CC BY
224
НАУЧНЫЕ ОБЗОРЫ
© МИНИНА В.И. — 2012 УДК: 575.224. 23: 577.213
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ И ХРОМОСОМНЫЕ АБЕРРАЦИИ, ИНДУЦИРОВАННЫЕ РАДИАЦИЕЙ
Варвара Ивановна Минина (Институт экологии человека СО РАН, г. Кемерово, директор — д.м.н., проф. А.Н. Глушков, группа цитогенетики, руководитель — к.б.н., доц. В.И.Минина; Кемеровский государственный университет, ректор — к.м.н. И.А.Свиридова, кафедра генетики, зав. — д.б.н., проф. В.Г. Дружинин)
Резюме. Выполнен обзор научных публикаций, посвященных анализу взаимосвязи между индуцированными радиацией хромосомными аберрациями и полиморфизмом генов ферментов биотрансформации ксенобиотиков и репарации ДНК в период за 2000-2011 гг. Выявлено, что в условиях воздействия радиации in vivo и in vitro с повышенным уровнем хромосомных аберраций в лимфоцитах крови ассоциированы разные полиморфные генетические маркеры.
Ключевые слова: хромосомные аберрации, полиморфизм генов ферментов биотрансформации ксенобиотиков и репарации ДНК.
GENETIC POLYMORPHISM AND CHROMOSOME ABERRATIONS INDUCED BY RADIATION
V.I. Minina
(Institute of Human Ecology SB RAS, Kemerovo State University)
Summary. There has been presented the review of the scientific publications about relationship of induced radiation chromosomal aberrations and genetic polymorphism of xenobiotic biotransformation enzymes and DNA reparation over a 2000-2011 years. It has been revealed that in the conditions of radiation influence in vivo and in vitro with a higher level of chromosome aberrations in blood lymphocytes various polymorphic genetic markers are associated.
Key worlds: chromosomal aberrations, genetic polymorphism of xenobiotic biotransformation enzymes and DNA reparation.
Поиск генетических маркеров индивидуальной чувствительности человека к воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды является одной из насущных задач современной предиктивной медицины [1]. Актуальность изучения генетических основ радиочувствительности связана с нуждами радиотерапии, профессионального отбора персонала в атомной промышленности и космонавтике, защиты человека от воздействия радона в жилых помещениях и шахтах.
Большое число публикаций посвящено изучению роли полиморфизма в генах ферментов биотрансформации ксенобиотиков и генов репарации ДНК в формировании повреждений ДНК, индуцированных радиацией in vivo и in vitro [2-24]. Связано это со спецификой функций, выполняемых продуктами этих генов. Полиморфизм генов, кодирующих ферменты метаболизма ксенобиотиков, обусловливает определенную изменчивость антирадикальных реакций, препятствующих образованию первичных повреждений ДНК. Полиморфизмы генов репарации ДНК приводят к значительным различиям в эффективности репарации уже сформировавшихся повреждений ДНК. Установлено, что тонкие изменения специфических белков, функционирующих в репаративных системах, потенциально способны приводить к мутагенезу [21].
Вместе с тем, поиск значимых генетических маркеров индивидуальной генотоксической чувствительности к действию радиации среди высокополиморфных генов на сегодняшний день не дал однозначных результатов [12]. В качестве возможных причин этого можно рассматривать использование различных подходов к оценке мутагенеза (оценивают в разных клетках разные показатели: хромосомные аберрации (ХА) или микроядра или разрывы ДНК и т.д.) в популяциях, резко отличающихся по распределению генотипов полиморфных маркеров.
Целью данной работы стал обзор научных публикаций по проблеме влияния генотипов ферментов биотрансформации ксенобиотиков и репарации ДНК на ХА, индуцированные действием радиации in vivo и in vitro за период 2000-2011 гг.
