Радиационная биология. Радиоэкология, 2022, T. 62, № 1, стр. 18-27
Влияние ионизирующего излучения на теломеры
1 Южно-Уральский институт биофизики
Озёрск, Россия
* E-mail: clinic@subi.su
Поступила в редакцию 12.07.2021
После доработки 01.11.2021
Принята к публикации 09.11.2021
- EDN: OJMEMS
- DOI: 10.31857/S0869803122010076
Аннотация
На сегодняшний день длина теломер является информативным и важным биомаркером общего состояния здоровья человека, старения, влияния факторов окружающей среды, образа жизни и стресса. В последнее время многие исследования демонстрируют взаимосвязь между длиной теломер и радиационно-индуцированными эффектами. Рассмотрению этого вопроса будет посвящен настоящий обзор.
Термин “теломера” был предложен Германом Мёл-лером в 1932 г. и происходит от древнегреческих слов “telos – конец” и “meros” – часть.
Теломеры – это специализированные нуклеопротеиновые комплексы, локализованные на концах хромосом эукариот, в форме “защитного колпачка”. У человека теломеры состоят из тандемных повторов 5'-TTAGGG-3' ДНК, не несущих генетической информации, и ассоциированных с ними белков [1]. Длина двухцепочечного “защитного колпачка” может составлять 2–20 kb [2].
Каждую тандемную нуклеотидную последовательность сопровождает протеиновый комплекс – шелтерин (shelterin). Вместе они защищают хромосомные концы от распознавания как двухнитевого разрыва цепи (DSB, Double Strand Breaks) системой репарациии и предотвращают активацию сверочных точек повреждения ДНК [3]. Комплекс имеет форму Т-петли и включает шесть белков, ассоциированных с теломерной ДНК: TRF1, TRF2, TIN2, POT1, TPP1, RAP1. Каждый из этих белков выполняет специфичные функции, направленные на поддержание теломер. TRF1 и TRF2 связывают двухнитевые разрывы теломерной ДНК, а POT1 – однонитевые разрывы ДНК. Также POT1 взаимодействует с другими белками комплекса через связывающие белки TIN2 и TPP1. Многочисленные молекулы POT1–TPP1 покрывают длинные участки ондоцепочечной ДНК, образуя компактные упорядоченные структуры, которые служат для защиты участков от доступа теломеразы и факторов ответа на повреждение ДНК (DDR – DNA Damage Response). TIN2 стабилизирует TRF1 и TRF2 на двухцепочечном участке ДНК, а TPP1 и POT1 – на одноцепочечном. RAP1 взаимодействует с TRF2 и подавляет DDR в теломерах (рис. 1) [4–6]. Помимо ДНК теломеры содержат РНК (TERRA, Telomeric Repeat containing RNA), являющуюся естественным лигандом и ингибитором теломеразы [7].
Недавно был обнаружен еще один белок, обладающий сродством к участкам 5'-TTAGGG-3' теломер. Это Kruppel-подобный белок с 11 цинковыми пальцами (ZBTB48). На основании его теломерспецифической локализации ZBTB48 был переименован в TZAP (Telomeric Zinc-finger Associated Protein – теломерный белкок с цинковыми пальцами) (рис. 2). Наряду с шелтерином этот белок играет важную роль в гомеостазе теломер. TZAP прикрепляется к 5'-TTAGGG-3'-повторам теломер: связываясь с ДНК, он инициирует укорочение теломер, вырезая шестинуклеотидные повторы [8].
Выяснилось, что количество шелтерина (в том числе и его субъединицы TRF2) в клетке постоянно и не зависит от длины теломер. Поэтому на длинных теломерах могут “обнажаться” повторы -TTAGGG-, свободные от TRF2. С ними связывается TZAP. Причем конкурирует за субстрат он именно с TRF2, а не с TRF1. При повышенной экспрессии гена TRF2 количество присоединенного к ДНК TZAP сокращается. В клетках с нормальным балансом TRF2/TZAP последний следит за тем, чтобы теломера не стала слишком длинной. Эту функцию TZAP выполняет и в эмбриональных стволовых клетках: при экспериментальной делеции генов TZAP теломеры в стволовых клетках существенно удлинялись, а после введения экзогенного TZAP возвращались к норме. Известно, что слишком длинные теломеры могут способствовать трансформации клетки в раковую, разрешая ей бóльшее количество делений. То есть TZAP, регулируя максимальную длину теломер, по-видимому, участвует в защите организма от возникновения опухолей [8].
