Что может разрушить днк человека
Энергия излучения передается тканям одним из двух способов: прямой или непрямой ионизацией. В процессе ионизации происходит отрыв наружных электронов атомов, в результате чего образуются положительно заряженные ионы. Прямая ионизация возникает вследствие воздействия заряженных частиц или фотонов. Прямую ионизацию вызывает корпускулярное излучение протонов и нейтронов.
В процессе непрямой ионизации образуются свободные радикалы молекул, а именно воды, которые диффундируют и повреждают критические биологические структуры. Свободный радикал имеет на внешней оболочке неспаренный электрон и поэтому химически нестабилен и весьма реакционно-способный.
Свободный гидроксильный радикал, возникающий при распаде Н20, может перемещаться на расстояние около 1 нм и разрывать химические связи клеточных белков и других ключевых соединений, таких как ДНК. Любой вид поглощения энергии приводит к ионизации молекул-мишеней. Ученые считают, что примерно 2/3 биологических повреждений клетки происходят вследствие непрямого воздействия ионизирующего рентгеновского или гамма-излучения.
Излучения с высокой ЛПЭ (нейтроны, отрицательно заряженные а-мезоны или «-частицы) передают больше энергии на единицу длины, чаще вызывают прямую ионизацию и менее зависимы от изменчивых параметров, таких как парциальное давление кислорода.
Это следует понимать следующим образом: все виды радиации приводят к однотипным реакциям в здоровых клетках, а излучение с высокой ЛПЭ обладает большей вероятностью (в 1,5—2,5 раза выше рентгеновского) вызвать гибель клеток, находящихся в условиях, далеких от идеальных, например опухолевых клеток в состоянии гипоксии, клеток в резистентной фазе клеточного цикла и т. д.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Когда время не лечит: повреждения ДНК и возраст
Когда мы стареем, наши тела неизбежно дряхлеют. Некоторые изменения, например седые волосы и морщины, видны невооружённым глазом. Другие, вроде повышенного артериального давления, часто остаются незамеченными — но могут представлять смертельную опасность.
В результате этих повреждений, геном в разных клетках организма несколько различается. Когда клетки делятся, они передают «ошибки» своим потомкам, и чем больше «неправильной ДНК» накопится, тем выше риск развития последствий.
Если эти изменения — мы называем их мутациями — вмешиваются в систему управления размножением и выживанием клеток, то может возникнуть рак. Однако, как выяснили авторы нового исследования, опубликованного в журнале Blood, имеющиеся системы защиты от онкологических заболеваний в организме несколько сложнее и надёжнее, чем считалось ранее.
Помимо генетики, на вероятность развития рака оказывает влияние сложная смесь из факторов среды и факторов образа жизни.
Когда мы изучаем геном опухолевых клеток, мы можем определить, чем именно было спровоцировано развитие мутаций. Например, рак лёгкого у курящих и некурящих характеризуется разными мутациями, поскольку соединения, вдыхаемые с дымом, атакуют ДНК специфическим образом. Точно так же этот метод может применяться для определения, какие именно нарушения в механизмах восстановления ДНК присутствуют у пациента.
Нарушения метилирования играют роль в развитии большинства онкологических заболеваний, но в этом случае они стали основной движущей силой болезни. Необходимо, впрочем, отметить, что полная инактивация MBD4 — как у добровольцев из исследования — встречается редко, но даже менее выраженные нарушения механизмов восстановления ДНК могут значительно увеличить риск развития рака, особенно в контексте старения.
Исследование не только продемонстрировало, что у некоторых людей биологические «часы» в клетках идут «быстрее», но и указало на необходимость выявления в общей популяции групп риска, нуждающихся в дополнительных профилактических обследованиях.
