Радиационная генетика А В Рубанович Зав отделом генетической

Радиационная генетика А. В. Рубанович Зав. отделом генетической безопасности Институт общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН rubanovich@vigg. ru

Биологическое действии радиации осознали почти сразу! 1895 - Вильгельм Конрад Рентген и рука его жены 1901 - Первый описанный случай радиационного ожога кожи 1906 - Первый летальный исход (США) 1911 - Первый описанный случай радиационноиндуцированной лейкемии 1946 – Первое описание «клинического синдрома обусловленного атомной бомбардировкой» 1936 - Обелиск в Гамбурге: имена 115 исследователей, погибших в результате действия радиации Но главная сенсация была впереди! Воздействие, меняющее наследственность …

История Конец XIX века – Август Вейсман: безуспешные попытки изменить наследственность используя температуру, влажность и механические воздействия. Отрицание наследования приобретенных признаков. 1925 – Г. А. Надсон (и его сотрудник Г. С. Филиппов) Ленинградский Институт рентгенологии и радиологии: после воздействия- рентгеновых лучей вырастали Расстрелян 1939 колонии дрожжей, отличавшиеся величиной, формой и окраской. 1927 - Герман Джозеф Меллер - V Международный генетический Нобелевскаяконгресс в-Берлине: первые удачные премия вызыванию рецессивных опыты по искусственному1946 мутаций с помощью рентгеновых лучей у дрозофилы. 1927 - Л. Стадлер: искусственные мутации у ячменя и кукурузы после воздействия рентгеновых лучей.

Что открыл Меллер и его последователи? q Частота индуцированных мутаций у дрозофилы в десятки раз превышает спонтанный уровень q При этом спектр индуцированных мутаций соответствует спонтанному q Выход Х-сцепленных рецессивных леталей у дрозофилы не зависит от мощности дозы в диапазоне 0. 03 - 100 Гр/час q Линейность, «беспороговость» и «кумулятивность» индуцированного мутационного процесса Через 20 лет эта стройная концепция будет существенно пересмотрена: q существуют радиационно-специфические мутации q зависимость нелинейна, некуммулятивна и иногда с порогом q зависимость от мощности дозы весьма существенна

Проект «Mega. Mouse» супругов L. B. Russell & W. L. Russell (1955 -1965) 7 морфологических мутаций 7 миллионов мышей! Индукция морфологических мутаций в потомстве облученных родителей Пять главных выводов q Выход различных мутаций на 1 Гр различается в 30 раз. 1 Гр q Эффект мощности дозы существенен. Хроническое облучение вызывает меньше мутаций, чем острое (в отличии от Drosophila) The более радиочувствительны, чем самки. q Самцыfrequency of radiation-induced mutations is not, as the classical view holds, independent of dose rate. q Генетические эффекты существенно уменьшаются, W. L. Russell, L. B. Russell. Science, 1958 если увеличивается время между облучением и спариванием. q Удваивающая доза для частоты мутаций равна 1 Gy.

Радиационно-специфические аберрации хромосом q Центрические кольца + фрагменты (2 разрыва в одной хромосоме) q Дицентрики + фрагменты (2 разрыва в разных хромосомах)

Репарация – зависимость выхода дицентриков от мощности дозы Частота дицентриков на клетку Нейтроны, энергия 0. 7 14. 7 Мэв При увеличении мощности дозы и ЛПЭ 2. 0 излучения X-лучи: 1 Гр/мин X-лучи: 0, 003 Гр/мин 1. 5 1. 0 Парабола: « 2 -ударная кривая» Прямая: « 1 -ударная 0. 5 зависимость» D. C. Lloyd (1981) 0 1 2 3 Доза, Гр 4 5

Действие ионизирующих излучений На клетку: q «Интерфазная гибель» - мгновенное прекращение метаболизма и разрушение клетки: большие дозы (> 20 Гр) q «Репродуктивная гибель» - потеря способности к неограниченному делению: низкие дозы (< 10 Гр): На хромосомы: q Однонитевые разрывы ДНК (низкое ЛПЭ) q Двунитевые разрывы ДНК (высокое ЛПЭ) q Повреждение оснований (особенно пиримидиновых). Дальнейшие события: q Репарация q Хромосомные аберрации, мутации генов в половых и соматических клетках (рак)