По завершении каждой репликации ДНК теряется небольшое количество нуклеотидов (т.н. “концевая недорепликация” [9]) из-за того, что ДНК-полимеразная система оставляет недореплицированными 3'-концы материнских цепей ДНК, т.е. новые цепи оказываются укороченными с 5'- концов. А так как теломерные повторы не несут генетической информации, то потеря некоторой части нуклеотидов не отражается на функционировании генома (в среднем теряется 200–300 н.п., а длина двухцепочечного теломерного участка индивидов может варьировать от 2 до 20 т.н.п) [10]; таким образом теломеры выполняют роль своеобразного буфера. Их общая протяженность на обе теломерные области составляет лишь 0.02% от всего генома [11].
После определенного количества клеточных делений теломеры укорачиваются до критических значений и перестают функционировать. В нормальных клетках с неповрежденными функциями белка p53 и сверочными точками клеточного цикла эти сверхкороткие теломеры распознаются как повреждения ДНК, и запускаются пути DDR, который формирует очаги TIFs (Telomere Dysfunction-Induced foci) [11, 12]. Индукция факторов DDR, таких как ATM и γH2AX, обратно коррелирует с уровнями белков шелтерина и длиной теломер [13]. В нормальных клетках с правильно функционирующими системами репарации может присутствовать небольшое количество теломер (до пяти) с дисфункцией [14]. Но при накоплении TIFs происходит следующее: DDR препятствует дальнейшему делению клетки, что приводит ее к блоку клеточного цикла и “репликативному старению” [15]. Однако клетки, которые утратили белки сверочных точек (p53 и p16) для запуска DDR, перестают стареть: их клеточное старение откладывается, они продолжают пролиферировать с сопутствующим укорочением теломер, пока не наступит “теломерный кризис”, включающий в себя массивные хромосомные слияния и гибель клетки [16].
Таким образом, прогрессирующее укорочение теломер действует как “молекулярные часы”, которые ограничивают количество клеточных делений, тем самым регулируя продолжительности жизни клетки [9, 17].
Постоянное укорочение теломер в различных типах клеток может быть компенсировано двумя механизмами теломерного удлинения: посредством активации специализированной обратной транскриптазы – теломеразы (характерно для соматических и половых клеток) и через альтернативное удлинение теломер (ALT – Alternative Lengthening of Telomeres) путем гомологичной рекомбинации, независимой от активности теломеразы (характерно для некоторых раковых клеток) [18].
Теломераза – специализированная обратная транскриптаза, состоящая из каталитической субъединицы, обладающей активностью обратной транскриптазы (hTERT – human Telomerase Reverse Transcriptase), которая с помощью РНК-субъединицы (hTR или hTERC – human Telomerase RNA Component) (рис. 3) синтезирует теломерную ДНК de novo. Она удлиняет теломеры, присоединяя тандемные последовательности ДНК (-TTAGGG-) к 3'-концу цепи. Белок дискерин (DКС1) включается в состав теломеразного комплекса на стадии его формирования и регулирует активность теломеразы [19].
В частности, теломераза экспрессируется в стволовых и эмбриональных клетках; в тканях, способных к регенерации; в большинстве раковых клеток. Как правило, ее экспрессия инактивирована в дифференцированных клетках, таких как соматические, поэтому теломеры их хромосом укорачиваются после каждого клеточного деления [20].
Степень и сложность биологического повреждения, вызванного прямым воздействием ионизирующего излучения (ИИ), прямо пропорциональны распределению энергии излучения и линейной передаче энергии (ЛПЭ). При прямом воздействии ИИ характер хромосомного повреждения зависит от суммарной дозы, мощности излучения и ЛПЭ. ИИ с низкой ЛПЭ (высокоэнергетические рентгеновские кванты и γ-кванты от 137Cs и 60Co) выделяют экспоненциально уменьшающееся количество энергии в зависимости от глубины проникновения в таргетный материал (например, клетку, ткань, орган). Дозы излучения с низкой ЛПЭ приводят к равномерному облучению клеток ткани. Когда рентгеновские и γ-кванты поглощаются клетками или тканями, они взаимодействуют с атомами или молекулами, особенно с водой, которая составляет 80% клетки, с образованием свободных радикалов (например, гидроксильных, супероксидных радикалов) и других активных форм кислорода (АФК), которые затем повреждают критические цели в непосредственной близости, такие как ДНК [21]. Напротив, ИИ с высокой ЛПЭ (протоны, нейтроны, α-частицы и тяжелые заряженные частицы) выделяют энергию, которая концентрируется вдоль радиационного трека; таким образом, локальная доза в центре трека может составлять десятки Гр, но на расстоянии всего лишь нескольких микрон (т.е. в соседней клетке) доза может быть близкой к нулю [22]. Следовательно, когда ИИ с высокой ЛПЭ проходит через живое вещество, оно вызывает прямые кластерные повреждения вдоль радиационного трека к критическим клеточным мишеням, таким как ДНК, что приводит к двухнитевым разрывам ДНК и другим сложным хромосомным повреждениям, степень повреждения которых зависит от конкретных физических характеристик излучения, таких как энергия и масса [21].