Губительным для ДНК является весь ближний ИК-диапазон излучения
Рис. 1. Разные варианты пространственной организации плазмидной ДНК позволяют обнаружить разрыв нитей. Цельная суперскрученная молекула ДНК (слева) при разрыве одной нити превращается в расслабленную (в центре), а при двойном разрыве — в линейную (справа). Рисунок из статьи A. Travers, G. Muskhelishvili, 2005. DNA supercoiling — a global transcriptional regulator for enterobacterial growth?
Эксперименты с облучением плазмидной ДНК инфракрасным светом с длиной волны 2,2 микрона показали, что разрывы нитей ДНК происходят не реже, а чаще, чем в ближнем ИК-диапазоне. Молекулярный механизм такого процесса связан вовсе не с электронами, появляющимися при поглощении света, а с гидроксил-радикалами OH, которые при большой пиковой мощности излучения становятся вращательно-возбужденными и эффективно разрезают одну или обе нити молекулы ДНК.
Воздействие радиации на ДНК
Все, наверное, наслышаны, что радиация — то есть потоки фотонов, электронов и прочих частиц — опасна для всего живого. Более того, этот сугубо научный факт уже давно стал основой, на которой вырастают многочисленные и зачастую неоправданные страхи перед любыми словосочетаниями со словами «радиация» или «атомный». Между тем, до сих пор плохо понято, как именно радиация влияет на живые клетки, за счет каких конкретных молекулярных механизмов определенная доза ионизирующего излучения разрушает биологические молекулы (прежде всего, ДНК) и убивает живые клетки. В недавнем выпуске журнала Physical Review Letters появилась статья, сообщающая о новых и несколько неожиданных аспектах того, как инфракрасное излучение большой мощности разрушает молекулы ДНК. Не исключено, что эта работа потребует пересмотра критериев того, какие мощности на каких длинах волн в ИК-диапазоне должны считаться безопасными для здоровья.
Вообще, разрушение ДНК под действием облучения может происходить по разным причинам. Самая банальная — это тепловое воздействие, и именно оно первым делом приходит на ум, когда говорят про инфракрасное излучение. Большой поток излучения, попадающего в живую ткань, приводит к локальному энерговыделению, повышению температуры, из-за чего молекула ДНК расплетается или разрушается.
Но радиация может разрушать ДНК и тогда, когда поток излучения не настолько велик, чтобы существенно нагревать среду. В этом случае каждый отдельный электрон или фотон, поглотившийся в биологической жидкости в непосредственной близости от ДНК, порождает каскад молекулярных процессов, которые в конце концов приводят к разрыву одной или, реже, обеих нитей ДНК. Новая статья касается как раз этого, нетеплового, разрушения ДНК.
С точки зрения молекулярной физики, разрыв нити ДНК — это просто разрыв некоторых химических связей. Двойной разрыв — это два таких события на обеих нитях, произошедшие очень близко друг к другу. Если однократный разрыв еще можно починить, достроив молекулу по второй (комплементарной) нити, то двойной разрыв просто разрезает ДНК на части. В принципе, организовать такой разрыв несложно — надо лишь передать молекуле ДНК большую энергию, причем передать ее надо напрямую. Эта энергия вытащит из молекулы несколько электронов, химические связи в ней нарушатся, и нити смогут разорваться. Такие процессы начинаются выше порога ионизации ДНК, который составляет несколько десятков электронвольт. Для ионизирующего излучения высокой энергии это и есть основной механизм воздействия. Частица с энергией в мегаэлектронвольты за счет ионизации вещества производит на своем пути несколько тысяч электронов на каждый МэВ потерянной энергии, и каждый из этих электронов имеет шанс разорвать нить ДНК. Однако для частиц меньшей энергии такой разрыв за счет «грубой силы» уже не работает. Например, энергия одного оптического фотона составляет всего 2 эВ, что существенно меньше порога ионизации; энергия инфракрасных фотонов и того меньше. Кроме того, под действием излучения энергия гораздо чаще выделяется не непосредственно в молекуле ДНК, а в жидкости рядом с ней. Поэтому возникает вопрос о том, может ли эта (и без того небольшая!) энергия передаться ДНК, приводит ли она к разрыву нитей, и если да, то как именно это происходит.
