CC BY
45
Е.В. Голобородько, Ю.А. Соловьев
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Управление организации научных исследований ФМБА России, г. Москва Е. V. Goloborodko, Yu.A. Soloviev
THE SYSTEM APPROACH TO THE IONIZING RADIATION BIOLOGICAL
EFFECTS ESTIMATION
FMBA of Russia, Moscow
Ключевые слова: ионизирующее излучение, геномика, протеомика, метаболомика, системная радиобиология.
Keywords: ionizing radiation, genomics, proteomics, metabolomics, system radiobiology.
В настоящей статье обсуждена возможность применения принципов системной биологии при описании действия ионизирующего излучения. В частности, сочетание методов геномики, протеомики и метаболомики позволяет получить наиболее комплексное представление об эффектах данного экстремального воздействия. Показано, что такой методологический подход является возможным, перспективным и широко применяется в мировой науке.
The present article is dedicated to the discussion of the possibility of usage system biology approaches in the ionizing radiation biological effects description. The genomics, proteomics and metabolomics methods combination leads to the complex view of such extreme influence effects. Noted that such technical approach is possible, perspective and widely been used in current world science.
В настоящее время большое внимание уделяется изучению вопросов, связанных с оценкой биологических эффектов
ионизирующего излучения низкой интен -сивности. В научной периодике последних лет подчеркивается, что развитие этого направления тесно связано с изучением роли генома и различных молекул в возникновении и развитии патологических состояний.
Например, на рисунке в общем виде представлено действие ионизирующего излучения на геном клетки [17]. Однако остается неясным, к каким последствиям на макроуровне (в объеме целого организма) приводит реакция генома на действие ра
диации. Эффект ионизирующего излучения на живой организм является многофакторным процессом, зависящим от пространственной и временной характеристик регионов ионизации, очагов возбуждения и вовлеченных биологических структур. Известно, что на клеточном уровне ионизирующее излучение инициирует мириады реакций. Например, ответ на генотоксическое действие, приостановку клеточного цикла, активацию факторов репарации ДНК, изменения метаболизма [9,19].
Наиболее полное описание этих эффектов, реализующихся на разных уровнях организации живой материи, пред
Рис 1 Схематическое представление действия ионизирующего излучения на геном
ставляется возможным лишь посредством создания многомерной модели. В связи с этим, современная биология и радиобиология в последнее время большое внимание уделяет методам системной биологии.
Системная биология — область научного знания, изучающая комплекс взаимодействий, происходящих в живых системах на основе методологии системного анализа.
Основоположником системной биологии принято считать Людвига фон Берталанффи, автора теории общих систем. Первая научная проблема, решенная с применением методов системной биологии — установление закономерности распространения потенциала действия по аксону нейрона. Авторы — Алан Ллойд Ходжкин и Эндрю Филдинг Хаксли, в 1952 году решившие данную задачу путем создания математической модели взаимодействия натриевых и калиевых ионных каналов, были награждены Нобелевской премией. В 1960 году Дэнис Нобле разработал первую модель пейсмейкера сердца. В 1990-х годах в рамках системной биологии появилось новое направление — функциональная геномика, позволяющая на системном уровне оценить функцию отдель
ного гена [4,12].
В общем виде суть данного подхода заключается в комплексной оценке биологического эффекта какого-либо воздействия с точки зрения нескольких научных дисциплин (например, геномики, протео- мики и метаболомики) [5].
Геномика изучает функциональное значение генов с применением «ДНК- микрочипов» или последовательного анализа экспрессии генов. В частности, могут быть определены временные характеристики формирования генного ответа, описаны процессы его формирования. Кроме того, известно, что гены могут взаимодействовать друг с другом посредством своих продуктов. Например, регуляторные белки способны связываться с определенными участками ДНК, и, таким образом, один ген может включить или выключить другой. Благодаря подобному взаимодействию образуется генная сеть, охватывающая значительное количество генов (от десятков до сотен), которые координируют свою деятельность и могут контролировать процесс реализации ответа организма на действие ионизирующего излучения [7].
Показано, что ионизирующее излучение с высокой линейной передачей энергии, действующее короткое время, вызывает ингибирование 8,3% генов, вовлеченных в реализацию клеточного цикла, и активацию 4,8% этих единиц наследственной информации (регулирующих метаболизм РНК, транскрипцию и синтез некоторых протеинов). Ионизирующее излучение в значительной степени влияет на активность генов, регулирующих метаболизм пуринов, гликолиз/глюконеогенез, метаболизм пиримидинов и глутамата [19,20].
Протеомика изучает изменение активности и концентрации протеинов, с применением двухмерного гель- электрофореза и масс-спектрометрии. Кроме того, часто используются многомерные методы идентификации биомолекул (например, HPLC {high performance
liquid chromatography) в сочетании с масс-спектрометрией), в том числе in vivo [13].