Радиационно-индуцированная геномная нестабильность в ее различных проявлениях в настоящее время и в течение многих лет является предметом всемирного интереса (хромосомные аберрации, изменения плоидности, образование микроядер, мутации и амплификации генов, нестабильность микросателлитов и пр.) [23, 24]. Хромосомные повреждения, вызванные прямым и непрямым воздействием ИИ, могут привести к геномной нестабильности. К примеру, во время пролиферации хромосомное повреждение, вызванное ИИ, запускает DDR, а белки DDR тесно связаны с теломерными белками и тем самым могут влиять на гомеостаз теломер. Эти факторы могут приводить к серьезным последствиям для здоровья человека в отдаленный период [2, 25]. Можно предположить, что дисфункция теломер является важным фактором геномной нестабильности.
Воздействие ИИ может приводить к временному блоку митоза: облученные клетки продолжают пролиферировать, но значительно медленнее, чем необлученные. По мере заполнения ткани новыми клетками и для компенсации медленной пролиферации облученных клеток необлученные, соседние клетки, подверженные эффекту свидетеля (bystander effect), начинают делиться активнее нормальных необлученных. Это приводит к быстрому укорочению теломер и ускоренному репликативному старению [2].
Дисфункция теломер маловероятна за счет прямого воздействия ИИ, поскольку теломеры составляют незначительную часть (0.02%) от всего генома. Поэтому основным механизмом радиационно-индуцированного повреждения теломер, по-видимому, является косвенное воздействие чрезмерных уровней активных форм кислорода (АФК), таких как H•, OH•, HO$_{2}^{\centerdot }$ [26], возникающих в результате митохондриальной дисфункции и радиолиза; молекулярные структуры повреждаются ими напрямую и/или за счет эффекта свидетеля (рис. 4) [2].
Отдельно стоит отметить влияние АФК на теломеры. Свободные радикалы приводят к модификации азотистых оснований (в частности, гуанин превращается в 8-оксогуанин; 8-oxoGua) (рис. 5). Гуанин в ДНК, обладая самым низким среди природных азотистых оснований окислительно-восстановительным потенциалом (1.29 мВ относительно нормального водородного электрода [27]), легко окисляется в положении С8, образуя 8-oxo-G [28]. Образование 8-oxo-G (и продуктов его модификации) является наиболее распространенным видом окислительного повреждения нуклеиновых кислот [29]; 8-oxo-G является одним из основных биомаркеров окислительного стресса [27, 30]. Окислительное повреждение азотистых оснований может привести к одноцепочечным разрывам ДНК и потере дистальных фрагментов теломерной ДНК в ходе репликации и к укорочению теломер. [31]. Высокая частота встречаемости остатков гуанина (-TTAGGG-) в теломерных последовательностях ДНК делает теломеры предпочтительными мишенями для окислительного повреждения.
В клетках млекопитающих реализуются два механизма репарации двухнитевых разрывов ДНК (ДНР): негомологичное воссоединение концов (NHEJ, Non-Homologous End Joining) и гомологичная репарация (HR, Homologous Reparation). Эти же механизмы ответственны за восстановление повреждений, возникающих в теломерах [20]. Поэтому в отдельных случаях, когда присутствует нарушение механизов репарации теломер, происходит перегрузка общей системы репарации повреждений. Все это накладывается на естественное клеточное старение и рецессивные мутации, накапливаемые в геноме, и приводит к отдаленной геномной нестабильности.
На теломерном уровне постоянное укорочение в конечном итоге приводит к теломерной дисфункции через активацию сигналов DDR. Специфическая передача сигнала от поврежденных теломер запускает клеточное старение и угнетает пролиферацию [32]. Но данный процесс не является потенциально опасным для геномной стабильности. Однако если предположить, что несколько дисфункциональных теломер не индуцируют передачу DDR-сигнала и клетка не заблокирует пролиферацию и не запустит старение, а продолжит существовать и делиться, пока не укоротится до теломерного кризиса, то вероятность развития геномной нестабильности сильно возрастает. После критического укорочения теломер хромосома может претерпеть крупное фракционирование или деградацию. Потеря теломеры может привести к потере гетерозиготности [14]. “Слишком” большая нестабильность может привести к преждевременному старению или гибели клетки, а “недостаточная” может замедлить пролиферацию и привести к канцерогенезу [33].