Детальное изучение всех этих процессов началось не так давно, в 1990–2000-е годы. Выяснилось, что да, разрыв нитей может вполне эффективно идти и ниже порога ионизации ДНК, а сам механизм, с помощью которого низкоэнергетическая частица порождает такие разрывы, очень сложен и включает в себя разнообразные короткоживущие промежуточные состояния. Например, в 2000 году исследователи с удивлением обнаружили, что электроны с довольно небольшой энергией 8 эВ приводят к разрывам ДНК в несколько раз чаще, чем электроны с энергией в 13 эВ. Получается, действие электронов вовсе не сводится к простой передаче энергии для разрыва химических связей. Вместо этого электроны, образуя промежуточные отрицательно заряженные ионы, резонансно запускают некоторые молекулярные процессы, которые уже затем разрывают связи, а сами ионы быстро исчезают. Но даже если не принимать во внимание саму молекулу ДНК, а просто попытаться разобраться, что вообще происходит в воде на атомарном уровне, когда там возникает электрон с энергией несколько эВ (прилетевший извне или выбитый фотонами), то и здесь картина явлений оказывается очень богатой. Благодаря экспериментальным методам, появившимся в арсенале физиков не так давно, исследователи обнаружили, что один-единственный электрон приводит к целому каскаду сверхбыстрых молекулярных процессов, разворачивающихся на временном масштабе порядка пикосекунды.
В общем, молекулярные механизмы биологического эффекта радиации оказались чрезвычайно сложными; современное состояние дел для низкоэнергетических электронов описано в обзоре 2011 года.
Роль гидроксил-радикалов
Рис. 2. Электрофорезное определение пространственной конфигурации плазмидной ДНК. Три разных формы движутся с разной скоростью под действием электрического поля. По относительной яркости полосок можно определить процент ДНК каждой формы. На фотографии справа показано, что до облучения (−) почти вся ДНК находится в сверхспиральном состоянии, а после облучения (+) переходит в другие формы. Изображение из обсуждаемой статьи
Чтобы это описание не казалось чистым теоретизированием, полезно пояснить, на примере той работы 2011 года и новой статьи, как экспериментаторы вообще выясняют, какой процент молекул ДНК испытывает разрывы и что в этом виновато — электроны или OH-радикалы.
Для этого экспериментаторы используют плазмиды бактериальных ДНК — небольшие свернутые в кольцо кусочки молекулы ДНК, которые в своем обычном состоянии находятся в форме «суперскрученной» спирали (так называемая сверхспирализация ДНК). Способность к сверхспирализации — важная характеристика ДНК, помогающая компактному ее хранению и выполнению своих функций. Разрыв одной нити позволяет сверхспирали распутаться — она переходит в «расслабленную» форму; двойной разрыв превращает ее в линейную молекулу (рис. 1). Все эти три формы эффективно разделяются с помощью стандартной методики гелевого электрофореза (рис. 2), поскольку они «ползут» под действием электрического поля с разной скоростью. Поэтому, сравнив полосочки до облучения и после облучения, можно по их яркости узнать, какой процент сверхспирализованных плазмид приобретает расслабленную или линейную форму.
Для выяснения того, какой из молекулярных механизмов разрывает ДНК, экспериментаторы добавляют в раствор специальные вещества, которые быстро поглощают свободные электроны или свободные OH-радикалы, нейтрализуя их действие. Измеряя процент разрывов ДНК в зависимости от концентрации электрон-нейтрализующих или радикал-нейтрализующих агентов, можно сделать выводы относительно их роли в разрушении ДНК. Например, если электроны играют важную роль в разрушении ДНК, то при их нейтрализации количество разрывов сильно уменьшится. Если они не играют роли — оно не изменится.