Критерии включения исследований в обзор. В
обзор включали: 1) рандомизированные, контролируемые оригинальные исследования за период 2000-2011 гг.; 2) работы, объектом исследования которых стали лимфоциты крови здоровых доноров; 3) статьи, в которых в качестве показателя радиационного повреждения ДНК человека рассматривался уровень и спектр ХА; 4) работы, посвященные оценке вклада полиморфизма в генах ферментов биотрансформации ксенобиотиков: CYP1A1, CYP1A2, GSTM1, GSTT1, GSTP1 и генов репарации ДНК: XPD, XRCC1, XRCC3, APE1, HOGG1 и ADPRT в формирование ХА, индуцированных радиацией in vivo и in vitro.
Методы поиска исследований. Поиск исследований проводился в ScienceDirect и MEDLINE (период 20002011) с использованием стратегии поиска, принятой в организации Кокрановского Сотрудничества с использованием запросов по темам: chromosomal aberrations & GSTM1, chromosomal aberrations & GSTT1, chromosomal aberrations & CYP1A1 и т.д. по всем анализируемым парам ХА-ген. Кроме того, проводился поиск с использованием данных научной электронной библиотеки elibrary. ru. Список найденных исследований и обзоров подвергался дополнительной ревизии на предмет соответствия всем выбранным критериям включения. В результате проведенного отбора в обзор были включены 14 экспериментальных работ, выполненных на выборках здоровых доноров Европы, Америки и России, посвященных анализу ассоциаций между полиморфизмом генов и ХА, индуцированных радиацией in vitro и in vivo.
Воздействие радиации in vitro
В ходе изучения ассоциаций между полиморфизмом GSTM1 и ХА, индуцированными действием радиации in vitro, были получены противоречивые результаты. В исследовании В. Karahalil (2002), при облучении образцов крови от 18 здоровых субъектов Х-лучами в дозе 1 Gy, частота ХА была выше у GSTM1 null субъектов, чем у GSTM1+^<0,005) [18]. В то же время в пилотном исследовании F. Marcon (2003), в ходе изучения чувствительности к действию радиации in vitro у 31 здорового субъ-
екта спустя 48 ч после облучения крови гамма-лучами (2Gy) наблюдали высокую частоту индуцированных ХА у GSTM1 + индивидуумов по сравнению с GSTM1-null субъектами (p=0,025) [21].
WW. Au c соавторами [18, 19] облучали кровь 80 здоровых некурящих добровольцев Х- и УФ-лучами. Было установлено, что варианты XRCC1 399Gln и XRCC3 241Met были ассоциированы со статистически значимым увеличением числа хромосомных делеций, по сравнению с гомозиготами дикого типа (18,27±1,1 против 14,79±1,2 и 18,22 ± 0,99 против 14,20 ± 1,39, соответственно). XPD 312Asn и XPD 751Gln по сравнению с аллелями дикого типа были ассоциированы с возрастанием уровня хро-матидных разрывов (16,09±1,36 против 11,41± 0,98 и 16,87±1,27 против 10,54±0,87, соответственно, p<0,05). Не показано модифицирующего влияния полиморфизмов XRCC1194Trp, OGG1 326Cys и APE1148Glu на индукцию ХА у- лучами или УФ-облучением.
Л.Е. Сальникова облучала лимфоциты здоровых молодых (до 25 лет) доноров у-облучением в дозе 1 Гр (Со60, мощность дозы 1,37 Гр/мин). Было установлено, что частота ХА не зависела от генотипа по локусу GSTM1, но коррелировала с общим числом минорных аллелей GSTP1, NAT2 иMTHFR [10] и оказалось сниженной для гомозигот G/G по минорному аллелю CYP1A1 T606G: 0,094 ± 0,006 против 0,112±0,002 для носителей аллеля Т (р=0,004) Для генов репарации —повышенный уровень у-индуцированных ХА отмечался для носителей мажорных аллелей XRCC1 G1996A (Arg399Gln) и XRCC1*C589T (Arg194Trp) (p=0,002) и минорных аллелей hOGG1*C977G (Ser326Cys) (p=0,011) [11].
