Молекулярные механизмы действия ионизирующего излучения. Влияние облучения на белок (обзор литературы)

Целевые эффекты (прямое и косвенное действие). При воздействии ионизирующее излучение повреждает жизненно важные внутриклеточные биомолекулы, что приводит к множественным повреждениям клеток и тканей, а также к патофизиологическим заболеваниям, таким как воспаление, иммуносупрессия и т.д. Такие повреждения могут быть вызваны прямой ионизацией биомолекул, но почти в 70% случаев за счет косвенного радиолиза внутриклеточной воды с образованием активных форм кислорода и свободных радикалов, что в конечном итоге вызывает окислительный стресс.

Нецелевые эффекты (абсцедирующий эффект, адаптивный ответ, эффект стороннего наблюдателя и геномная нестабильность). За последние 25 лет во многих исследованиях были изучены молекулярные механизмы, лежащие в основе нецелевых эффектов (также известными как эффекты, не нацеленные на ДНК). Показано, что данные эффекты являются результатом огромного динамического и комплексного процесса, индуцируемого в облученных клетках, передаваемого соседним клеткам и, в некоторой степени, всему организму через активацию иммунной системы.

Влияние облучения на белок. При прямом действии ионизирующего излучения на белок из него выбивается электрон, в результате чего образуется дефектный участок, лишенный электрона, который мигрирует по полипептидной цепи за счет переброски электронов до тех пор, пока не достигнет участка с повышенными электрон-донорными свойствами. В этом месте в боковых цепях аминокислот возникают свободные радикалы. При косвенном действии ионизирующего излучения образование свободных радикалов происходит при взаимодействии белковых молекул с продуктами радиолиза воды.

1. Masse, R. Rayonnements ionisants / R. Masse // Comptes Rendus de l'Académie des Sciences – Series III – Sciences de la Vie. – 2000. – Vol. 323, №7. – P. 633-640. https://doi.org/10.1016/ s0764-4469(00)00160-8.

2. Богданов, И. М. Проблема оценки эффектов воздействия «малых доз» ионизирующего излучения / И.М. Богданов, М.А. Сорокина, А.И. Маслюк // Бюллетень сибирской медицины. – 2005. – № 2. – С. 145-151.

3. Guéguen, Y. Adaptive responses to low doses of radiation or chemicals: their cellular and molecular mechanisms / Y. Guéguen, A. Bontemps, T.G. Ebrahimian // Cellular and Molecular Life Sciences. – 2019. – Vol. 76, №7. – P. 1255-1273. https://doi.org/10.1007/ s00018-018-2987-5.

4. Preventative and therapeutic effects of lowdose ionizing radiation on the allergic response of rat basophilic leukemia cells / H.M. Joo [et al.] // Scientific Reports. – 2019. – Vol. 9, №1. – P. 16079. https://doi. org/10.1038/s41598-019-52399-9.

5. Courtade-Saïdi, M. The biological effects of very low-doses of ionizing radiation at the occupational exposure level / M. Courtade-Saïdi // Morphologie. – 2007. – Vol. 91, № 294. – P. 166-172. https://doi. org/10.1016/j.morpho.2007.10.008.

6. Радиационная медицина: учебник / А.Н. Стожаров [и др.]. – Минск: «ИВЦ Минфина», 2010. – 208 с.

7. Основы медицинской радиобиологии / Н.В. Бутомо [и др.]. – С.-Пб.: «Фолиант», 2004. – 384 с.

8. Котеров, А.Н. Разнонаправленное изменение антиоксидантной активности в плазме (сыворотке) крови млекопитающих после воздействия радиации в большой и малой дозе / А.Н. Котеров, Г.И. Сидорович // Радиационная биология. Радиоэкология. – 2009. – Т. 49, № 6. – С. 671-680.