В настоящее время существует большое число научных работ, в которых методами протеомики решаются следующие задачи: изучение механизмов адаптации к действию ионизирующего излучения, установление механизмов возникновения мутаций, исследование радиационно-индуцированной нестабильности генома, синдрома «свидетеля», преждевременного старения [8].
В частности, методами протеомики было установлено, что фактор ATM (ataxia-telangiectasia mutated), идентифицированный в 1995, имеет ключевое значение в адаптации к действию радиации и в настоящее время рассматривается как мишень для радиосенсибилизаторов [2,15].
Известно, что мутации в гене р53 весьма часто приводят к канцерогенезу. Однако оказывается, что у 90% пациентов с острыми амилоидными онкозаболеваниями — ген нормальный. Системный анализ позволил выявить все белки, с которыми взаимодействует продукт генар53, установить нарушения в путях передачи внутриклеточных сигналов,
приводящие к малигнизации. Кроме того, были установлены биомаркеры, специфические для разных типов опухолей, предикторы метастазирования [14].
Одним из наиболее ярких открытий в молекулярной биологии конца XX века является идентификация микроРНК, которые выполняют регуляторную роль, влияя на экспрессию генов на этапе трансляции. Изменения в синтезе микроРНК часто наблюдаются у больных с онкопатологией. Например, микроРНК mir-17-92 при повышенном уровне синтеза может выступать как онкоген, ингибируя процессы апоптоза. Снижение синтеза микроРНК let-7 приводит к онкосупрессии, инактивируя белки, участвующие в митозе. Весьма перспективными представляются исследования, связанные с изучением микро-РНК профиля при действии ионизирующего излучения. Кроме того, введение в клетки
синтетических или природных микроРНК, может стать профилактическим средством развития опухолевого процесса [6].
Метаболомика изучает функцию и содержание метаболитов на уровне клеток, тканей, органов. Одним из методов метаболомики является спектроскопия протонного ядерного магнитного резонанса с последующим компьютерным анализом полученных образов [16].
В рамках метаболомики в настоящее время предпринимаются попытки интеграции процессов, протекающих на разных уровнях, в единое целое путем создания комплексной модели живой макро системы, воспроизводящей целый орган или организм.
Например, с помощью модели головного мозга мыши было показано, что действие низкоуровневого излучения на головной мозг мыши инициирует две группы процессов. Первая группа является неспецифической и возникает при облучении любой ткани организма (изменение конформации ионных каналов, возникновение потенциала депрессии, изменение проницаемости сосудов и т.д.). Вторая группа, специфическая для головного мозга, заключается в развитии когнитивной дисфункции, сходной с таковой, возникающей при старении головного мозга или при болезни Альцгеймера [10].
Как в России, так и за рубежом (см. таблицу) разработаны и постоянно пополняются несколько баз данных, которые позволяют моделировать цепи биохимических реакций, происходящих на разных системных уровнях организма человека. Эти информационные технологии столь востребованы, что в современной науке сформировалось новое понятие — «биология т зШт» («биология в кремнии») [1,11].
Методология системной биологии в науках о действии радиации используется достаточно часто, о чем свидетельствуют многочисленные публикации по данной тематике. Кроме того, регуляр
Таблица 1
Базы данных по биомоделированию
Молекулярный Клеточный Органный Организменный
MetaCore Genomatica Human Physiome Project GNS
Pathway Assist Pathway Analyst E-Cell Virtual Cell Entelos
DiMSim
NetworkBuilder ■
Gepasi Jdesigner
но проводятся международные симпозиумы, в частности, «Application of Systems Biology in Radiation Research», проводился уже 3 раза [3].
Следует отметить, что применение описанных подходов весьма ограничено недостаточной изученностью функциональной роли большинства генов/протеи- нов. В существующих базах данных представлена экспериментально доказанная онтология только <10% генов/протеинов организма человека. Функция еще около 40% в настоящее время предположена только теоретически. Однако разработки в данном направлении интенсивно ведутся и базы данных постоянно пополняются [18].
На основании вышесказанного можно заключить, что комплексная оценка биологических эффектов ионизирующего излучения с применением подходов системной биологии, в том числе и оценка действия низкоуровневого излучения, является возможной и представляется весьма перспективной. Следует подчеркнуть, что исследования подобного рода должны основываться на парадигмах радиобиологии с опорой на знания фундаментальной биологии и медицины.
Литература
1. В.В. Бельков. Многомерная биология XXI века и клиническая лабораторная диагностика. Химия и Жизнь (2007). 3:10-16.
2. К. Ahmed, J. Li. ATM-NF-kappaB connection as a target for tumor
radiosensitization. Curr Cancer Drug Targets (2007). 7(4): 335-42.
