Spontánní versus radiační poškození DNA

Jedním ze zásadních problémů radiační ochrany je pojem „zanedbatelné dávky“. Tento problém „praktické nuly“ a jeho řešení je ústřední pro naše chápání sporu o existenci „bezpečné“ dávky ionizujícího záření. Velmi nízké hladiny mutagenů a karcinogenů volně se vyskytujících v přírodě (environmentálních), včetně nízkých dávek záření, mohou mít biologické důsledky v případě, že zároveň již existuje nějaké spontánní nebo samočinné vnitřní (endogenní) poškození DNA. Právě tomuto problému se věnuje článek od Daniela Billena z divize lékařských věd na Oak Ridge Associated Univerzity.

Následující diskuse je záměrně omezena na srovnání záření s nízkým LET (linear energy transfer, lineární přenos energie, méně než 0,01 Gy = 1 cGy), protože působí především nepřímo: buněčná DNA je poškozena OH radikály (hydroxylovými radikály) vzniklými účinkem záření. Uvádí se, že nepřímé účinky záření s nízkou hladinou LET za aerobních podmínek představují 50 % – 85 % naměřeného radiačního poškození v buňkách (5, 6). (Naproti tomu záření s vysokým LET vytváří jedinečné poškození DNA (7) primárně s přímými účinky (5), u kterých je méně pravděpodobné, že si je organismus správně opraví (7).)

V každé savčí buňce probíhá 10 000 měřitelných událostí modifikace DNA každou hodinu

Spontánní (samovolná vnitřní) modifikace buněčné DNA je všudypřítomná a pravděpodobně je hlavní příčinou mutací při rakovině (9) a dalších onemocněních (10). Dokumentace této vnitřní přeměny DNA se v posledních letech rozrostla rychlým tempem a nezůstala bez povšimnutí současných radiobiologů. Setlow (11) a nověji Saul a Ames (12) shrnuli poznatky Lindahla a Karlstroma (13) a dalších (14), které naznačují, že v každé savčí buňce dochází v důsledku vnitřních příčin k přibližně 10 000 měřitelným událostem modifikace DNA za hodinu bez jakéhokoliv vlivu ionizujícího záření produkovaného lidskou činností.

Současná radiační literatura ukazuje, že v důsledku radiace s nízkým LET se za hodinu vyskytne 100 (nebo méně) měřitelných změn DNA na savčí buňku. Lidské a jiné savčí buňky proto každou hodinu podstoupí alespoň 50-100krát větší spontánní nebo přirozené poškození DNA, než jaké by bylo důsledkem vystavení dávce 0,01 Gy ionizujícího záření. Vzhledem k tomu, že radiační pozadí na většině zeměkoule je obvykle nižší než 1-2 mSv/rok, lze dojít k závěru, jak ukazují Muller a Mott-Smith (15), že „spontánní poškození DNA je způsobeno primárně jinými příčinami než ionizujícím zářením pozadí.“

„Vnitřní“ neboli spontánní poškození DNA

DNA není tak strukturálně stabilní, jak se dříve myslelo. Naopak se zdá, že existuje přirozený výskyt chemických a fyzikálních lézí (poruch struktury) vnesených do buněčné DNA tepelným i oxidativním poškozením. V průběhu evoluce si mnoho buněk vyvinulo biochemické mechanismy pro opravu nebo bypass (překlenutí) těchto lézí. Některé z běžnějších „přirozených“ změn DNA jsou depurinace, depyrimidinace, deaminace, jednořetězcové zlomy (SSB), dvouřetězcové zlomy (DSB), modifikace bází a zesíťování protein-DNA. Jsou způsobeny termodynamickými rozpadovými procesy a také reaktivními molekulami, které vznikají při metabolických procesech a vytvářejí volné radikály, jako jsou OH, peroxidy a reaktivní formy kyslíku.

Shapiro (14) nedávno rozebral a shrnul frekvenci, s jakou dochází k různým druhům spontánního poškození DNA. Události spontánního poškození DNA na buňku za hodinu jsou uvedeny v tabulce. U jednovláknové DNA savčích buněk dochází k alespoň 8 × 10³ poškozením buňky za hodinu, u dvouvláknové DNA dochází k 6 × 10³ poškozením za hodinu (tabulka I). Z údajů shrnutých v tabulce I se jeví, že můžeme tedy použít odhad 8 × 10³ událostí poškození DNA v buňce za hodinu jako rozumný průměr pro účely diskuse. To znamená 1,9 × 10⁵ spontánních událostí poškozujících buněčnou DNA v buňce za den neboli 7 × 10⁷ za rok u savců včetně lidí (tabulka II). Celoživotní zatížení spontánními událostmi poškození DNA na buňku je pak řádově 5 × 10⁹, pokud je u člověka odhadovaná průměrná délka života 75 let.

Poškození DNA způsobené ozářením

Několik nedávných přehledů shrnuje typy a množství změn DNA v buňkách způsobených vystavením záření s nízkou hladinou LET (16–18).