Рис. 3. Конфигурации плазмидной ДНК pBR322 до облучения (−) и после облучения (+). Слева: облучение на длине волны 1,35 мкм, справа: на длине волны 2,2 мкм. Черным, красным и синим цветами показаны исходная (сверхспиральная), расслабленная и линейная конфигурации, соответственно. Изображение из обсуждаемой статьи
Обычно считается правдоподобным, что чем более длинноволновое излучение мы используем, тем слабее — при фиксированной мощности — должны быть вызванные им эффекты, поскольку энергия отдельных фотонов становится меньше. Результаты новых экспериментов полностью противоречат этому предположению. Выяснилось, что излучение на длинах волн 1,35 мкм и 2,2 мкм разрушают ДНК сильнее, чем в предыдущих экспериментах с ближним ИК-светом. После трех минут облучения практически вся сверхспиральная ДНК в образце получила разрывы по крайней мере в одной нити (рис. 3). Более того, на 2,2 мкм существенная доля всех ДНК получает двойной разрыв и становится линейной (именно этот факт и подчеркивается на рис. 2 и 3).
Такая закономерность кажется, на первый взгляд, парадоксальной: энергия фотонов меньше, а биологический эффект от них сильнее. Однако авторы утверждают, что нашли молекулярный механизм этого эффекта. Поскольку гидроксил-радикалы появляются при столкновении возбужденных молекул воды, они сами по себе могут быть возбужденными. Вычисления, проведенные авторами, показали, что фотоны с длиной волны 2,2 мкм очень эффективно раскручивают OH-радикалы (эти радикалы переходят во вращательно-возбужденные состояния). Такие вращающиеся молекулы сильнее воздействуют на остов молекулы ДНК и более эффективно разрезают нити. Два близких столкновения ДНК с вращающимися OH-радикалами становятся более вероятными и приводят к полному разрыву ДНК.
Авторы завершают свою статью замечанием, что согласно современным медицинским критериям излучение с длиной волны больше 1,3 мкм считается безопасным, в том числе и для глаза. Однако они сейчас продемонстрировали, что такое излучение при достаточной пиковой мощности в лазерном импульсе может вызывать эффективное разрушение молекул ДНК, более сильное, чем излучение в ближнем ИК-диапазоне. Это, по мнению авторов, уже достаточная причина для того, чтобы обеспокоиться тем, насколько адекватны нынешние критерии безопасности. Конечно, в бытовых устройствах, использующих ИК-светодиоды (например, пульты дистанционного управления), такой пиковой мощности нет даже близко, поэтому паниковать смысла нет. Но, все же, в свете новых данных будет полезно тщательнее разобраться с тем, где именно проходит граница безопасности для здоровья в ближнем и среднем ИК-диапазоне.
Генетические нарушения у человека и методы их выявления
Генами называются участки ДНК, в которых закодирована структура всех белков в теле человека или любого другого живого организма. В биологии действует правило: «один ген – один белок», то есть в каждом гене содержится информация только об одном определенном белке.
В 1990 году большая группа ученых из разных стран начала проект под названием «Геном человека». Он завершился в 2003 году и помог установить, что человеческий геном содержит 20–25 тысяч генов. Каждый ген представлен двумя копиями, которые кодируют один и тот же белок, но могут немного различаться. Большинство генов одинаковые у всех людей – различается всего 1%.
ДНК находится в клетке внутри ядра. Она особым образом организована в виде хромосом – эти нитеподобные структуры можно рассмотреть в микроскоп с достаточно большим увеличением. Внутри хромосомы ДНК намотана на белки – гистоны. Когда гены неактивны, они расположены очень компактно, а во время считывания генетического материала молекула ДНК расплетается.
В клетках человека есть структуры, которые называются митохондриями. Они выполняют роль «электростанций» и отвечают за дыхание. Это единственные клеточные органеллы, у которых есть собственная ДНК. И в ней тоже могут возникать нарушения. 