Воздействие радиации in vivo
При обследовании рабочих двух чешских атомных электростанций (АЭС Темелин и АЭС Дукованы) были выявлены значимые ассоциации с ХА, определяемыми обычным цитогенетическим анализом — генотипа XPD-6 («молчащий» полиморфизм в экзоне 6); с ХА, выявляемыми методом FISH (полнохромосомный пейнтинг для 1 и 4 хромосом в сочетании с панцентромерными пробами) — генотипов GSTP1 и p53Bst. Не выявлено ассоциаций с полиморфизмом генов: GSTM1, GSTT1, XRCC1, hOGGl, MTHFR и MS [23].
Не наблюдали ассоциаций между полиморфными маркерами в генах репарации (XRCC1 R194W, R399Q, [AC]n микросателлит в 3’ UTR; XRCC3 T241M, [AC]n микросателлит в 3 интроне гена XRCC3; XRCC4 I134T; GACTAn микросателлит, локализованный в 120 kb 5’ в гене XRCC5) и частотой транслокаций в группе из 291 бывших рабочих Британского ядерного производства в Селлафилде, которые получили совокупную профессиональную дозу внешнего излучения от 0 до 1873 мЗв [24].
При обследовании рабочих Целинного горно-химического комбината (Северный Казахстан), которые контактировали с производными урана, не наблюдали ассоциаций ХА с генотипами GSTM1 и GSTT1 [3].
Обследование людей, проживающих вблизи бывшего Семипалатинского ядерного полигона, показало существование статистически значимых различий средних частот ХА в облученных (247 индивидуумов) и контрольных популяциях (172 человека). На частоту ХА не оказывали влияния генотипы обследованных XRCC1 Arg194Trp и XRCC3 Trp241Met. Однако результаты анализа другого полиморфизма гена XRCC1 Arg399Gln свидетельствуют, что частота ХА у лиц нормальных генотипов (3,25%) статистически значимо ниже, чем у лиц, имеющих мутантный генотип (5,38%) [2] .
В работе A. Kiuru (2005) был выполнен анализ значимости полиморфизмов некоторых генов репарации ДНК: hOGGl, XPD, XRCC1 и XRCC3 в выборке финнов, подверженных экспозиции радоном в бытовых условиях [19]. В качестве биомаркеров генотоксического эффекта были изучены хромосомные аберрации в лимфоцитах с использованием FISH-технологии. Было установлено, что носители аллельного варианта XRCC1 280His имеют двукратное увеличение частоты нестабильных обменов хромосомного типа (дицентриков и кольцевых хромосом) (frequency ratio- FR = 2,01, CI = 1,01-3,98; P =
0,046). Авторы считают, что His — аллель или снижает способность к репарации двойных разрывов ДНК или повышает ошибочную репарацию. Было показано, что гомозиготный вариант гена XRCC3 241Met/Met ассоциирован с увеличением частоты транслокаций (FR=1,70, 95% CI=1,06-2,74; р=0,028).
При обследовании 141 работника Сибирского химического комбината (химико-металлургический завод) с установленной интегральной дозой внешнего у-облучения (в среднем, 109,37 мЗв) не было зарегистрировано взаимосвязи между ХА и полиморфными вариантами в генах: GSTT1, GSTM1, ILlb. Однако было выявлено накопление аберраций хроматидного типа, дицентрических и кольцевых хромосом у носителей аллеля «А» гена NOS3 (ген эндотелиальной синтазы оксида азота) в гетеро- и гомозиготном состоянии, по сравнению с лицами, имеющими генотип «ВВ» (р=0,046) [15].
В исследовании индивидуальных генотоксических эффектов у детей-подростков, проживающих в Горной Шории (Кемеровская область, Россия) получены свидетельства значимости полиморфизма генов CYP в формировании ХА, индуцированных воздействием сверхнормативных доз радона внутри помещений. Присутствие в геноме хотя бы одной мутантной (высокоактивной) аллели CYP1A1*2A приводит к значимому повышению частоты клеток с хромосомными аберрациями [6].