9. Continuous exposure to low-dose-rate gamma irradiation reduces airway inflammation in ovalbumininduced asthma / J. S. Kim [et al.] // PLOS ONE. – 2015. – Vol. 10, №11. – P. e0143403. https://doi. org/10.1371/journal.pone.0143403.

10. Булдаков, Л.А. Позитивные эффекты облучения животных и человека в малых дозах ионизирующего излучения / Л.А. Булдаков, В.С. Калистратова // Медицинская радиология и радиационная безопасность. – 2005. – Т. 50, № 3. – С. 61-71.

11. Голивец, Т.П. Актуальные аспекты радиационного канцерогенеза: проблема оценки эффектов воздействия «малых» доз ионизирующего излучения. Аналитический обзор / Т.П. Голивец, Б.С. Коваленко, Д.В. Волков // Научные ведомости. Серия Медицина. Фармация. – 2012. – № 16 (135), Вып. 19. – С. 5-13.

12. Ушаков, И.Б. Отдаленные последствия при условно малых дозах облучения (обзор литературы) / И.Б. Ушаков, Б.И. Давыдов, С.К. Солдатов // Медицина труда и промышленная экология. – 2000. – № 1. – С. 21-25.

13. Информационный подход к оценке механизмов и последствий действия на живой организм ионизирующих излучений в малых дозах / К.Я. Буланова [и др.] // Вести НАН Беларуси. Серия мед. наук. – 2006. – № 1. – С. 109-122.

14. Ивановский, Ю.А. Радиационный гормезис. Благоприятны ли малые дозы ионизирующей радиации? / Ю.А. Ивановский // Вестник ДВО РАН. – 2006. – № 6. – С. 86-91.

15. Багель, И.М. Влияние малых доз радиации на человека (биологические и медицинские аспекты): пособие / И.М. Багель, Л.М. Мажуль, Г.Г. Гацко. – Минск : БГУФК, 2007. – 60 с.

16. Park, B.S. Foxp3+-Treg cells enhanced by repeated low-dose gamma-irradiation attenuate ovalbumin-induced allergic asthma in mice / B.S. Park, G.U. Hong, J.Y. Ro // Radiation Research. – 2013. – Vol. 179, №5. – P. 570-583. https://doi.org/10.1667/ RR3082.1.

17. Low-dose radiation prevents type 1 diabetesinduced cardiomyopathy via activation of AKT mediated anti-apoptotic and anti-oxidant effects / F. Zhang [et al.] // Journal of Cellular and Molecular Medicine. – 2016. – Vol. 20, №7. – P. 1352-1366. https://doi. org/10.1111/jcmm.12823.

18. Петин, В.Г. Анализ действия малых доз ионизирующего излучения на онкозаболеваемость человека / В.Г. Петин, М.Д. Пронкевич // Радиация и риск. – 2012. – Т. 21, №1. – С. 39-57.

19. Малые дозы ионизирующего излучения как радиомодифицирующий фактор / Г.С. Календо [и др.] // Гигиена и санитария. – 2001. – № 1-3. – С. 14-16.

20. Бурлакова, Е.Б. Действие сверхмалых доз биологически активных веществ и низкоинтенсивных физических факторов / Е.Б. Бурлакова, А.А. Конрадов, Е.Л. Мальцева // Химическая физика. – 2003. – Т. 22, № 2. – С. 21-40.

21. Коваленко, А.Н. Системные радиационные синдромы / А.Н. Коваленко, В.В. Коваленко. – Николаев: Изд-во НГГУ им. Петра Могилы, 2008. – 248 с.

22. Pouget, J.-P. Targeted and off-target (bystander and abscopal) effects of radiation therapy: redox mechanisms and risk-benefit analysis / J.-P . Pouget, A. Georgakilas, J.-L. Ravanat // Antioxidants and Redox Signaling. – 2018. – Vol. 29, №15. – P. 1447- 1487. https://doi.org/10.1089/ars.2017.7267.