Доза, Гр 100 10 -50 3 -5 1 -2 0. 5 Последствия облучения: шкала доз Смерть через несколько часов вследствие повреждения ЦНС Смерть через 1 -2 недели вследствие кровотечений в желудочно-кишечном тракте Острая Без лечения 50% облученных умирает в течение лучевая 1 -2 Возможные поражения клеток костного мозга месяцев вследствие отдаленные последствия «малых» доз? 1) соматические мутации у облученных болезнь рак Возникновение острой лучевой болезни 2) мутации в половых клетках мутации в потомстве Удвоение вероятности генных мутаций (теоретически) Гематологическая реакция 0. 25 0. 2 Появление хромосомных аберраций в лимфоцитах крови 0. 05 ПДД профессионального облучения в год 0. 001 Доза от естественных источников в год ПДД в чрезвычайных обстоятельствах Дозы при радиационных авариях

Генетические и медицинские последствия радиационных аварий: диапазон мнений Очень опасно Яблоков Алексей Владимирович Член-корреспондент РАН; бывший член Верховного Совета СССР, председатель Комиссии ВС по экологии; создатель русского филиала "Гринпис" Малые дозы не опасны Ильин Леонид Андреевич академик РАМН, Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской премии, лауреат премии Правительства РФ, директор Института биофизики,

Что же реально наблюдается в хронически облучаемых популяциях? Природа Человек

Крупнейшие радиационные катастрофы XX века 1950 - р. Теча (Челябинская обл. , Муслюмово). Аварийный сброс плутония. 2, 7 млн. Ки 1957 - Кыштым (Челябинской обл. ). Выброс 2, 5 млн. Ки. 15 тыс. км 2. Восточно-Уральский радиационный след (ВУРС) 1979 - АЭС Три-Майн-Айленд, Гаррисберг, Пенсильвания Выброса не было благодаря оболочке реактора 1986 - Чернобыльская АЭС. Выброс 50 млн. Ки. 200 тыс. км 2 в изолинии 0, 2 м. Р/час (10 фонов)

Два уникальных полигона: Восточно-Уральский радиационный след (ВУРС) 30 -км зона отчуждения в Чернобыле 1957: выброс 108 МБк 1986: выброс 18· 108 МБк 2007: 10 - 60 МБк/м 2 (5 30 км) 2007: 0. 8 - 8 МБк/м 2 (10 -км зона) 90 Sr ( ) – аналог Ca Почва, вода, растения, животные 137 Cs ( + ) – графитовая пыль Почва (5 -10 см)

Хроники ВУРСа 1957 -1960 Пожелтение хвои и частичная гибель сосен в эпицентре следа. Изменения флористического состава 1965 Обнаружение повышенного уровня мутаций в популяциях растений и животных q Морфологические (в основном хлорофильные) мутации q Цитогенетические (хромосомные аберрации) мутации q Мутации, выявляемые электрофорезом белков

Частота хромосомных аберраций в хронически облучаемых природных популяциях дикорастущих растений в зоне ВУРС (1965)

Частота хромосомных аберраций в хронически облучаемых природных популяциях дикорастущих растений (ВУРС, 1973 -1975) – 10 лет спустя

Динамика хлорофильных мутаций в хронически облучаемых популяциях C. scabiosa L. ВУРС

Хроники ВУРСа 1957 -1960 Пожелтение хвои и частичная гибель сосен в эпицентре следа. Изменения флористического состава 1965 Обнаружение повышенного уровня мутаций в популяциях растений и животных 1970 -… 1971 Процветание зоны. Ощутимые последствия длительного отсутствия человека

