Влияние ионизирующей радиации на процессы старения

Биологическое старение представляет собой многофакторный процесс деструктивного изменения функционирования организма и его частей. На старение влияет целый комплекс регулируемых и нерегулируемых факторов, а также, генетически наследуемые факторы. Одним из таких факторов, воздействующих на процессы старения организма, является ионизирующее излучение.

Содержание:

Содержание:

Ионизирующее излучение представляет собой поток элементарных частиц и/или квантов электромагнитного излучения, который при взаимодействии с веществом может привести к высвобождению электронов из атома и молекул. Ионизирующее излучение подразделяют на электромагнитное и корпускулярное. К электромагнитному излучению относятся рентгеновские лучи, гамма-лучи радиоактивных элементов. Видимый свет, радиоволны, микроволны, излучаемые различными промышленными установками, также являются электромагнитными излучениями, но характеризуются большей длиной волны и поэтому не способны ионизировать атомы и молекулы. Корпускулярное излучение - это заряженные частицы: β-частицы (электроны), протоны (ядра водорода), α-частицы (ядра гелия) и незаряженные нейтроны, взаимодействующие с ядром с образованием заряженных частиц.

Единицей энергии, поглощенной веществом (органом) в системе СИ является грей (Гр), который связан с внесистемной единицей поглощённой дозы рад, соотношением 1 Гр = 100 рад. Биологический эффект радиации на организм определяется не только поглощенной дозой радиации, но и энергией, которую теряет заряженная частица на единицу длины ее пробега в веществе, то есть от величины линейной передачи энергии (ЛПЭ). В зависимости от значения показателя ЛПЭ ионизирующие излучения подразделяются на редко- и плотноионизирующие. К первым относятся все электромагнитные излучения, а ко вторым - заряженные частицы. Эффект радиации на старение организма и канцерогенез гораздо более выражен для плотноионизирующих излучений. Для оценки биологических эффектов различных видов излучений используют показатель эквивалентной дозы ионизирующего излучения, единицей которого в системе СИ является зиверт. Зиверт представляет собой поглощенную дозу в греях, умноженную на постоянную, которая характеризует тип излучения.

Влияние ионизирующей радиации на процессы старения неоднократно было показано на самых разных объектах, начиная от простейших организмов, заканчивая млекопитающими. Интерес к влиянию различных видов излучений на живые организмы возник с началом «атомной эры», то есть подчинением человеку ядерной энергии. Первые данные о том, что с увеличением дозы облучения происходит сокращение продолжительности жизни, были получены в 1950х. В дальнейшем данные о снижении прод олжительности жизни различных модельных объектов в зависимости от дозы облучения накапливались. Так в ранних экспериментах с плодовой мушкой Drosophila melanogaster было показано, что радиоактивный свинец уменьшает продолжительность жизни по сравнению с фоновым излучением. В работе Москалева показано, что дозы облучения в 10 и 30 Гр снижают продолжительность жизни мутантных по генам репарации и апоптоза линий дрозофил. Японские исследователи из National Institute of Radiological Sciences описали снижение продолжительности жизни у мышей на 6,2% и 10,2% при облучении дозами 0,48 и 0,95Гр соответственно. Те же авторы исследовали зависимость доза-ответ при облучении мышей в различные периоды их жизни.

Снижение продолжительности жизни при воздействии ионизирующего излучения вызвано, в первую очередь, повреждением ДНК за счет одно- и двуцепочных разрывов, точечных мутаций и хромосомных транслокаций. Механизмы активации старения клетки в ответ на облучение состоят из многих стадий, что отражает общую сложность и многогранность процессов в клетке. Попробуем дать описание этих молекулярно-биологических процессов, которые возникают в ответ на воздействие ионизирующего облучения.