Odhad přibližně 100 událostí DNA za hodinu v každé buňce při 1 cGy použitý v této diskusi je založen na informacích obsažených v recenzích od Warda (16, 20) a předpokládá molekulovou hmotnost savčí genomové DNA 6 × 10¹² Da, což představuje přibližně 1 % z hmotnosti buněk. (Pozn.: Značka Da, angl. dalton, jednotka molekulové hmotnosti, je nazvaná podle Johna Daltona. Má hodnotu jedné dvanáctiny hmotnosti uhlíku ¹²C, přesně dle normy IEC je 1 Da = 1 u = 1,660 538 782(83) × 10⁻²⁷ kg (CODATA 2006). Patří mezi jednotky povolené k užívání s SI – třeba jako litr nebo den – a běžně se používá pro vyjádření molekulové hmotnosti biomakromolekul.)

Ward [Tabulka II (16)] uvádí množství energie uložené v různých složkách DNA na buňku v Gy. Z této tabulky je vypočítáno celkem 13,3 DNA událostí na cGy. Jeho odhad poškozených míst v DNA na buňku v centigrayích je 10-100. Zvolili jsme zde odhad 100 lézí, abychom provedli co nejrozumnější konzervativní srovnání se spontánním poškozením DNA (tabulka II). Tento počet poškozených míst by zahrnoval přímé i nepřímé poškození DNA.

Spontánní vs. indukované modifikace DNA a jejich biologické následky

Wallace nedávno zhodnotil povahu lézí DNA způsobených aktivními oxidačními látkami produkovanými jak přirozeně, tak zářením s nízkým LET (17). Oxidační radikály a zejména OH radikály vzniklé z obou příčin produkují podobné typy lézí DNA (17-19). Enzymy podílející se na jejich opravě jsou podobné, ať už je poškození DNA produkováno spontánně nebo radiací. Na opravě poškození bází se podílejí DNA glykosylázy a endonukleázy. Jiné nukleázy jsou dostupné pro opravu poškození cukrem (17). Rozpoznání místa poškození příslušnými enzymy nezávisí na iniciační události, ale na chemické povaze konečného produktu. Tyto konečné produkty se zdají být podobné, ať už jsou vyvolány přírodními příčinami nebo zářením (17). (Pozn. red.: Pokud vás v odstavci výše překvapil „cukr“, pak vězte, že sacharidy v potravě se pečením nebo smažením mění v akrylamid, který se v těle přeměňuje (mimo jiné) na glycidamid – látku, která je genotoxická (poškozuje DNA).)

Tabulka 1

Odhadované počty spontánní degradace DNA v buňce za hodinu

(výpočet Shapiro (14))

Tabulka 2

Počet poškození DNA živočišné buňky

^(a) Ward (20)

^(b) Vzhledem k tomu, že dochází k jinému poškození DNA způsobenému zářením, např. síťování DNA-protein a modifikace bází (18), používá se 100 událostí/cGy jako přibližná hodnota pro snadné srovnání se spontánními událostmi.

Množství a distribuce každé třídy lézí se však může výrazně lišit. Jak bylo naznačeno dříve, zdá se, že při radiačním poškození je relativně méně zlomů řetězce DNA než vyplývajících ze spontánních příčin. Velká část z nich může být výsledkem depurinace (tabulka I). Mnoho zlomů řetězce DNA způsobených zářením s nízkou hladinou LET není schopno vyvolat DNA polymerázu (23). Existují však endo- a exonukleázy, které mohou obnovit tyto blokující konce na čisté konce a umožnit dokončení procesu opravy (17). Existuje silná korelace mezi přerušením obou větví dvoušroubovice DNA (Double Strand Break, DSB) a letalitou v savčích buňkách pro záření s nízkou LET. Zatímco množství DSB produkovaných ionizujícím zářením je poměrně dobře zdokumentováno, neplatí to pro spontánní produkci DSB v savčích buňkách. Při spontánním rozpadu DNA je tvorba DSB pravděpodobně výsledkem jednořetězcových událostí vyskytujících se v těsné blízkosti každého dceřiného řetězce.

Jak je to se zanedbatelnou dávkou

Srovnání poškození DNA vyvolaného nízkým LET zářením s poškozením, ke kterému dochází spontánně, ukazuje Tabulka II. Během života savčích a jiných buněk může spontánně nastat relativně velký počet událostí poškození DNA.

Dávka 1 cGy dodávaná rovnoměrně během 1 roku by způsobila (v průměru) méně než 1 událost poškození DNA na buňku za den. Srovnejme to s 2 × 10⁵ přirozených událostí způsobených v každé buňce za den. Z těchto čísel se zdá rozumné předpokládat, že existuje „zanedbatelná“ dávka v rozsahu roční radiační dávky našeho pozemského pozadí, zhruba 1 mSv (10 událostí DNA na každou buňku za rok), což můžeme srovnat s přibližně 7 × 10⁷ událostí DNA v každé buňce za rok způsobených spontánními příčinami.