Был разработан и запатентован способ определения индивидуальной чувствительности генома человека к воздействию сверхнормативных концентраций радона внутри помещений [8]. В предложенном способе определения индивидуальной чувствительности генома человека к воздействию радона, проводят исследование крови человека и оценивают индивидуальный уровень ХА. Далее определяют наличие предрасполагающих и протективных генотипов генов-кандидатов: маркер Arg280His гена XRCC1 — предрасполагающий генотип Arg/Arg, протективный генотип Arg/His; маркер Arg194Trp гена XRCC1 — предрасполагающий генотип Arg/Arg, протективный генотип Arg/Trp; маркер Asn148Glu гена APE1 — предрасполагающий генотип Glu/Glu, протективные генотипы Asn/Asn, Asn/Glu; маркер A2455G гена CYP1A1- предрасполагающий генотип A/G, протективные генотипы A/A и G/G; маркер делеция в гене GSTM1 — предрасполагающий генотип GSTM^/о, протективный GSTMl+. Делают заключение о высокой индивидуальной чувствительности к действию повышенных доз радона при количественном преобладании предрасполагающих генотипов или равном количестве предрасполагающих и протективных генотипов, а о высокой индивидуальной устойчивости к воздействию радона — при количественном преобладании протективных генотипов.
Проведенный позднее на большей выборке (256 детей, экспонированных к радону и 94 ребенка из группы сравнения), анализ значимости генов репарации hOGGl, ADPRT XPD, XRCC, APE1 показал, что уровень ХА, индуцированных действием радона, был статистически значимо выше у носителей генотипов: hOGG1 Cys/Cys, hOGGl Ser/Cys (по сравнению с hOGGl Ser/ Ser), ADPRT Ala/Ala, AdPrT Val/Ala (по сравнению с ADPRT Val/Val). Cвязь между уровнем ХА и носитель-ством полиморфных вариантов XRCC1 Arg194Trp, XRCC1 Arg280His, XRCC1 Arg399Gln, APE1 Asp148Glu отсутствовала [7].
При исследовании зависимости уровня нестабильных ХА и полиморфизма ДНК у ликвидаторов последствий аварии на Чернобыльской АЭС [10,12] не было обнаружено ассоциаций с ХА полиморфизма по локу-сам: GSTM1, GSTT1, GSTP1, MTHFR. Были выявлены более высокие частоты ХА у гомозиготных носителей делеции по локусу GSTM1 в сочетании с гомозиготно-стью по минорным аллелям локусов MTHFR и GSTP1 (р=0,00002 и 0,0233 соответственно). Мажорный аллель T гена CYP1A1 (T3801C) в гомозиготном состоянии у ликвидаторов оказывал протективное действие в отношении аберраций хромосомного типа (p= 0,020). У носителей мажорных аллелей T/T и G/G двух сцеплен-
ных сайтов T2251G и G862A гена XPD частота спонтанных аберраций хромосомного типа была статистически значимо меньше, чем у лиц с минорными аллельными вариантами в гомо- и гетерозиготном состоянии (для сайта G862A p=0,032, для сайта T2261G p=0,032).
Таким образом, обобщая представленные в данном обзоре работы, можно заключить, что в условиях воздействия радиации in vivo и in vitro ХА сопряжены с разными полиморфными маркерами. Большинство значимых ассоциаций генетического полиморфизма с высокими частотами ХА, индуцированными ионизирующим излучением in vitro, касались маркеров: XRCC1 399Gln, XRCC3 241Met, XPD 312Asn и XPD 751Gln, CYP1A1 T606, XRCC1 Arg194, hOGGl 326Cys. Тогда как в условиях воздействия радиации in vivo значимый эффект оказывали: XRCCl 280His, XRCC3 24lMet/Met, CYPlAl*2A, hOGGl Cys/Cys, hOGGl Ser/Cys, ADPRT Ala/Ala, ADPRT Val/Ala (при воздействии радона в жилых зданиях), у носителей делеции по локусу GSTMl в сочетании с го-мозиготностью по минорным аллелям локусов MTHFR и GSTPl, CYPlAl 3801C, у лиц с минорными аллельными вариантами двух сцепленных сайтов T225lG и G862A гена XPD в гомо- и гетерозиготном состоянии
(у ликвидаторов аварии на Чернобыльской АЭС). Эти данные согласуются с современными представлениями о нецелесообразности переноса данных, полученных в эксперименте на культурах клеток, на организм, либо на популяцию в целом [16].