ВУРС-2007: голова следа

ВУРС-2007 «Лежневка» 55 МБк/м 2

Стоки отходов: 140 МБк/м 2

ВУРС-1988 оз. Метлино, активность воды на 4 порядка выше нормы

ВУРС-2007 оз. Метлино

ВУРС-2007 оз. Метлино, активность воды по-прежнему на 4 порядка выше нормы

Хроники ВУРСа 1957 -1960 Пожелтение хвои и частичная гибель сосен в эпицентре следа. Изменения флористического состава 1965 Обнаружение повышенного уровня мутаций в популяциях растений и животных 1970 1971 Процветание зоны. Ощутимые последствия длительного отсутствия человека 1975 Радиоадаптация большинства растительных популяций.

Радиочувствительность семян 13 видов дикорастущих растений к дополнительному острому облучению дозой 10 Гр

Хроники ВУРСа 1957 -1960 Пожелтение хвои и частичная гибель сосен в эпицентре следа. Изменения флористического состава 1965 Обнаружение повышенного уровня мутаций в популяциях растений и животных 1970 1971 Процветание зоны. Ощутимые последствия длительного отсутствия человека 1975 Радиоадаптация большинства растительных популяций. 1980 Микроэволюционные последствия. Сдвиги аллельных частот полиморфных локусов

Зависимость частоты однолетних форм от мощности дозы хронического облучения популяций A. septentrinalis L. Контрольные популяции состоят из смеси однолетних В хронически облучаемых (радиочувствительных) и популяциях частота однолетних двулетних форм резко падает (радиоустойчивых) форм

Наблюдаемые (Н) и ожидаемые по Харди - Вайнбергу (О) частоты генотипов и частоты аллелей Sod 2 в популяциях С. scаbiosa L. Частоты генотипов Популяции Супероксиддисмутаза - эффективный I III Генотипы 0, 2 106 Бк/м 140 10 радиопротектор. Степень2 защиты 6 Бк/м 2 Н О О пропорциональна активности Н изофермента, которая выше у 0, 104 ff 0, 380 0, 425 0, 128 «медленных» s 0, 544 форм. 0, 454 0, 509 fs 0, 460 ss 0, 076 0, 121 0, 387 0, 412 Частоты аллелей f 0, 652 0, 358 s 0, 348 0, 642 N 79 106

Хроники Чернобыльской зоны 1986 1987 Гибель сосновых массивов ( «желтый лес» ) в 10 -км зоне ЧАЭС

Здесь был «Желтый лес» , 1987

Здесь был «Рыжий лес» , 1988

Хроники Чернобыльской зоны 1986 1987 Гибель сосновых массивов ( «желтый лес» ) в 10 -км зоне ЧАЭС 1986 -87 Появление морфологических нарушений развития (морфозов) у большинства видов растений Земляника Рябина Листья дуба

Морфологические нарушения развития у сосны

Хроники Чернобыльской зоны 1986 1987 Гибель сосновых массивов ( «желтый лес» ) в 10 -км зоне ЧАЭС 1986 -87 Появление морфологических нарушений развития (морфозов) у большинства видов растений 1988 Резкое снижение уровня радиоактивного загрязнения. Восстановление флористического состава. Обнаружение повышенного уровня мутаций в популяциях растений и животных

Частота реципрокных транслокаций у самцов диких домовых мышей, отловленных на загрязненных участках в зоне аварии на ЧАЭС

«Белая ель» - хлорофильный мутант - проросток, выращенный из чернобыльских семян

Основные итоги исследований природных популяций q Хроническое облучение вызывает рост частоты встречаемости мутаций. Уровень мутационного процесса пропорционален мощности дозы хронического облучения. q Хроническое облучение часто действует как фактор направленного отбора в пользу определенных генов полиморфных локусов. q Явление радиоадаптации: особи из хронически облучаемых (более 5 поколений) популяций демонстрируют повышенную радиоустойчивость по цитогенетическим и морфологическим тестам. q Отсутствие человека сказывается на внешнем виде природных сообществ в значительно большей степени, чем радиация.

