Мутації

Радіація і мутації в людини

Спадкоємні ознаки всіх живих організмів не є незмінними в часі. Вироблений протягом мільйонів років еволюції зроблений механізм розподілу і дозрівання статевих клітин не застрахована від помилок. Цей механізм помиляється, що приводить до виникнення різноманітних змін у спадкоємних особливостях нащадків - мутацій. При цьому в нащадків може змінюватися чи число будова хромосом, так само як і тонкі структури генів.

Вплив різноманітних факторів навколишнього середовища, включаючи радіацію і ряд хімічних сполук, приводить до збільшення частоти мутацій. У 1927 році американський генетик, згодом - лауреат Нобелівської премії Генріх Меллер уперше довів, що опромінення рентгенівськими променями приводить до істотного збільшення частоти мутацій у дрозофіли. Ця робота поклала початок новому напрямку в біології - радіаційній генетиці. Завдяки численним роботам, проведеним за останні десятиліття, ми тепер знаємо, що при влученні елементарних часток (Y-кванти, електрони, протони і нейтрони) у ядро відбувається іонізація молекул води, що, у свою чергу, порушують хімічну структуру ДНК. У цих місцях відбуваються розриви ДНК, що і приводить до виникнення додатковою, індукованою радіацією мутацій.

Як це не сумно, але використання атомної енергії у військових і мирних цілях привело до масового опромінення людей. Усім відомі трагедії Хіросіми, Нагасакі і Чорнобиля, коли десятки тисяч людей піддалися впливу іонізуючої радіації. Крім того, у нашому повсякденному житті ми часто зіштовхуємося з радіацією, наприклад, проходячи рентгенологічні обстеження в лікарнях і поліклініках. Виникає природне запитання - які генетичні наслідки впливу радіації на людину?

Перше і дотепер єдине широкомасштабне вивчення генетичних наслідків впливу радіації на людину було проведено американськими і японськими дослідниками в Хіросімі і Нагасакі. Ці роботи почалися в 1946 році, тобто практично відразу після капітуляції Японії. Вибухи атомних бомб у Хіросімі і Нагасакі привели до моментальної загибелі десятків тисяч людей і масовому опроміненню що вижили. У той час ефекти радіації були практично невідомі, тому американський уряд прийняв рішення про проведення усебічного вивчення наслідків вибухів для населення двох міст. Тоді, волею випадку, в американській армії служив лейтенант медичної служби Джеймс Ніл, що до війни активно займався генетичними дослідженнями на дрозофілі. Йому було доручено наукове керівництво цими роботами, що відразу ж набули яскраво вираженої генетичної спрямованості.

Слід зазначити, що в той час генетика людини як наука практично не існував. Учені навіть не знали, скільки хромосом у ядрі клітини людини. Тому із самого початку було прийняте рішення досліджувати частоту мертвонароджень, смертність, пороки розвитку і захворюваність серед нащадків опромінених батьків. Пізніше, у міру розвитку генетики людини, у дітей почали вивчати мінливість хромосом і деяких генів. В остаточному підсумку були проведені колосальні роботи з аналізу десятків тисяч нащадків опромінених батьків. Основний результат цих робіт - повна відсутність впливу ефектів радіації на вивчені ознаки. При цьому багато батьків одержали досить високі дози опромінення при вибухах бомб. При таких дозах генетичні наслідки радіації виявляються в мишей - найбільш близького до людини організму в радіаційній біології. Чому так вийшло?

Відповідь на це питання лежить у самій природі ознак, вивчених у японських дітей. Причина смерті чи дитини його схильності захворюванням визначається, грубо говорячи, або впливом несприятливих факторів середовища (наприклад, інфекція), або наявністю визначених генетичних ознак, що негативно позначаються на дитині. Якщо говорити про спадкоємні фактори, то дитина може вмерти (занедужати) чи завдяки несприятливим генетичним ознакам, успадкованим від батьків, чи тому, що він є носієм нової шкідливої мутації. Згідно сучасним даної, не більш 5 відсотків випадків усієї дитячої смертності зв'язані з мутаціями. Припустимо для простоти, що в Японії до вибухів дитяча смертність складала 1 відсоток, а частота мутацій після вибухів зросла в 2 рази. При цьому навіть дворазове збільшення частоти мутацій привело до дуже незначного збільшення загальної дитячої смертності, знайти яке практично неможливо. Отже, вивчення дитячої смертності не дозволяє знайти генетичних наслідків впливу радіації в людини.