В данном обзоре мы не приводим весьма многочисленные результаты, указывающие на существование значимого вклада генетического полиморфизма в формирования генетических нарушений, выявляемых методами учета микроядер, разрывов ДНК (ДНК-комет) и др. Однако, даже ограничив область исследований только ХА, можно сделать вывод о целесообразности использования маркеров генетического полиморфизма для качественного прогноза индивидуальной радиочувствительности человека. Эти данные приобретают особое значение в свете разрабатывающихся методов индивидуальной защиты с использованием антимутагенов [5].
Работа поддержана государственным контрактом ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» № 16.512.11.2062; грантом РФФИ, 10-04-00497-а.
ЛИТЕРАТУРА
1. Баранов В. С. Генетический паспорт — основа индивидуальной и предиктивной медицины. — СПб.: Н-Л, 2009. — 528 с.
2. Бекманов Б.О., Болегенова Н.К., Берсимбаев Р.И., Ау У.У. Анализ корреляции между частотой хромосомных аберраций и полиморфизма генов репарации ДНК у жителей, проживающих вблизи бывшего Семипалатинского полигона // Материалы съезда генетиков и селекционеров, посвященного 200-летию со дня рождения Ч. Дарвина и V Съезда Вавиловского общества генетиков и селекционеров. — М.,
2009. — С. 319.
3. Васильева З.Ж., Берсимбаев Р.И., Бекманов Б.О., Воробцова И.Е. Связь полиморфизма генов С8ТМ1 и С8ТТ1 с уровнем цитогенетических нарушений у рабочих уранового производства // Радиационная биология. Радиоэкология. —
2010. — Т. 50. №2. — С. 148-152.
4. Гончарова И.А., Фрейдин М.Б., Тахауов Р.М., Карпов А.Б. Молекулярно-генетические подходы, применяемые для оценки воздействия радиации на геном, и индивидуальная радиочувствительность человека // Сибирский медицинский журнал. — Томск, 2003. — №5. — С. 78-83.
5. Засухина Г.Д. Механизмы защиты клеток человека, связанные с генетическим полиморфизмом // Генетика. — 2005. — Т. 41. №4. — С. 520-535
6. Минина В.И., Дружинин В.Г., Глушков А.Н. и др. Генотоксические эффекты комплексного воздействия радона и тяжелых металлов на организм человека в зависимости от полиморфизма генов ферментов монооксигеназной системы // Экологическая генетика. — 2009. — XVII. №3. — С. 53-60.
7. Минина В.И., Дружинин В.Г., Лунина А.А. и др. Исследование взаимосвязи между полиморфизмом генов репарации ДНК и частотой хромосомных аберраций в лимфоцитах крови человека // Экологическая генетика. — 2011. — Т.1Х. №2. — С. 74-79.
8. Минина В.И., Дружинин В.Г., Лунина А.А. и др. Способ определения индивидуальной чувствительности генома человека к воздействию радона // Патент РФ Яи 2 415 427 С1 Кл. С01Ы 33/48. Опубл. 27.03.2011.
9. Рубанович А.В. Полиморфизм ДНК и генетический контроль индивидуальной радиочувствительности у человека // Сборник тезисов V международной конференции «Новые направления в радиобиологии». — М.: Изд-во Российского университета дружбы народов, 2006. — С. 66-70.