Чтобы оценить роль теломер в чувствительности организма к ионизирующему излучению, исследовали мышей с инактивированной теломеразой (mTR–/–). У этих грызунов отсутствует теломераза и наблюдается укорочение теломер со скоростью 4–5 т.н.п. с каждым поколением [34]. В схему исследования входили мыши дикого типа (WT) и мыши с инактивированной теломеразой (mTR–/–). Мыши пятого поколения (G5mTR–/) обладали теломерами на 40% короче, чем дикий тип. Грызунов подвергали воздействию γ-излучения фракциями по 1.75 Гр с мощностью 1.14 Гр/мин в течение недели. Суммарная доза к концу недели составляла 10.5 Гр. В отличие от WT и предыдущих поколений, 60% мышей G5mTR–/–, подвергшихся облучению, погибли после шестой фракции γ-облучения. У них наблюдались аплазия костного мозга, дегенерация париетальных клеток желудка, кистозные образования слизистой оболочки желудка, дегенерация ворсинок и крипт тонкого кишечника и лучевая нефропатия [34]. Дополнительно исследовали, какие изменения наблюдаются на клеточном уровне. До облучения у мышей были выделены спленоциты и стимулированы специфическим митогеном В-лимфоцитов (LPS). Через 48 ч спленоциты исследуемых групп были облучены в разных дозах: 1.75 и 4 Гр. В группе мышей G5mTR–/– наблюдался выраженный апоптоз (63.9 ± 8.9%) против 36.0 ± ± 6.2% в группе WT (табл. 1) [34].
Таблица 1.
Генотип (доза) | n | 48 ч после стимуляции, % | ||
---|---|---|---|---|
апоптоз | G0/G1 | S/G2 | ||
WT (0 Гр) | 5 | 9.6 ± 2.0 | 59.6 ± 13.3 | 32.2 ± 13.4 |
WT (1.75 Гр) | 5 | 26.4 ± 8.3 | 46.8 ± 10.9 | 26.7 ± 12.2 |
WT (4 Гр) | 5 | 36.0 ± 6.2 | 43.8 ± 6.2 | 19.9 ± 9.7 |
G2mTR–/– (0 Гр) | 3 | 5.1 ± 3.7 | 58.0 ± 19.2 | 36.8 ± 16.6 |
G2mTR–/– (1.75 Гр) | 3 | 26.3 ± 14.9 | 43.3 ± 7.1 | 29.9 ± 21.9 |
G2mTR–/– (4 Гр) | 3 | 49.2 ± 15.9 | 32.9 ± 8.9 | 17.5 ± 12.3 |
G5mTR–/– (0 Гр) | 5 | 10.1 ± 4.6 | 55.8 ± 11.6 | 34.0 ± 8.2 |
G5mTR–/– (1.75 Гр) | 6 | 39.6 ± 17.4 | 36.0 ± 11.0 | 24.3 ± 12.5 |
G5mTR–/– (4 Гр) | 5 | 63.9 ± 8.9 | 25.9 ± 7.7 | 10.1 ± 5.4 |
G6mTR–/– (0 Гр) | 2 | 9.7 ± 8.8 | 55.7 ± 9.5 | 34.7 ± 2.5 |
G6mTR–/– (1.75 Гр) | 2 | 40.0 ± 25.7 | 39.9 ± 15.1 | 19.6 ± 8.3 |
G6mTR–/– (4 Гр) | 2 | 63.8 ± 2.1 | 26.0 ± 2.8 | 10.3 ± 2.1 |
Чтобы лучше понимать связь между короткими теломерами и чувствительностью к воздействию ИИ [24], было исследовано влияние ИИ на компоненты DDR в нормальных человеческих фибробластах (HFFs). Для этого сравнили длину теломер фибробластов раннего пассажа (PD15, с длинными теломерами) и позднего пассажа (PD69, с короткими теломерами) после облучения в дозах 2, 4, 6 и 8 Гр. Результаты показали, что поколение PD69 оказалось более радиочувствительным по сравнению с ранним поколением (рис. 6) [35].
Чтобы охарактеризовать кинетику замедленной репарации ДНК, наблюдаемую в поздних поколениях HFFs, исследовали роль ATM в DDR. В ходе DDR быстро фосфорилируется АТМ, приводя к остановке клеточного цикла, старению клетки и апоптозу. Субстратами для ATM являются p53, NBS1, H2AX, 53BP1, BRCA1, SMC1 и Chk2. Результаты исследования показали, что клетки позднего пассажа демонстрировали замедленное фосфорилирование белков-мишеней ATM, таких как H2AX, SMC1 и NBS1 [35].