3. «Application of Systems Biology in Radiation
Research»: 3rd Systems Radiation Biology workshop. 12-14 January, 2009. Rovaniemi, Finland.
4. L. Chong, L. Ray. Introduction to special issue Whole-istic Biology. Science (2002). 295:1661.
5. M. Csete, J. Doyle. Reverse engineering of biological complexity. Science (2002). 295:1664-1669.
6. W. Friedland, H. Paretzke, F. Ballarini et al. First steps towards systems radiation biology studies concerned with DNA and chromosome structure within living cells. Radiat Environ Biophys (2008). 47:49—61.
7. T. Gardner, D. di Bernardo, D. Lorenz and J. Collins. Inferring genetic networks and identifying compound of action via expression profiling. Science (2003). 301: 102-105.
8. Z. Hu, H. Huang H, A. Cheema et al. Integrated Bioinformatics for Radiation-Induced Pathway Analysis from Proteomics and Microarray Data. J Proteomics Bioinform (2008). l(2):47-60.
9. P. Jeggo, M. Lobrich. Contribution of DNA repair and cell cycle checkpoint arrest to the maintenance of genomic stability. DNA Repair (2006). 5(9-10):1192-98.
10. X. Lowe, S. Bhattacharya, F. Marchetti, A. Wyrobek. Radiat Res. 2009 Jan; 171 (1 ):53- 65. Early brain response to low-dose radiation exposure involves molecular
networks and pathways associated with for novel radiosesitizers. Semin Radiat
cognitive functions, advanced aging and Oncol (2001). 11:316-27.
Alzheimer's disease. 16. U. Sauer. Getting Closer to the Whole
11. H. Kitano. Computational systems biology.
Picture. Science (2007). 316: 550.
Nature (2002). 420(6912):206—210. 17 j Szumiel. Intrinsic radiation sensitivity:
12. H. Kitano. Systems biology: a brief cellular signaling is the key. Radiat. Res.
overview. Science (2002). 295(5560): (2008). 169:249-258.
1662—1664. 18 м. Tomita, K. Hashimoto, K. Takahashi
13. R. Lin, H. Zhao, C. Li et al. Proteomic etal. E-CELL: Software Environment for
analysis of ionizing radiation-induced Whole Cell Simulation//Genome Inform
proteins at the subcellular level. J Proteome Ser Workshop Genome Inform (1997).
Res (2009). 8(l):390-9. 8:147-155.
14. A. Niciforovic, J. Djordjevic, M. Adzic 19. K. Valerie, A. Yacoub, M. Hagan et al. et al. Experimental and systems biology Radiation-induced cell signalling: inside-studies of the molecular basis for the out and outside-in. Mol Cancer Ther radioresistance of prostate carcinoma cells. (2007). 6:789.
Ann Biomed Eng (2008). 36(5):831-8. 20. E. Werner. All systems go. Nature (2007).
15. J. Sarkaria, J. Eshleman. ATM as a target
446:493-494, March 29, 2007.
информация ------------------------------------------------------------------------------
ФГУ «Главное бюро МСЭ по Томской области»: совещание по вопросам экспертизы и реабилитации
онкологических больных
Вопросы медико-социальной экспертизы и реабилитации инвалидов вследствие злокачественных новообразований были рассмотрены на совместном методическом совещании специалистов медико-социальной экспертизы и областного онкологического диспансера, которое состоялось в октябре 2011 года на базе ФГУ «Главное бюро медикосоциальной экспертизы по Томской области».
Уровень общей заболеваемости населения Томской области злокачественными но -вообразованиями в 2010 году превысил показатели 2009 года на 6,1 % и составил 394,9 на 100 тыс. населения, что выше средних показателей по РФ и СФО.
По уровню первичного выхода на инвалидность вследствие злокачественных новообразований Томская область занимает 11 -е место среди субъектов Сибирского федерального округа, вместе с тем уровень заболеваемости населения предполагает дальнейший рост данного показателя. В ходе совещания были рассмотрены и обсуждены вопросы:
• особенности медико-социальной экспертизы онкологических больных;
• анализ измененных решений бюро МСЭ в экспертных составах при переосвидетельствовании инвалидов вследствие злокачественных новообразований;
• медицинская, социальная и профессиональная реабилитация инвалидов вследствие злокачественных новообразований;
• психология личности инвалида, порядок экспериментально-психологического обследования, организационное поведение в учреждениях социальной сферы.
По результатам совещания приняты конкретные предложения направленные на совершенствование межведомственного взаимодействия бюро МСЭ и лечебнопрофилактических учреждений, повышение качества оформления врачебно-экспертных документов и усиления контроля за выполнением программы реабилитации инвалидов.