Белки-сенсоры повреждений ДНК Большинство сенсорных белков относится к белкам семейства Rad: Rad1,Rad9,Rad17. Они обладают высокой гомологией с белками комплекса репликации ДНК, в частности, с фактором процессивности ДНК-полимеразы δ (PCNA). PCNA редставляет собой гомотример в форме кольца, способный надеваться на ДНК и, таким образом, передвигаться по ней. Сенсорные белки собираются в комплекс, который также надевается на ДНК. ( ссылка на лабораторию Dario C. Altieri ) Датчики:АТМ и АТR Центральное положение в системе контроля повреждений ДНК занимают две киназы ATM и ATR. Эти белки, схожие между собой по структуре и функции, относятся к классу PI3K-белков. ATM (Ataxia-Telangiectasia Mutated) и его гомолог ATR ( AT M and Rad3 R elated) активируются после связывания с разорванными концами ДНК и/или модифицированными белками хроматина, а также с белком BRCA1. При этом ATM активируется преимущественно в ответ на возникновение двунитевых разрывов ДНК, тогда как другие нарушения структуры ДНК (сшивки оснований, вызванные УФ-облучением; повреждения, индуцируемые алкилирующими соединениями и др.) активируют и привлекают в комплекс белок ATR. Индивидуумы, имеющие мутации в двух аллелях гена ATM, страдают тяжелым заболеванием атаксией-телеангиоэктазией (ataxia-telangiectasia). Это заболевание характеризуется нейродегенеративными процессами, иммунодефицитом и предрасположенностью к злокачественным новообразованиям.

Сигнальными каскадами, в которые вовлечен белок ATM, занимается доктор Michael B. Kastan из St Jude Children's Research Hospital . В клетках, мутантных по гену ATM, нарушен ответ на ионизирующее излучение: не происходит остановка клеточного цикла как в G1, так и в G2, не приостанавливается синтез ДНК. В то же время, ATM, видимо, почти не участвует в реакции на действие ультрафиолета и алкилирующих агентов. Белок ATR необходим для развития организма. Клетки, гомозиготные по мутантному ATR, гибнут in vitro, при этом в их фенотипе наблюдается фрагментация хромосом. Вероятно, ATR играет основную роль в контроле процесса репликации. В работе нобелевского лауреата David Baltimore из California Institute of Technology показано, что мыши, у которых повреждена только одна аллель ATR, выживают, но имеют предрасположенность к злокачественным опухолям.

В связи с летальностью мутаций ATR-/- функции этого белка изучены менее подробно, чем ATM. Показано, что ATR активируется при любых повреждающих воздействиях на ДНК, в том числе и при действии ионизирующего излучения . ATM и ATR являются достаточно большими белками – их масса 350 и 301 кДа соответственно. В нестрессовой конформации АТМ представляет собой гомодимер, в котором киназный домен заблокирован. При получении сигнала от сенсоров происходят внутримолекулярная перегруппировка и аутофосфорилирование по Ser1981, что приводит к диссоциации гомодимера. Активированный АТМ мономер фосфорилирует свои многочисленные субстраты, которые могут быть как цитоплазматические (р53), так и находиться в ядре, как NBS1 (Nijmegen breakage syndrome 1), BRCA1 (breast cancer 1), и SMC1 (structural maintenance of chromosomes 1). В ряде случаев показано, что для АТМ важны определенные кофакторы. Так, например, в работе Matthew D. Weitzman из The Salk Institute for Biological Studies описано, как MRE (активируется на гамма-облучение), связываясь с АТМ, усиливает его способность фосфорилировать субстраты.

В отличие от ATM, киназная активность ATR не возрастает при повреждениях ДНК. Тем не менее, повреждения каким-то образом влияют на функционирование ATR, так как известно, что он фосфорилирует свои эффекторы p53 и Chk1 только при действии ионизирующего излучения (в случае p53) или ультрафиолета (Chk1). АТR существует в комплексе с ATR-interacting protein (ATRIP). Активированная ATR фосфорилирует свои субстраты – р53, Chk1, а также Rad17. Помимо этого ATR участвует в клеточном ответе на гипоксию, ингибиторы репликации, алкилирующие агенты. АТМ активируется только на двунитевые разрывы ДНК. Интересно, что, если АТМ не работает, некоторые его субстраты фосфорилируются ATR.

Для передачи сигнала о повреждении ДНК важны также и другие медиаторы. В частности, АТМ активирует MDC1 (mediator of DNA damage checkpoint 1,известный также как NFBD1), 53BP1 (p53 binding protein 1) и BRCA1 (Breast Cancer 1). BRCA1-большой мультидоменный белок, служащий своеобразной платформой для сборки различных функционально активных комплексов. В частности, он связывает белки, ответственные за репарацию двунитевых разрывов и межнитевых сшивок ДНК (ATM/ATR, Rad50, Rad51, BRCA2 и др.), компоненты систем репарации неспаренных оснований ДНК (MSH2, MSH6, MLH1, ATP-MSH2 и др.), а также различные транскрипционные факторы, в том числе р53, рецептор эстрогенов (ER). То есть BRCA1 одновременно участвует в репарации различных повреждений ДНК и регуляции активности транскрипционных факторов. На С-конце BRCA1 содержит 2 близко расположенных BRCT (Brca1 carboxy-terminal) домена, которые обладают участками для связывания фосфопротеинов, что важно для быстрой передачи сигнала. В случае повреждения ДНК происходит АТМ-зависимое фосфорилирование гистона Н2А, с которым связывается белок MDC1, взаимодействующий также с белком NBS1.