Účinky záření srovnatelného s přírodním pozadím jsou zanedbatelné

Nicméně je důležité, aby byly provedeny další studie o účincích ionizujícího záření a spontánních událostí na rozpad a opravu DNA, aby bylo možné lépe porozumět praktickým zdravotním důsledkům nízkých a dlouhodobých dávek záření (2, 9, 25).

Zdroj: Billen-1990_SpontaneousDNAdamage-RadProt.pdf

BILLEN, D. Spontaneous DNA Damage and Its Significance for the „Negligible Dose“ Controversy in Radiation Protection. Radiat. Res. 124, 242-245 (1990). AcademicP ress, I nc.

REFERENCE:

1. J. P. DAVIST, he futureo f the de minimusc oncept.H ealthP hys.5 5, 379-382 (1988).
2. National Research Council, Committee on the Biological Effects of Ionizing Radiation, Health Effects of Exposure to Low Levels of Ionizing Radiation (BEIR V). National Academy Press, Washington, DC, 1990.
3. NCRP, Recommendations on Limits for Exposure to Ionizing Radiation, Report 9 1. National Council on Radiation Protection and Measurements, Bethesda, M D, 1987.
4. H. H. Rossi, The threshold question and the search for answers. Radiat. Res. 119, 576-578 (1989).
5. R. ROOTS, A . CHATTERJEE, P. CHANG, L. LOMMEL and E. A. BLAKELY, Characterization of hydroxyl radical-induced damage after sparsely and densely ionizing irradiation. Int. J. Radiat. Biol. 47, 157-166 (1985).
6. D. BILLEN, Free radicals cavenging and the expression of potentially lethal damage in X-irradiated repair-deficient Escherichia coli. Radiat. Res. 111, 354-360 (1987).
7. M. A. RITTER, J. A. CLEAVER, and C. A. TOBIAS, High-LET radiations induce a large proportion of non-rejoining DNA breaks. Nature 266, 653-655 (1977).
8. J. W. DRAKE, B. W. GLICKMAN, and L. S. RIPLEY, Updating the theory of mutation! Am. Sci. 71, 621-630 (1983).
9. B. N. AMES and C. E. CROSS ,Oxygen radicals and human disease. Ann. Intern. Med. 107, 526-545 (1987).
10. B. HALLIWELL, Oxidants and human disease: Some new concepts. FASEB J. 1, 358-364 (1987).
11. R. B. SETLOW, DNA repair, aging and cancer. Natl. Cancer Inst. Monogr. 60, 249-255 (1982).
12. R. L. SAUL and B. N. AMES, Background levels of DNA damage in the population. Basic Life Sci. 38, 529-535 (1986). 244
13. R. SHAPIRO, Damage to DNA caused by hydrolysis. In Chromosome Damage and Repair (E. Seeberg and K. Kleppe, Eds.), pp. 3-18. Plenum, New York, 1981.
14. H. J. MULLER and L. M. MOTT-SMITH, Evidence that natural radioactivity is inadequate to explain the frequency of natural mutations. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 16, 277-285 (1935).
15. J. F. WARD, DNA damage produced by ionizing radiation in mammalian cells: Identities, mechanism of formation, and repairability. Prog. Nucleic Acid Res. Mol. Biol. 35, 95-125 (1988).
16. S. S. WALLACE, AP-endonucleases and DNA-glycosylases that recognize oxidative DNA damage. Environ. Mol. Mutagen. 12, 431-477 (1988).
17. F. HUTCHINSON, Chemical changes induced in DNA by ionizing radiation. Prog. Nucleic Acid Res. Mol. Biol. 32, 115-154 (1985).
18. H. JOENJE, Genetic toxicology of oxygen. Mutat. Res. 219, 193-208 (1989).
19. J. F. WARD, Radiation chemical methods of cell death. In Proceedings of the 8th International Congress of Radiation Research (E. M. Fielden, J. F. Fowler, J. H. Hendry, and D. Scott, Eds.), Vol. II, pp. 162-168. Taylor & Francis, London, 1987.
20. J. POHL-RULING, P. FISCHER, and 0. HAAS, Effect of low-dose acute x-irradiation on the frequencies of chromosomal aberrations in human peripheral lymphocytes in vitro. Mutat. Res
21. J. POHL-RULING, P. FISCHER, and 0. HAAS, Effect of low-dose acute x-irradiation on the frequencies of chromosomal aberrations in human peripheral lymphocytes in vitro. Mutat. Res. 110, 71-82 (1983).
22. S. WOLF, Are radiation-induced effects hormetic? Science 245, 575 (1989).
23. C. VON SONNTAG, U. HAGEN, A. SCHON-BOPP, and D. SHUTT-FROHLINDE, Radiation-induced strand breaks in DNA: Chemical and enzymatic analysis of end groups and mechanistic aspects. Adv. Radiat. Biol. 9, 109-142 (1981).
24. H. I. ADLER and A. M. WEINBERG, An approach to setting radiation standards. Health Phys. 52, 663-669 (1987).

25. J. R. TOTTER, Spontaneous cancer and its possible relationship to oxygen metabolism.