Ограничены данные о долгосрочном влиянии ИИ на длину теломер in vivo в популяциях людей, о чем свидетельствуют противоречивые результаты нескольких представленных ниже исследований.
Чтобы определить, оказывает ли ИИ долгосрочное влияние на организм человека и на длину теломер, в частности, обследована группа ликвидаторов последствий аварии на ЧАЭС. Относительная длина теломер (RTL) была измерена в лейкоцитах периферической крови 595 ликвидаторов и 236 контрольных лиц, соответствующих по полу и возрасту, с использованием q-PCR (количественной ПЦР в реальном времени). Пристальное внимание было уделено году участия и задачам, которые выполнялись рабочими во время пребывания в Чернобыле, состоянию их здоровья. У ликвидаторов последствий аварии на ЧАЭС укорочение теломер не обнаружено; напротив, их RTL была больше, чем в контрольной группе (P = 0.001). Причем более длинные теломеры были обнаружены в той группе ликвидаторов, кто выполнял наиболее “грязную” работу в 1986 г. (раскопки и дезактивация). Также длинные теломеры наблюдались у людей со злокачественными новообразованиями (ЗНО). Короткие теломеры часто регистрировались у людей с катарактой, остеопорозом, атеросклерозом и ишемической болезнью сердца [36]. Теломеры оказались длиннее у людей, подвергшихся более мощному воздействию ионизирующего излучения, вероятно, из-за активации теломеразы как механизма репарации хромосом после повреждения. В свою очередь, дефекты в регуляции теломеразы могут усиливать канцерогенез, что объясняет повышенную заболеваемость ЗНО среди ликвидаторов аварии ЧАЭС [36].
Противоположные результаты были получены при обследовании лиц, подвергшихся атомной бомбардировке Хиросимы и Нагасаки. Было обнаружено дозозависимое укорочение теломер лейкоцитов в группе лиц, которые на момент бомбардировки были моложе 12 лет. Эти данные демонстрируют негативное влияние ИИ на теломеры лейкоцитов даже через 50–68 лет после облучения [37]. В другом исследовании для когорты лиц, выживших после атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, установлена нелинейная зависимость между дозой облучения и длиной теломер Т-лимфоцитов. Наблюдалась тенденция к укорочению длины теломер при облучении в дозе >0.5 Гр. Также выявлена корреляция между короткими теломерами Т-лимфоцитов и повышенным уровнем гликированного гемоглобина (HbA1c) и с жировым перерождением печени. Выяснилось, что тенденция к укорочению теломер была менее выражена у индивидов с высоким уровнем липопротеинов высокой плотности (ЛПВП) [38].
При изучении действия рентгеновского излучения in vitro на эндотелиальные клетки пупочной вены человека (HUVECs) выяснили, что после воздействия на клетки низкими дозами рентгеновского излучения (0.5 Гр) в течение первых трех дней их теломеры претерпевают различные изменения. Клетки с длинными теломерами либо не претерпевали изменений, либо теломеры укорачивались незначительно. В отличие от них клетки со средней длиной теломер значительно укорачивались (4.4–6.6 т.н.п.) и становились клетками с наиболее короткими теломерами, тем самым пополнив пул клеток с короткими теломерами. Клетки с наиболее короткими теломерами на третий день после облучения либо погибали, либо их теломеры удлинялись. Важно, что по мере изменения длины теломер, практически не изменялась концентрация теломеразы и теломерных белков TRF1 и TRF2. Ученые связывают уменьшение длины теломер с избыточным радиационно-индуцированным оксидативным стрессом и повреждениями ДНК, в результате чего возникает реорганизация теломер. Случайные повреждения ДНК, вызванные ИИ, генотоксическими агентами, АФК ведут к активации DDR, который часто сохраняется в теломерах. Клетки с постоянно активированным DDR показывают радиочувствительный фенотип, который не зависит от экспрессии теломеразы [39].
По данным Rossiello активация DDR чаще встречалась в тканях у возрастных особей мышей и бабуинов по сравнению с молодыми особями. Высказано предположение, что обладание длинными теломерами в эволюционном плане может носить негативный характер для их обладателя, поскольку длинная теломерная ДНК является более обширной мишенью для случайных повреждений, которые не могут быть репарированы [40].
