содержит только одну центромеру), как правило, не ведут к гибели клеток, иногда эффекты облучения проявляются фенотипически или вызывают частичную стерильность. Асимметричные хромосомные мутации, за исключением мелких делеций, детальны для клетки и являются главной причиной ее репродуктивной гибели.

Относительная биологическая эффективность (см.) разных видов ионизирующего излучения растет с повышением линейной передачи энергии (ЛПЭ), но при очень высоких значениях ЛПЭ (напр., при облучении альфа-частицами) она несколько уменьшается. Как правило, относительная биол, активность ионизирующего излучения с высокой ЛПЭ зависит от дозы и наиболее высока при малых дозах облучения.

Влияние фракционирования дозы изучалось преимущественно на хромосомных аберрациях типа обменов. Наиболее известная закономерность сводится к тому, что при увеличении интервала между двумя фракциями число обменов уменьшается, достигая так наз. базисной линии, т. е. арифметической суммы эффектов двух доз, примененных раздельно. Традиционно эту зависимость объясняют тем, что фрагменты постепенно теряют способность к рекомбинации и с течением времени все меньшая доля фрагментов, вызванных облучением двумя фракциями, может вступать в обмен. Однако появился ряд фактов, не укладывающихся в эту схему. Напр., иногда при дальнейшем увеличении интервала между двумя фракциями частота обменов начинает снова возрастать, иногда отмечают эффект фракционирования для фрагментов, к-рого схема не предсказывает; наблюдаются также случаи, когда фракционированное облучение дает эффект ниже базисной линии или превышающий эффект однократного облучения. Сходные закономерности отмечают и для зависимости эффекта от мощности дозы. Как правило, при увеличении продолжительности облучения (при уменьшении мощности дозы) выход структурных мутаций уменьшается, хотя, как и для эффекта фракционирования, наблюдают отклонение от этой закономерности.

Количественный выход хромосомных мутаций, помимо условий облучения, зависит и от многих других факторов. Напр., в атмосфере кислорода эффект облучения возрастает в 2—3 раза; если содержание воды в облучаемом объекте увеличивается до 10%, чувствительность хромосом к облучению снижается, а затем возрастает. Модифицирующее влияние на возникновение хромосомных мутаций оказывают многие хим. радиопротекторы (см.) и радиосенсибилизаторы (см. Радиосенсибилизирующие вещества). При действии ионизирующего излучения с высокой ЛПЭ влияние всех этих факторов выражено значительно слабее.

Первоначально исследователи, работавшие в области Р. г., считали, что мутации возникают непосредственно во время облучения в окончательной и необратимой форме. Исключение делалось для фрагментов, которые, как предполагали, могут воссоединяться в течение нек-рого, довольно короткого, промежутка времени после облучения. В начале 50-х гг. 20 в. были получены данные, противоречащие этому взгляду. Была сформулирована так наз. концепция потенциальных повреждений, от которых клетка способна в большей или меньшей степени восстанавливаться. Кроме того, стали считать, что первичные повреждения, вызываемые ионизирующим излучением, приводят к генетическим изменениям лишь спустя нек-рое, иногда значительное, время после их индукции. В дальнейшем было установлено, что первичные повреждения ДНК, лежащие в основе мутаций, очень эффективно репарируются при участии ферментативных систем клетки (см. Репарация генетических повреждений). Большинство случаев изменения чувствительности хромосом к ионизирующему излучению объясняют изменением условий репарации; наряду с системами репарации, функционирующими в нормальных условиях, под действием ионизирующего излучения может индуцироваться значительно более мощная аварийная репарация (SOS-репарация), к-рая и обусловливает эффект фракционирования дозы.

Т. о., если клетка не устранила повреждения, причиненные генетическому материалу ионизирующим излучением, эти повреждения приводят либо к гибели клетки, либо, если клетка сохранила способность к размножению, к появлению измененного клеточного потомства. Большинство этих изменений вредные, меньшее их число — полезные или безразличные для клетки и организма в целом. Если изменения произошли в зародышевых клетках, то они передаются потомству. Большинство «жизнеспособных» мутаций рецессивны; они не вызывают изменений в организме непосредственных потомков, но увеличивают так наз. генетический груз популяции. Облучение организма в высоких дозах и вызванные им изменения генетического аппарата соматических клеток в критических органах (см. Критический орган) приводят к острой лучевой болезни (см.). К отдаленным последствиям накопления мутаций наряду с радиационным онкогенезом следует отнести преждевременное старение и укорочение продолжительности жизни.

Терапевтический эффект ионизирующего излучения при лечении злокачественных новообразований связан с гибелью клеток, обусловленной повреждением их генетического аппарата. Несколько большая радиочувствительность (см.) большинства типов опухолевых клеток по сравнению с нормальными связана, в первую очередь, с их более быстрой пролиферацией и пониженной способностью к репарации. Основой лучевой стерилизации также является генетический эффект ионизирующего излучения.

В мед. промышленности достижения Р. г. используют для получения новых штаммов продуцентов антибиотиков и других биологически активных веществ, в сельском хозяйстве — для селекции с.-х. культур и борьбы с с.-х. вредителями.

Основными проблемами современной Р. г, являются изучение механизмов возникновения генетических изменений и управления радиочувствительностью генетического аппарата клеток как в сторону ее повышения (лучевая терапия), так и понижения (предупреждение вредных последствий облучения).

Работы в области Р. г. ведутся в большом числе научных учреждений в нашей стране и за рубежом. В системе М3 СССР они осуществляются в НИИ медицинской радиологии АМН СССР, в Ин-те биофизики М3 СССР, Ин-те радиационной гигиены М3 СССР, в Ин-те медицинской генетики АМН СССР. Исследования по Р. г. ведутся также в Ин-те общей генетики АН СССР, Ин-те цитологии и генетики Сибирского отделения АН СССР, Ин-те цитологии АН СССР, Ленинградском ин-те ядерной физики АН СССР, в ряде ин-тов республиканских академий наук.

Результаты исследований по Р. г. публикуются в журналах «Радиобиология», «Генетика», «Цитология и генетика» (АН УССР), «Цитология», «Молекулярная биология». За рубежом материалы по Р. г. печатаются в «Annual Review of Genetics», «Biochemical Genetics», «Molecular and General Genetics», «Mutation Research» и др. В медвузах преподавание Р. г. ведется на кафедре общей биологии с основами генетики и гигиены.

См. также Радиобиология.

Библиография: Ауэрбах Ш. Проблемы мутагенеза, пер. с англ., М., 1978; Бочков Н. П, Хромосомы человека и облучение, М., 1971; Ганасси Е. Э. Радиационное повреждение и репарация хромосом, М., 1976; Дубинин Н. П. Проблемы радиационной генетики, М., 1961; Ивенс X. Повреждения хромосом ионизирующими излучениями, пер. с англ., М., 1966; Лучник Н. В. Биофизика цитогенетических поражений и генетический код, Д., 1968; Human radiation cytogenetics, ed. by H. J. Evans а. о., Amsterdam, 1967; Mutagen-induced chromosome damage in man, ed. by H. J. Evans a. D. C. Lloyd, Edinburgh, 1978; Radiation biology, ed. by A. Hollaender, v. 1—3, N. Y. a. o., 1954—1956; T i m о f e e f f-Ressovsky N. W. u. Z i m-m e г K. G. Biophysik, Bd 1, Lpz., 1947.

H. В. Лучник.