Весь набор хромосом в клетке называется кариотипом. В норме у человека он представлен 23 парами хромосом, всего их 46. Выделяют два вида хромосом:
Методы исследования хромосом
Для исследования кариотипа применяют специальный метод – световую микроскопию дифференциально окрашенных метафазных хромосом культивированных лимфоцитов периферической крови.
Этот анализ применяется для диагностики различных хромосомных заболеваний. Он позволяет выявлять такие нарушения, как:
Однако с помощью исследования кариотипа можно выявить не все генетические нарушения. Оно не способно обнаружить такие изменения, как:
Для получения дополнительной информации, не видимой в световой микроскоп, используют хромосомный микроматричный анализ (ХМА). С его помощью можно изучить все клинически значимые участки генома и выявить изменения в количестве и структуре хромосом, а именно микрополомки (микроделеции и микродупликации).
Во время хромосомного микроматричного анализа применяют технологию полногеномной амплификации и гибридизации фрагментов опытной ДНК с олигонуклеотидами, нанесенными на микроматрицу. Если объяснять простыми словами, то сначала ДНК, которую необходимо изучить, копируют, чтобы увеличить ее количество, а затем смешивают ее со специальными ДНК-микрочипами, которые помогают выявлять различные нарушения.
Эта методика позволяет в одном исследовании выявлять делеции и дупликации участков ДНК по всему геному. Разрешающая способность стандартного ХМА от 100 000 пар нуклеотидов – «букв» генетического кода (в отдельных регионах от 10 000 п. н.).
С помощью ХМА можно выявлять:
Однако, как и предыдущий метод, хромосомный микроматричный анализ имеет некоторые ограничения. Он не позволяет выявлять или ограничен в выявлении таких аномалий, как:
Мутации в генах и заболевания, к которым они способны приводить
Мутации – это изменения, которые происходят в ДНК как случайным образом, так и под действием разных факторов, например химических веществ, ионизирующих излучений. Они могут затрагивать как отдельные «буквы» генетического кода, так и большие участки генома. Мутации происходят постоянно, и это основной двигатель эволюции. Чаще всего они бывают нейтральными, то есть ни на что не влияют, не приносят ни вреда, ни пользы. В редких случаях встречаются полезные мутации – они дают организму некоторые преимущества. Также встречаются вредные мутации – из-за них нарушается работа важных белков, наоборот, происходят достаточно часто. Генетические изменения, которые происходят более чем у 1% людей, называются полиморфизмами – это нормальная, естественная изменчивость ДНК Полиморфизмы ответственны за множество нормальных отличий между людьми, таких как цвет глаз, волос и группа крови.
Все внешние признаки и особенности работы организма, которые человек получает от родителей, передаются с помощью генов. Это важнейшее свойство всех живых организмов называется наследственностью. В зависимости от того, как проявляются гены в тех или иных признаках, их делят на две большие группы.
Например, карий цвет глаз у человека является доминантным. Поэтому у кареглазых родителей с высокой вероятностью родится кареглазый ребенок. Если у одного из родителей глаза карие, а у другого голубые, то вероятность рождения кареглазых детей в такой семье тоже высока. У двух голубоглазых родителей, скорее всего, все дети тоже будут голубоглазыми. А вот у кареглазых родителей может родиться ребенок с голубыми глазами, если у обоих есть рецессивные «гены голубоглазости», и они достанутся ребенку. Конечно, это упрощенная схема, потому что за цвет глаз отвечает не один, а несколько генов, но на практике эти законы наследования зачастую работают. Аналогичным образом потомству могут передаваться и наследственные заболевания. 
Как выявляют рецессивные мутации?
Для выявления мутаций, которые передаются рецессивно, используют целый ряд исследований.
Секвенирование по Сэнгеру – метод секвенирования (определения последовательности нуклеотидов, буквально – «прочтение» генетического кода) ДНК, также известен как метод обрыва цепи. Анализ используется для подтверждения выявленных мутаций. Это лучший метод для идентификации коротких тандемных повторов и секвенирования отдельных генов. Метод может обрабатывать только относительно короткие последовательности ДНК (до 300–1000 пар оснований) одновременно. Однако самым большим недостатком этого метода является большое количество времени, которое требуется для его проведения.