Персистирующее повреждение ДНК фиксируется флуоресцентной микроскопией за счет детекции гистона H2AX (его фосфорилированной модификации – γH2AX) и адаптерного белка 53BP1 (p53-binding protein). Фокусы γH2AX и 53BP1 указывают на наличие ДНР, поэтому оба могут использоваться как “суррогатные” маркеры ДНР. По данным Zhang et al., большая часть устойчивых к репарации повреждений ДНК, вызванных действием рентгеновского излучения, располагались на теломерах: процент связанных с теломерами персистирующих фокусов 53BP1 достигал 30% [41].
Для изучения природы катарактогенеза и определения роли ИИ облучали эмбриональные клетки хрусталика (HLE). Было показано, что в отличие от фибробластных клеток, с увеличением пассажей длина теломер неожиданно увеличивалась. Для этих же клеток было показано снижение активности теломеразы с каждым пассажем. Исследователи предположили, что теломеры удлинялись за счет альтернативных механизмов (ALT), свойственных опухолевым клеткам. Но эта теория не подтвердилась. Затем клетки облучали в дозах 0.001–2 Гр. Было показано дозозависимое увеличение длины теломер: чем доза была выше, тем длиннее становились теломеры. При этом, несмотря на увеличние длины теломер, было показано дозозависимое увеличение фокусов γ-H2AX (в дозах свыше 0.2 Гр). Однако через 72 ч практически все фокусы γ-H2AX были репарированы (TIF c 4.65 до 0.07). Установлено, что активность теломеразы снижалась в зависимости от дозы. В этом же исследовании окислительный стресс измеряли через 2, 24, 72 ч и 7 сут; и показали, что через 2 ч он возрастал; к 24 ч снижался; а к 7-м суткам уровень АФК отличался у всех доноров. Полученные результаты авторы объяснили эмбриональной природой клеток. Увеличение длины теломер, по-видимому, было связано с изначальной концентрацией теломеразы, которая оказалась неожиданно высокой в эмбриональных клетках хрусталика [42].
Для выяснения вклада окислительного стресса в радиационно-индуцированное повреждение теломер выполнялось сравнение уровней АФК и длины теломер после воздействия рентгеновского излучения. Выполнялось количественное измерение длины теломер фибробластов HFFF2 в течение 13 дней после рентгеновского облучения в дозе 4 Гр. Показано, что максимальный уровень АФК регистрировался на 3-и сутки после облучения и постепенно снижался к 8-м суткам. Причем, при предварительной обработке фибробластов антиоксидантом N-ацетилцистеином (NAC) не наблюдалось значительного увеличения уровня эндогенного АФК после облучения и длина теломер не изменялась. Для анализа изменения длины теломер в динамике проводили подробное измерение теломер фибробластов с 3-х по 13-е сутки с помощью Q-FISH. Было выявлено изменение длины теломер фибробластов HFFF2 в зависимости от времени, прошедшего после воздействия рентгеновского облучения в дозе 4 Гр: на 3-и сутки регистрировалась значительная эрозия теломер (за счет редукции доли длинных теломер); на 4-е сутки наблюдалась тенденция к удлинению (сократилась доля коротких теломер и увеличилась доля длинных); на 6-е сутки регистрировались резкое увеличение доли коротких теломер и сокращение доли длинных; с 7-х по 13-е сутки регистрировалось стабильное равномерное удлинение теломер.
Также интересен факт, что на 4-е, 8-е и 10-е сутки регистрировалось значимое увеличение концентрации белков RAD51 и RPA2, ответственных за гомологичную репарацию (HR) ДНР, причем максимальная концентрация белков наблюдалась на 8-е сутки: трехкратное увеличение RAD51 и двухкратное RPA2 [43].
ВЫВОДЫ
1. Данные, представленные в обзоре, свидетельствуют о том, что ионизирующее излучение может оказывать повреждающее действие на теломеры, приводя к их укорочению и дисфункции. В связи с этим можно предположить, что чем короче теломеры, тем организм или его структуры чувствительнее к повреждениям, вызванным ионизирующим излучением.
2. Основной вклад в модуляцию длины теломер после облучения, по мнению исследователей [2, 31, 43], вносит оксидативное повреждение.
3. Некоторые метаболические состояния, образ жизни и болезни индивидуума способствуют укорочению теломер, тем самым повышая его восприимчивость к действию ионизирующего излучения [38].
4. Дальнейшее изучение влияния ионизирующего излучения на функцию теломер и их роль в патогенезе радиационно-индуцированных эффектов остается одной из важнейших задач радиобиологии.