Что же реально наблюдается в хронически облучаемых популяциях? Природа Человек

В Крупнейшие радиационные аварии XX века каких случаях обнаружились отдаленные последствия у пострадавших? 1950 - р. Теча (Челябинская обл. , Муслюмово). Аварийный сброс плутония. 2, 7 млн. Ки 1945 - Уиндскейл и Нагасаки 1957 – Хиросима (Великобритания), военный завод, производство плутония. 500 км 2 , 131 J Только два случая достоверного роста 2, 5 млн. Ки. 1957 - Кыштым (Челябинской обл. ). Выброс числа лейкозов 15 тыс. км 2. Восточно-Уральский радиационный след в результате массового облучения людей (ВУРС) 1979 - АЭС Три-Майн-Айленд, Гаррисберг, Пенсильвания 1986 - Чернобыльская АЭС. Выброс 50 млн. Ки. 200 тыс. км 2 в изолинии 0, 2 м. Р/час (10 фонов)

30 -летнее изучение последствий атомной бомбардировки в Японии q q q Не обнаружено значимого роста: частоты солидных раков, уровня хромосомных аномалий, спонтанных абортов, числа мертворожденных, даунов и пр. генетических заболеваний Обследовано: Спекуляции: 100 тыс. переоблученных q тыс. с дозой более миом у женщин 90 рост частоты 1 Гр q тыс. детей облученных родителей 75 увеличение продолжительности жизни Единственный достоверный эффект! 1 Гр добавляет к одному два случая лейкозов на 1000 человек

СЕ КР Е ТН О 1949 -1951 р. Теча, сброс 2, 7 млн. Ки Челябинская обл. , райцентры Муслюмово и Метлино, без отселения 30 -летнее негласное медицинское наблюдение: 17 тыс. переоблученных 1, 5 тыс. с дозой более 1, 5 Гр (диагноз ОЛБ не ставился) 7 тыс. детей облученных родителей Единственный достоверный эффект! 37 случаев лейкозов на 17000 человек

Отдаленные последствия аварии на ЧАЭС 1993 - агентство Рейтер: 800 тыс. Опров детей пострадали в результате аварии на ЧАЭС ержен (Науч ия и п ный к омите ротес т ООН Украины: ы 1995 - официальный пресс-релиз МЗ по де т ВОЗ йстви за 9 лет в результате чернобыльской катастрофы умерли 125 тыс. человек ю ато и НКДА мной радиа Р ц 1998 - Белорусский Республиканский НИИ радиационной медицины: ии ) по причине чернобыльского взрыва ежегодно 2, 5 тысячи детей рождается с генетическими дефектами. Единственным последствием катастрофы могут быть 1800 случаев рака щитовидной железы у детей Беларуси, Украины и России

Генетические и медицинские последствия радиационных аварий: диапазон мнений Очень опасно ! А. В. Яблоков Малые дозы не опасны Л. А. Ильин Аргументы сторонников: q Высокий уровень хромосомных аберраций у облученных сохраняется десятилетиями q У детей облученных повышена частота мутаций гипервариабельных участков ДНК q Феномен «генетической нестабильности» потомков облученных клеток

0, 35 0, 3 0, 25 0, 2 0, 15 0, 1 0, 05 Контроль 2004 2002 -2003 2000 -2001 2006 -2007 Год проведения анализа 1999 1998 1997 1996 1995 1994 1993 1992 1991 1990 1987 1986 0 Контроль Частота дицентриков на 100 клеток Средняя частота аварии на ЧАЭСцентрическихсохраняется У ликвидаторов дицентриков и спустя 20 лет колец на 100 клеток в различных группах ликвидаторов, обследованных повышенный уровень радиационно-специфических в разное время после аварии на ЧАЭС. аберраций хромосом

Мутации гипервариабельных участков ДНК Тандемно повторяющиеся последовательности: q STR (short tandem repeats) (ATG)n – микросателлитный локус, n=10 100. Описано 10 тыс. локусов q VNTR (variable number of tandem repeats) (ATTCGAACCGGTT)n – минисателлитный локус, n=10 200 Мутационное событие заключается в изменении n. Для некоторых локусов до 10% на гамету!