Крім смертності і захворюваності, у японських дітей були вивчені деякі аномалії хромосом і мутації в ряді генів. Багато хромосомних мутацій дуже шкідливі для людини, у своїй більшості приводять до загибелі плоду (тобто до викиднів), і їхня частота дуже низька серед немовлят. Теоретично, радіація повинна приводити до істотного збільшення частоти хромосомних аномалій у людини, але зрозуміло, що вивчати цей процес треба серед плодів, а не серед немовлят. Подібні роботи в Японії не проводилися. Що стосується більшості генів, що кодують білки, то частота мутацій серед них дуже низка. Треба досліджувати щонайменше 100 тисяч дітей, щоб знайти одну мутацію по визначеному гені. Ясно, що якщо після вибухів ця частота навіть сильно змінилася, те знайти це можна, вивчивши не десятки (як це було зроблено в реальності), а сотні тисяч дітей.

Якщо підвести підсумки багаторічних генетичних досліджень у Хіросімі і Нагасакі, то вони невтішні. Були витрачені колосальні засоби, у роботі брали участь сотні американських і японських дослідників, а в результаті стало очевидно, що радіаційна генетика людини знаходиться в тупику. Причина тому - повна відсутність адекватних експериментальних підходів до вивчення генетичних наслідків впливу радіації в людини. Якщо це так, то треба шукати нові генетичні підходи.

У середині 80-х років у людини й інших живих організмів був відкритий новий клас послідовностей ДНК, що одержали назву мінісателіти. Вони складаються з відносно коротких повторюваних фрагментів ДНК довжиною 10-60 нуклеотидів ("букв", з яких побудована ДНК), зібраних разом подібно вагонам у потязі. Мутації в мінісателітах приводять до зміни числа повторів, що дуже нагадує роботу зчіплювача на залізничній станції, що приєднує чи від'єднує вагони в складі. Саме головне - ці мутації відбуваються з неймовірною частотою, що більш ніж у 1000 разів перевищує таку для звичайних генів. Якщо так, то вивчивши сотню-іншу дітей, можна знайти в багато разів більше мутацій серед мінісателітної ДНК, чим при аналізі сотень тисяч дітей, досліджених у відношенні генів, що кодують білки. А якщо частота мутацій у мінісателітах збільшується при впливі радіації, то треба проаналізувати пари сотень дітей, породжених від опромінених батьків, для того щоб знайти зміни в частоті мутацій.

Якщо мінісателіти настільки перспективні для радіаційної генетики, то їх треба використовувати. Ми почали ці роботи в 1991 році. У них брали участь учені трьох країн - Росії, Великобританії і Білорусії. Велика їхня частина проводилася у Великобританії, у лабораторії професора Алека Джеффрейза, що відкрив мінісателіти в середині 80-х років. Спочатку ми перевірили, чи робить вплив радіація на мінісателітні мутації в лабораторних мишей. Вивчивши всього 150 нащадків опромінених тварин, ми знайшли практично дворазове збільшення частоти мутацій у них у порівнянні з такий у неопромінених мишей. "Усього" означає, що при використанні звичайних генів з низькою частотою мутації, аналогічний результат був отриманий на десятках-сотнях тисяч тварин. Якщо так, то, по-перше, мінісателіти є чуттєвими до радіації, а по-друге, вони дозволяють виявляти ефекти радіації при аналізі дуже малого числа нащадків.

Провівши цю роботу, ми звернулися до людини. Зусиллями наших білоруських колег із НДІ радіаційної медицини в Могильову були зібрані зразки крові від родин, що проживають на території Могилевскої області, що була сильно забруднена радіоактивними ізотопами в результаті Чорнобильської катастрофи. Усього ми вивчили 127 дітей, породжених у цьому регіоні після Чорнобиля (це число не йде ні в яке порівняння з десятками тисяч дітей, досліджених у Хіросімі і Нагасакі) і показали, що частота мутацій у них у два рази вище такої в нащадків неопромінених батьків. Іншими словами, у результаті цієї роботи були отримані перші експериментальні докази тому, що радіація здатна змінювати частоту мутацій у людини.

Головне питання - що це означає. Мутації в мінісателітах нейтральні по своїй суті і не позначаються на життєздатності дітей. Здавалася б - ну нехай їхня частота мутацій зростає хоч у сто разів - усе рівно це не має ніякого впливу на смертність і захворюваність. Це, на жаль, не так. Збільшення частоти мутацій серед мінісателітів, що відбулося після Чорнобиля, свідчить про те, що радіація вже привела до генетичних змін серед нащадків опромінених батьків. Іншими словами, процес пішов і, зважаючи на все, він торкнувся не тільки мінісателіти. Використовуючи наші дані, пророчити наслідку змін, що відбулися, для здоров'я наступних поколінь поки не можна. Теоретично, вони повинні бути мінімальні. Але вивчати їхній треба, вони повинні стати предметом серйозного і всебічного дослідження в наступні роки.