Список литературы
Shammas M. Telomeres, lifestyle, cancer, and aging // Curr. Opin. Clin. Nutrit. Metab.Care. 2011. V. 14. P. 28–32. https://doi.org/10.1097/MCO.0b013e32834121b1
Shim G., Ricoul M., Hempel W. et al. Crosstalk between telomere maintenance and radiation effects: A key player in the process of radiation-induced carcinogenesis // Mutat. Res. 2014. V. 760. P. 1–17. https://doi.org/10.1016/j.mrrev.2014.01.001
De Lange T. Shelterin: the protein complex that shapes and safeguards human telomeres // Gen. & Develop. 2005. V. 19. P. 2100–2110. https://doi.org/10.1101/gad.1346005
Palm W., De Lange T. How shelterin protects mammalian telomeres // Annu. Rev. Genet. 2008. V. 42. P. 301–334. https://doi.org/10.1146/annurev.genet.41.110306.130350
Ye J., Donigian J. TIN2 binds TRF1 and TRF2 simultaneously and stabilizes the TRF2 complex on telomeres // J. Biol. Chem. 2004. V. 279. P. 47264–47271. https://doi.org/10.1074/jbc.M409047200
Taylor D., Podell E. Multiple POT1–TPP1 proteins coat and compact long telomeric single-stranded DNA // J. Molec. Biol. 2011. V. 410. P. 10–17. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2011.04.049
Zhdanova N., Minina J. Mammaliam telomere biology // Molec. Biol. 2012. V. 46. P. 539–555.
Li J., Fuste M., Simavorian T. TZAP: a telomere-associated protein involved in telomere length control // Sci. 2017. V. 355. P. 638–641. https://doi.org/10.1126/science.aah6752
Olovnikov A. A theory of marginotomy. The incomplete copying of template margin in enzymic synthesis of polynucleotides and biological significance of the phenomenon // J. Theor. Biol. 1973. V. 41. № 1. P. 181–90. https://doi.org/10.1016/0022-5193(73)90198-7
Harley C., Futcher A. Telomeres shorten during ageing of human fibroblasts // Nature. 1990. V. 345. P. 458–460. https://doi.org/10.1038/345458a0
Fumagalli M., Rosiello F. Telomeric DNA damage is irreparable and causes persistent DNA-damage-response activation // Nature Cell Biol. 2012. V. 14. P. 355–365. https://doi.org/10.1038/ncb2466
Takai H., Smogorzewska T. DNA damage foci at dysfunctional telomeres // Curr. Biol. 2003. V. 13. P. 1549–1556. https://doi.org/10.1016/s0960-9822(03)00542-6
Raynaud C., Hernandez J. DNA damage repair and telomere length in normal breast, preneoplastic lesions, and invasive cancer // Am. J. Clin. Oncol. 2010. V. 33. P. 341–345. https://doi.org/10.1097/COC.0b013e3181b0c4c2
Kaul A., Cesare L. Five dysfunctional telomeres predict onset of senescence in human cells // EMBO Rep. 2012. V. 13. P. 52–59. https://doi.org/10.1038/embor.2011.227
D’Adda di Fagagna F., Reaper P. A DNA damage checkpoint response in telomere-initiated senescence // Nature. 2003. V. 426. P. 194–198. https://doi.org/10.1038/nature02118
Ducray C., Pommier J. Telomere dynamics, end-to-end telomerase activation during the human fibroblast immortalization process // Oncogene. 1999. V. 18. P. 4211–4223. https://doi.org/10.1038/sj.onc.1202797
Hayflick L., Moorhead P. The serial cultivation of human diploid cell strainz // Experim. Cell Res. 196. V. 25. P. 585–621. https://doi.org/10.1016/0014-4827
Bryan T., Englezou A. Telomere elongation in immortal human cells without detectable telomerase activity // EMBO J. 1995. V. 14. P. 4240–4248.
Smogorzewska A., de Lange T. Regulation of telomerase by telomeric proteins // Ann. Rev. Biochem. 2004. V. 73. P. 177–208. https://doi.org/10.1146/annurev.biochem.73.071403.160049
Jeggo P. DNA breakage and repair // Advan. Genet. 1998. V. 38. P. 185–218. https://doi.org/10.1016/s0065-2660(08)60144-3
Hall E. Radiobiology for the Radiologist, 6th edition // Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 2006. V. 66. P. 627. https://doi.org/10.1016/j.ijrobp.2006.06.027.
Cucinotta F., Nikjoo H., Goodhead D. Model for radial dependence of frequency distributions for energy imparted in nanometer volumes from HZE particles // Radiat. Res. 2000. V. 153. P. 459–468.
