Линейный характер зависимости частоты генных мутаций от дозы указывает, что они образуются одномоментно, т.е. мутацию вызывает один акт ионизации, возникающий вдоль пути следования вторичных электронов, 8 радиобиологии такой акт ионизации называют попаданием. Теория попадания (удара), созданная в 20-х годах XX в., вскоре была модифицирована и легла в основу теории мишени, в разработке которой приняли участие как физики, так и биологи. Согласно этой теории, возникновение генных мутаций, мелких делеций и одиночных разрывов хромосом под действием квантов ионизирующей радиации - следствие одиночных попаданий; причем повреждение происходит непосредственно в том месте, где возникает первичная ионизация, а вся реакция протекает внутри определенного объема (мишени), т.е. в самом гене либо в непосредственной близости к нему. В основополагающих исследованиях Д. Ли, М.Демереца, К. Циммера, М.Дельбрюка и Н.В.Тимофеева-Ресовского на разнообразных объектах были изучены радиобиологические эффекты в отношении индуцированных мутаций. В частности, исследования на дрозофиле показали, что частота индуцированных излучением мутаций пропорциональна только обшей дозе облучения и не зависит ни от фактора времени, ни от жесткости излучения, определяемой длиной его волны. Однако в дальнейшем эксперименты на мышах заставили исследователей отказаться от категоричных выводов относительно отсутствия зависимости результатов облучения от мощности дозы, т.е. количества радиации, поступающего за единицу времени. Было сформировано представление о том, что определенная доза, использованная при относительно низкой мощности, приведет к меньшему числу мутаций, чем та же доза при более высокой мощности.

Максимальная частота генных мутаций, достигаемая при действии ионизирующих излучений, обычно от нескольких раз до нескольких десятков раз превосходит частоту их спонтанного возникновения. Спектр их остается практически таким же: гены, сравнительно редко мутирующие спонтанно, сравнительно редко изменяются и в результате действия ионизирующих излучений и наоборот.

В отличие от генных мутаций частота хромосомных перестроек под действием ионизирующего облучения возрастает примерно пропорционально квадрату дозы. При этом кривая одного попадания (одноударная кривая) зависимости числа мутаций от дозы облучения меняется на S-образную, обычно полутора-двух ударную. Теория мишени объясняет это тем, что указанные виды облучения характеризуются низкой величиной линейного переноса энергии (т.е. плотности создаваемой ими ионизации вдоль треков движения электронов). Поэтому акты ионизации вдоль треков редки, и каждый из них не зависит от другого. Отсюда следует, что один акт ионизации (один удар) достаточен для того, чтобы возникла генная мутация или один разрыв хромосомы, но для двух разрывов хромосомы, ведущих к хромосомным аберрациям, требуются два удара. Поскольку они возникают независимо, вероятность их попадания в одну хромосому является произведением вероятности для каждого из них, что и составляет основу зависимости частоты хромосомных перестроек примерно от квадрата дозы облучения.

По сравнению с у-лучами медленные нейтроны эффективнее в 5 раз, быстрые нейтроны - в 100, а тяжелые ионы - в 20 раз. В отличие от рентгеновских и у-лучей, нейтроны и а-частицы, характеризующиеся высоким значением линейного переноса энергии, дают плотную ионизацию в пределах одного трека. Вероятность возникновения двух разрывов хромосомы значительно увеличивается, поэтому кривые зависимости частоты хромосомных аберраций от дозы облучения соответствуют в этом случае кинетике реакций первого порядка.

Дозирование излучения не учитывает фактора времени: одна и та же доза может быть получена при слабой интенсивности облучения в течение длительного времени либо путем кратковременного облучения с высокой интенсивностью. Это верно для генных мутаций и мелких делеций, обязанных своим возникновением единичным актам ионизации, но не вполне справедливо в отношении крупных хромосомных аберраций. Если вся доза дается сразу, то в клетках одновременно присутствуют многочисленные фрагменты, образовавшиеся при разрывах хромосом. Одни из них будут идентифицированы как большие делении, а другие могут соединяться в новых сочетаниях, что приведет к появлению инверсий и транслокаций. Если же доза дается в несколько приемов, то крупных перестроек будет обнаружено меньше, так как часть ранее возникших разрывов репарируется за время до следующей порции облучения.

Коротко суммировать положения классической теории мишени можно в следующих пунктах:
1) частота возникающих в результате одиночных ударов генных мутаций, микро делеций и хромосомных разрывов линейно зависит от дозы и не зависит от мощности дозы и ее распределения во времени;

2) частота крупных перестроек, возникающих при воссоединении фрагментов в случае двух хромосомных разрывов, возрастает пропорционально квадрату дозы после рентгеновского или у-облучения и в соответствии с кинетикой первого порядка — после воздействия нейтронами;

3) снижение мощности дозы или ее фракционирование уменьшает частоту хромосомных перестроек в случае рентгеновских лучей и не оказывает влияния на частоту перестроек в случае действия нейтронов.