Мутации в мини- и микросателлитных локусах – единственный достоверный эффект у необлученных детей облученных родителей Обнаружен в семьях ликвидаторов, оружейников Сарова, жителей Чернобыльского, Семипалатинского и Челябинского регионов Мутации в потомстве Нормальное наследование Обе полоски есть у родителей D 3 S 1358 D 5 S 818 F C M Полоска, которой нет у родителей VWA F C M LPL F C 1 C 2 M Мутации в минисателлитах нейтральны (не сказываются на жизнеспособности детей), но могут рассматриваться как косвенное доказательство роста частоты генетических изменений у потомков облученных родителей

Мутации мини- и микросателлитных локусов в семьях, проживающих в прибрежных селах р. Теча VNTR (7 локусов) Число мутаций в контроле Число детей в контроле Число мутаций в опыте Число детей в опыте B 6. 7 2 114 7 87 CEB 1 18 127 19 113 CEB 15 2 132 4 107 CEB 25 5 133 2 109 CEB 36 MS 1 MS 31 1 1 98 Значимый рост частоты 5 3 146 мутаций минисателлитов (Р=0, 03) 1 0 148 91 117 118 MS 32 0 149 3 119 Всего 31 1044 42 861 Частота 2. 9% 4. 9%

Феномен «индуцированной генетической нестабильности» соматических клеток – новый аргумент сторонников опасности малых доз q В культурах клеток повышенная частота мутирования после облучения наблюдается на протяжении 20 -40 клеточных делений q Повышенная чувствительность потомков облученных мышей к действию канцерогенов q Повышенная частота индуцированных аберраций хромосом и мутаций структурных генов у необлученных потомков облученных мышей. q Повышенная частота спонтанных мутаций в STR-локусах у необлученных потомков облученных мышей

Основные итоги исследований больших групп людей, облученных в результате аварийных ситуаций q При облучении больших групп людей в дозах превышающих 1 Гр наблюдается рост заболеваемости лейкозом: 1 Гр добавляет к одному два случая лейкозов на 1000 человек q Дозы 0, 2 0, 5 Гр приводят к увеличению уровня хромосомных аберраций в лимфоцитах крови переоблученных, который сохраняется на протяжении десятилетий q На сегодняшний день не удалось обнаружить достоверный рост встречаемости генетических аномалий у детей облученных родителей (единственной исключение – мутации мини- и микросателлитных локусов)

Крупнейшие техногенные катастрофы XX века 1950 -–техногенные аварии в России. 1050 человек погибли. 1993 р. Теча (Челябинская обл. , Муслюмово). Аварийный сброс плутония. 2, 7 млн. Ки 134 аварии: выбросы аммиака и пропана, взрывы метана и нефтепродуктов 1957 - Кыштым (Челябинской обл. ). Выброс 2, 5 млн. Ки. 15 тыс. км 2. Восточно-Уральский радиационный след (ВУРС) 1979 - АЭС Три-Майн-Айленд, Гаррисберг, Пенсильвания. 1984 - Бхопал (Индия) - завод по производству пестицидов “Юнион Карбайд”. Утечка более 30 т смеси фосгена и метилизоцианата 1986 - Чернобыльская АЭС. Выброс 50 млн. Ки. 200 тыс. км 2 в изолинии 0, 2 м. Р/час (10 фонов)

Изучение последствий техногенных катастроф: число ссылок Pub. Med Bhopal – 136 3 тыс. - погибли сразу 23 тыс. - скончались в течении года 20 тыс. - ослепли 200 тыс. - паралич Chernobyl - 3384 29 - погибли (ОЛБ) 105 – ОЛБ (легкая форма) Пострадали или пострадают в потомстве - ? ? ?

Всем спасибо! Это была лекция Радиационная генетика, вернее то, что от нее осталось А. В. Рубанович Зав. отделом генетической безопасности Институт общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН Слайды доступны всем rubanovich@vigg. ru