Если неизвестно, какую нужно выявить мутацию, то используют специальные панели.
Панель исследования — тестирование на наличие определенных мутаций, входящих в перечень конкретной панели исследования. Анализ позволяет выявить одномоментно разные мутации, которые могут приводить к генетическим заболеваниям. Анализ позволяет компоновать мутации в панели по частоте встречаемости (скрининговые панели, направленные на выявление носительства патологической мутации, часто встречаемой в данном регионе или в определенной замкнутой популяции) и по поражаемому органу или системе органов (панель «Патология соединительной ткани»). Но и у этого анализа есть ограничения. Анализ не позволяет выявить хромосомные аберрации, мозаицизм и мутации, не включенные в панель, митохондриальные заболевания, а также эпигенетические нарушения.
Не в каждой семье можно отследить все возможные рецессивные заболевания. Тогда на помощь приходит секвенирование экзома – тест для определения генетических повреждений (мутаций) в ДНК путем исследования в одном тесте практически всех областей генома, кодирующих белки, изменения которых являются причиной наследственных болезней.
Секвенирование следующего поколения-NGS – определение последовательности нуклеотидов в геномной ДНК или в совокупности информационных РНК (транскриптоме) путем амплификации (копирования) множества коротких участков генов. Это разнообразие генных фрагментов в итоге покрывает всю совокупность целевых генов или, при необходимости, весь геном.
Анализ позволяет выявить точечные мутации, вставки, делеции, инверсии и перестановки в экзоме. Анализ не позволяет выявить большие перестройки; мутации с изменением числа копий (CNV); мутации, вовлеченные в трехаллельное наследование; мутации митохондриального генома; эпигенетические эффекты; большие тринуклеотидные повторы; рецессивные мутации, связанные с Х-хромосомой, у женщин при заболеваниях, связанных с неравномерной Х-деактивацией, фенокопии и однородительские дисомии, и гены, имеющие близкие по структуре псевдогены, могут не распознаваться. 
Что делать, если в семье есть наследственное заболевание?
Существуют два способа выявить наследственные генетические мутации у эмбриона:
Предимплантационное генетическое тестирование (ПГТ) в цикле ЭКО. Это диагностика генетических заболеваний у эмбриона человека перед имплантацией в слизистую оболочку матки, то есть до начала беременности. Обычно для анализа проводится биопсия одного бластомера (клетки зародыша) у эмбриона на стадии дробления (4–10 бластомеров). Существует несколько видов ПГТ: на хромосомные отклонения, на моногенные заболевания и на структурные хромосомные перестройки. Данные Simon с соавторами (2018) говорят о том, что в случае проведения ЭКО с ПГТ у пациентки 38–40 лет результативность ЭКО составляет 60%. Но при исследовании эмбриона есть ряд ограничений. Так, из-за ограниченного числа клеток можно не определить мозаицизм.
Если нет возможности провести ЭКО с ПГТ, то используют второй вариант – исследование плодного материала во время беременности.
Для забора плодного материала используют инвазивные методы:
Далее эти клетки исследуют при помощи одного или нескольких генетических тестов (которые имеют свои ограничения). Проведение инвазивных методов может быть связано с риском для беременности порядка 1%.
Таким образом, проведя дополнительные исследования, можно значительно снизить риск рождения ребенка с генетическим заболеванием в конкретной семье. Но привести этот риск к нулю на сегодняшний день, к сожалению, невозможно, так как любой генетический тест имеет ряд ограничений, что делает невозможным исключить абсолютно все генетические болезни.
Автор статьи
Пелина Ангелина Георгиевна
Ведёт генетическое обследование доноров Репробанка, осуществляет подбор доноров для пар, имеющих ранее рождённых детей с установленной генетической патологией.