Теория мишени сыграла значительную роль в развитии радиационной генетики. Но, начиная с ранних экспериментов, накапливались данные о том, что эффект рентгеновского облучения зависит от множества внешних факторов (температура, парциальное давление кислорода, гидратация и присутствие разных химических агентов в облученной клетке). Теория мишени опиралась на предположение, что мутация возникает сразу под действием одного удара. Однако на самом деле радиационные повреждения генетического материала — не прямые, а лишь потенциальные источники возникновения мутаций. Нельзя отождествлять возникновение мутации с актом попадания, поскольку процесс радиационного мутагенеза связан с метаболизмом поврежденной клетки и может быть модифицирован как в момент облучения, так и после него. Так, например, было показано, что эффективность рентгеновского облучения большинства биологических объектов в атмосфере кислорода в 2-3 раза выше нежели в атмосфере азота или инертного газа. К. Свенсон в 1946 г. выдвинул гипотезу о потенциальных изменениях как предшественниках истинных разрывов, возникающих в хромосомах. Это означает, что часть повреждений возникает в форме предмутаций и в зависимости от условий в клетке может либо реализоваться в мутации, либо элиминироваться с помощью репаративных механизмов. Потенциальный характер повреждений подтверждался в первую очередь фактами модификации радиационного эффекта во время облучения и в пострадиационный период. Было установлено, что подавление метаболизма ведет к более легкому превращению потенциальных изменений в мутации. Так, пострадиационная обработка инфузорий угнетающими синтез ДНК стрептомицином, хлорамфениколом, кофеином, динитрофенолом и низкой температурой снижает выход мутаций. Все потенциальные изменения, не вернувшиеся в исходное состояние до репликации хромосом, в ходе этого процесса превращаются в истинные мутации. Чем дальше отстоит момент облучения от начала синтеза ДНК, тем меньше мутаций возникает при той же дозе облучения.

Различные системы генетической репарации способны восстанавливать структуру ДНК, поврежденную в результате облучения. С репарацией ДНК, например, связан не вполне объяснимый с позиции теории мишени факт, заключающийся в том, что фракционирование дозы рентгеновского облучения уменьшает частоту хромосомных перестроек, но не влияет на таковую для генных мутаций. Очевидно, что полная доза радиации поглощается не сразу, а по мере облучения, так что часть индуцированных разрывов хромосом успевает репарироваться и восстановить целостность нативной структуры ДНК до того, как очередной акт ионизации приведет к возникновению новых одиночных разрывов. Это вызовет уменьшение числа множественных разрывов и, следовательно, снизит вероятность крупных перестроек хромосом. Системы генетической репарации не срабатывают при летальных дозах, являющихся видоспецифичными (для человека летальная доза составляет примерно 600 р, для мыши — 900 р, для дрозофилы — 80 000 р.

В присутствии воды рентгеновские лучи не только прямо воздействуют на чувствительные к ним генетические структуры, но и действуют на них косвенно за счет разложения воды — радиолиза. Этот процесс приводит к образованию реакционно-способных, короткоживущих свободных радикалов водорода Н+ и гидроксила ОН-, объединяющихся с образованием воды, атомарного кислорода либо химически активной перекиси водорода. Поэтому облучение молекул-мишеней в присутствии соединений, способных взаимодействовать со свободными радикалами (антиоксидантов), защищает молекулы-мишени от непрямого действия радиации.

Кроме того, эффективность радиационного мутагенеза, как оказалось, определяется не только дозой облучения и ее мощностью, не только условиями, в которых клетки или целые организмы подвергались облучению, но и биологической чувствительностью объектов к летальному и мутагенному действию ионизирующих излучений. Так, одна и та же доза рентгеновских лучей индуцирует у мыши примерно в 10 раз больше мутаций, чем у дрозофилы, и почти в 1000 раз больше, чем у бактерий. Следовательно, частоту мутаций необходимо определять с учетом видовых различий организмов.

Кроме того, еше в 50-е годы ХХ-го века была установлена четкая зависимость частоты возникновения индуцированных мутаций от изменений чувствительности клеток на разных стадиях клеточного цикла. Наибольшей радиочувствительностью обладают клетки на стадии ранней профазы и во время фазы синтеза ДНК.

Наконец, куда именно попадает квант энергии - зависит от случая, но проявляется эффект попадания лишь в определенных участках, так называемых «горячих точках». Это объясняется миграцией энергии или заряда вдоль хромосомы к наиболее легко повреждаемым участкам. Установлена миграция электронного возбуждения по молекуле ДНК на большие расстояния (1 000 — 10 000 п.н.). Если первоначально поражается наиболее радиоустойчивая компонента в сахарофосфате, то, в конечном счете, свободная валентность локализуется на сахарной компоненте. Далее миграция энергии или заряда идет в направлении наиболее возбуждаемых азотистых оснований. Миграция заряда возможна не только внутри ДНК, но и с ДНК на протектор. Профлавин служит лучшим акцептором электронов, и конечное повреждение локализуется именно на нем. Самым плохим акцептором является гистамин, и после у-облучения сигнал передается от него на азотистые основания. Вещества-радиопротекторы, захватывающие электроны, образуют с ДНК комплекс, в котором возможна миграция заряда на это вещество, а рекомбинация мигрировавшего заряда с зарядом противоположного знака происходит на фрагменте протектора. В итоге произошедших преобразований повреждения могут быть репарированы, могут сформировать точковые мутации или послужить началом цепи событий, приводящих к хромосомным аберрациям,

В заключение отметим наиболее важные характеристики радиационного мутагенеза:
• генетический эффект облучения наблюдается при любой дозе;
• специфика этого эффекта зависит от вида и дозы облучения, состояния репаративной системы ДНК, видоспецифической радиочувствительности, стадии и локализации воздействия.

- Читать далее "Ультрафиолетовые лучи и мутации. Воздействие ультрафиолетовых лучей на гены."