Baulch J. Radiation-induced genomic instability, epigenetic mechanisms and the mitochondria: a dysfunctional ménage a trois? // Int. J. Radiat. Biol. 2019. V. 95. P. 516–525. https://doi.org/10.1080/09553002.2018.1549757
Morgan W. Radiation-induced genomic instability // Health Phys. 2011. V. 100. P. 280–281. https://doi.org/10.1097/HP.0b013e3182082f12
Normatova M. Chromatin structure and dna damage response // Avicenna Bull. 2017. V. 19. P. 120–124. https://doi.org/10.25005/2074-0581-2017-19-1-120-124
Steenken S., Jovanovic S. How easily oxidizable is DNA? One electron reduction potentials of adenosin and guanosine radicals in aqueous solution // J. Am. Chem. Soc. 1997. V. 119. P. 617–618.
Marmiy N., Esipov D. 8-oxo-2'-deoxyguanosine – Biomarker, Signal Molecule, Potential Pharmaceutical Agent // Sci. J. VolSU. Nat. Sci. 2018. V. 8. P. 49–52. https://doi.org/10.15688/jvolsu11.2018.1.9
Burrows C.J., Muller J.G. Oxidative nucleobase modifications leading to strand scission // Chem. Rev. 1998. V. 98. P. 1109–1152.
Cooke M., Evans M., Dizdaroglu M. Oxidative DNA damage: mechanisms, mutation, and disease // FASEB J. 2003. V. 17. P. 1195–1214.
Kasai H. Analysis of a form of oxidative DNA damage, 8-hydroxy-2'-deoxyguanosine, as a marker of cellular oxidative stress during carcinogenesis // Mutat. Res. 1997. V. 387. P. 147–163.
Coluzzi E., Colamartino M., Cozzi R. et al. Oxidative stress induces persistent telomeric DNA damage responsible for nuclear morphology change in mammalian cells // PLoS ONE. 2014. V. 9. № 10. P. 1–12. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0110963
Harley C., Futcher A. Telomeres shorten during ageing of human fibroblasts // Nature. 1990. V. 345. P. 458–460. https://doi.org/10.1038/345458a0
Komarova N., Wodarz D. The optimal rate of chromosome loss for the inactivation of tumor suppressor genes in cancer // Proc. Nation Acad. Sci. 2004. V. 101. № 18. P. 7017–7021. https://doi.org/10.1073/pnas.0401943101
Goytisolo F., Samper E. Short telomeres result in organismal hypersensitivity to ionizing radiation in mammals // J. Experim. Med. 2000. V. 192. № 11. P. 1625–1636. https://doi.org/10.1084/jem.192.11.1625
Drissi W., Wu J. Telomere shortening alters the kinetics of the DNA damage response after ionizing radiation in human cells // Cancer Prev. Res. 2011. V. 4. № 12. P. 1973–1981. https://doi.org/10.1158/1940-6207.CAPR-11-0069
Reste J., Zvigule G., Zvagule T. Telomere length in Chernobyl accident recovery workers in the late period after the disaster // J. Radiat. Res. 2014. V. 55. № 6. P. 1089–1100. https://doi.org/10.1093/jrr/rru060
Lustig A., Shterev I. Long term effects of radiation exposure on telomere lengths of leukocytes and its associated biomarkers among atomic-bomb survivors // Oncotarget. 2016. V. 7. № 26. P. 38988–38997. https://doi.org/10.18632/oncotarget.8801
Yoshida K., Misumi M. Long-term effects of radiation exposure and metabolic status on telomere length of peripheral blood T-cells in atomic bomb survivors // Radiat. Res. 2016. V. 186. № 4. P. 367–376.
Guan J., Guan W. Changes in telomere length distribution in low-dose X-ray-irradiated human umbilical vein endothelial cells // Molec. Cell. Biochem. 2014. V. 396. P. 129–135. https://doi.org/10.1007/s11010-014-2149-5
Rossiello F., Herbig U. Irreparable telomeric DNA damage and persistent DDR signaling as a shared causative mechanism of cellular senescence and ageing // Curr. Opin. Genet. Develop. 2014. V. 26. P. 89–95. https://doi.org/10.1016/j.gde.2014.06.009
Zhang X., Ye C., Sun F. et al. Both complexity and location of DNA damage contribute to cellular senescence induced by ionizing radiation // PLoS ONE. 2016. V. 11. № 5. P. 1–16. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0155725
Bains S., Chapman K. Effects of ionising radiation on telomere length and telomerase activity in cultured human lens epithelium cells // Int. J. Radiat. Biol. 2019. V. 95. № 1. P. 54–63. https://doi.org/10.1080/09553002.2018.1466066
De Vitis M., Berardinelli F., Coluzzi E. X-rays activate telomeric homologous recombination mediated repair in primary cells // Cells. 2019. V. 8. № 7. P. 708–727. https://doi.org/10.3390/cells8070708
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Радиационная биология. Радиоэкология