Если сигнализация о повреждениях ДНК от MDC1, BRCA1, 53BP1 проходит через АТМ, то ATR получает информацию от класпина. Класпин – это медиаторный белок, негомологичный по структуре с белками, реагирующими на двунитевый разрывы ДНК. Он селективно взаимодействует с хроматином в районе репликативных вилок и необходим для ATR-зависимого фосфорилирования и, таким образом, активации Chk1.

Чекпойнт-киназы Chk1 и Chk2 - это серин/треонин-киназы, различные по структуре, но сходные по функциям и субстратам фосфорилирования. АТМ и ATR фосфорилируют Chk2 и Chk1 соответственно, хотя АТМ способна активировать и Chk1 тоже. Интересно, что АТМ и Chk2 необязательны для пренатального развития, в то время как отстутствие ATR и Chk1 в раннем эмбриогенезе приводит к смерти.

Активированная Chk2 фосфорилирует различные мишени, такие как опухолевые супрессоры р53, BRCA1 и фосфатазу Сdc25. Chk2 фосфорилирует p53 по Ser-15, "защищая" от атаки его ингибитором, белком Mdm2. У клеток, мутантных по двум аллелям CHK2, нарушены p53-зависимые процессы, такие, как остановка в G1 и апоптоз. До 15% синдрома Ли-Фраумени вызванны мутациями в гене СHK2, а не p53. В неповрежденных клетках Chk2 находится в ядре, как и BRCA1. Jiri Bartek из Institute of Cancer Biology , показал, что ионизирующее излучение активирует Сhk2, которая, в свою очередь, фосфорилирует BRCA1. При этом BRCA1 также активируется, что сопровождается его выходом из очагов локализации. Chk2 ингибирует фосфатазу Cdc25С, которая является активирующей фосфатазой для Cdk1. Поэтому в клетках Chk2-/- нет остановки клеточного цикла в G2.

Chk1 действует на клеточный цикл путем фосфорилирования активирующих Cdk фосфотаз Cdc25 A и С, что приводит к остановке клеточного цикла. Субстратом для Cdc25 A являются Cdk2 и Cdk4, а для Cdc25 C – Cdk1( или Cdc2). Согласно данным исследователей из Peter MacCallum Cancer Institute , Chk1 способен также активировать киназы Wee1 и Mik1 - инактиваторы Cdk1. Таким образом, действие Cdc25A на Сhk1 лежит в основе p53-независимой остановки в G1. р53-зависимая остановка клеточного цикла осуществляется через активацию ингибитора Cdk2 р21Cip1/Kip1. Эти 2 разные системы дублируют друг друга, но в то же время остановка клеточного цикла через Cdc25 осуществляется очень быстро, но длится всего несколько часов. За это время клетка переключается на р53-зависимую остановку клеточного цикла, которая может продолжаться очень долго.

Непосредственно связь между старением клетки и ответом клетки на ионизирующее облучение происходит на нескольких уровнях. Во-первых, показано , что при старении активируется АТМ-регулируемый каскад, индуцируются белки Chk2 и γ-Н2АХ, которые передают сигнал на р53 и BRCA1, в результате чего происходит остановка клеточного цикла. Также общей характеристикой является накопление ингибиторов cdk – p21 и р16, а также фосфорилирование МАР-киназы – р38. По мнению ряда исследователей, основной точкой связывающей негативное внешнее воздействие на клетку, процессы канцерогенеза и старение является белок р53. Как было описано выше, при различных стресс-сигналах, в том числе и при повреждении ДНК ионизирующим излучением, р53 функционально активируется, что приводит либо к временной остановке клеточного цикла, либо к клеточной смерти (апоптоз), либо к клеточному старению. Старение и апоптоз являются защитными механизмами, которые препятствуют неопластической трансформации клетки, то есть превращению ее в раковую клетку. Между тем, эти же процессы препятствуют обновлению тканей за счет делящихся и стволовых клеток. Уменьшение обновления тканей, в свою очередь, приводит к изменению структуры и функции тканей, что является признаком старения.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