10. Сальникова Л.Е., Фомин Д.К., Елисова Т.В и др. Зависимость цитогенетических и эпидемиологических показателей от генотипов у ликвидаторов последствий аварии на ЧАЭСУ // Радиационная биология. Радиоэкология. — 2008. — Т. 48. №3. — С. 303-312.
11. Сальникова Л.Е., Акаева Э.А., Елисова Т.В. и др. Влияние полиморфизма генов детоксикации ксенобиотиков на частоты спонтанных и индуцированных аберраций хромосом в лимфоцитах человека // Радиационная биология.
Радиоэкология. — 2009. — Т. 49. №5. — С. 543-551.
12. Cальникoва Л.Е., Чумаченко А.Г., Акаева Э.А. и др. Соматический мутагенез в лимфоцитах человека в зависимости от генотипов по локусам детоксикации и оксидативного ответа // Генетика. — 2010. — Т. 46. №12. — С. 1678-1684.
13. Cальникoва Л.Е., Чумаченко А.Г., Веснина И.Н. и др. Анализ генотипической зависимости частот хромосомных аберраций в лимфоцитах человека при облучении in vivo и in vitro // Радиационная биология. Радиоэкология. — 2010. — Т. 50. №3. — С. 340-344.
14. Cальникoва Л.Е. Генетическая детерминация эффектов ионизирующих излучений: цитогенетические и эпидемиологические показатели: Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. — М.,
2011. — 47 с.
15. Фрейдин М.Б., Гончарова И.А., Васильева Е.О. и др. Оценка связи полиморфизма генов IL1b, NOS3, GSTT1, GSTM1 с уровнем хромосомных аберраций в лимфоцитах периферической крови работников Сибирского химического комбината // Вопросы радиационной безопасности. — 2007. —№4. — С. 31-37.
16. Хандогина Е.К. Изучение генетического контроля радиочувствительности // Генетика. — 2010. — Т. 46. №4. — С. 293-301.
17. Au W.W., Salama S.A., Sierra-Torres C.H. Functional characterization of polymorphisms in DNA repair genes using cytogenetic challenge assays // Environ Health Perspect. — 2003. — Vol. 111(15). — P. 1843-1893.
18. Au W.W., Salama S.A. Cytogenetic challenge assays for assessment of DNA repair capacities // Methods Mol Biol. — 2006. — Vol. 314. — P. 25-42.
19. Karahalil B., Sarda§ S., Kocaba§ N.A., et al. Chromosomal aberrations under basal conditions and after treatment with X-ray in human lymphocytes as related to the GSTMl genotype //Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis. — 2002. — Vol. 515. Iss.1-2. — P. 135-140.
20. Kiuru A., Lindholm C., Heilimo I., et al. Influence of DNA repair gene polymorphisms on the yield of chromosomal aberrations // Environ Mol Mutagen. — 2005. — Vol. 46(3). — P. 198-205.
21. Marcon F., Andreoli C., Rossi S., et al. Assessment of individual sensitivity to ionizing radiation and DNA repair efficiency in a healthy population // Mutat Res. — 2003. — Vol. 541(1-2). — P. 1-8.
22. Nemec A., Wallace S., Sweasy J. Variant base excision repair proteins: Contributors to genomic instability // Seminars in Cancer Biology. — 2010. — Vol. 20. — P. 320-328.
23. Sram RJ., Rossner P., Rubes J., et al. Possible genetic damage in the Czech nuclear power plant workers // Mutat Res. — 2006. — Vol. 593(1-2). — P50-63.
24. Wilding C.S., Relton C.L., Rees G.S., et al. DNA repair gene polymorphisms in relation to chromosome aberration frequencies in retired radiation workers // Mutat Res. — 2005. — Vol.570(1). — P. 137-145.
Информация об авторе: 650002, г.Кемерово, пр. Ленинградский, д. 10, тел. (3842) 74-15-95, e-mail: [email protected] Минина Варвара Ивановна — к.б.н., доцент, руководитель группы цитогенетики