23. Bala, A. Concerted action of Nrf2-ARE pathway, MRN complex, HMGB1 and inflammatory cytokines-implication in modification of radiation damage / A. Bala, M. Bala // Redox Biology. – 2014. – Vol. 2. – P. 832-846. https://doi.org/10.1016/j. redox.2014.02.008.

24. A recombinant MnSOD is radioprotective for normal cells and radiosensitizing for tumor cells / A. Borrelli [et al.] // Free Radical Biology and Medicine. – 2009. – Vol. 46, № 1. – P. 110-116. https://doi. org/10.1016/j.freeradbiomed.2008.10.030.

25. Molecular hydrogen as a potential clinically applicable radioprotective agent / S.-I. Hirano [et al.] // International Journal of Molecular Sciences. – 2021. – Vol. 22, №9. – P. 4566. https://doi.org/10.3390/ ijms22094566.

26. Berlett, B.S. Designing antioxidant peptides / B.S. Berlett, R.L. Levine // Redox Report. – 2014. – Vol. 19, №2. – P. 80-86. https://doi.org/10.1179/13510 00213Y.0000000078.

27. Geant4-DNA modeling of water radiolysis beyond the microsecond: an on-lattice stochastic approach / H.N. Tran [et al.] // International Journal of Molecular Sciences. – 2021. – Vol. 22, №11. – P. 6023. https://doi.org/10.3390/ ijms22116023.

28. Ultra-high dose-rate, pulsed (FLASH) radiotherapy with carbon ions: generation of early, transient, highly oxygenated conditions in the tumor environment / A.M. Zakaria [et al.] // Radiation Research. – 2020. – Vol. 194, №6. – P. 587-593. https:// doi.org/10.1667/RADE-19-00015.1.

29. Ultrafast processes occurring in radiolysis of highly concentrated solutions of nucleosides/tides / J. Ma [et al.] // International Journal of Molecular Sciences. – 2019. – Vol. 20, №19. – P. 4963. https://doi. org/10.3390/ijms20194963.

30. Impact of target oxygenation on the chemical track evolution of ion and electron radiation / D. Boscolo [et al.] // International Journal of Molecular Sciences. – 2020. – Vol. 21, №2. – P. 424. https://doi. org/10.3390/ijms21020424.

31. Lai, Y. Modeling the effect of oxygen on the chemical stage of water radiolysis using GPU-based microscopic Monte Carlo simulations, with an application in FLASH radiotherapy / Y. Lai, X. Jia, Y. Chi // Physics in Medicine and Biology. – 2021. – Vol. 66, №2. – P. 025004. https://doi.org/10.1088/1361-6560/ abc93b.

32. A new paradigm in radioadaptive response developing from microbeam research / H. Matsumoto [et al.] // Journal of Radiation Research. – 2009. – Vol. 50. – P. A67- A79. https://doi.org/10.1269/jrr.09003S.

33. Signaling pathways underpinning the manifestations of ionizing radiation-induced bystander effects / N. Hamada [et al.] // Current Molecular Pharmacology. – 2011. – Vol. 4, №2. – P. 79-95. https://doi.org /10.2174/1874467211104020079.

34. Радиация и патология: учеб. пособие / А.Ф. Цыб [и др.]. – М. : «Высшая школа», 2005. – 341 с.

35. Widel, M. Radiation-induced bystander effect: the important part of ionizing radiation response. Potential clinical implications / M. Widel, W. Przybyszewski, J. Rzeszowska-Wolny // Postepy Hig. Med. Dosw. (Online). – 2009. – Vol. 63. – P. 377-388.

36. Rescue effects in radiobiology: unirradiated bystander cells assist irradiated cells through intercellular signal feedback / S. Chen [et al.] // Mutation Research. – 2011. – Vol. 706, №1-2. – P. 59-64. https:// doi.org/10.1016/j.mrfmmm.2010.10.011.

37. Monte Carlo studies on photon interactions in radiobiological experiments / M.S. Beni [et al.] // PLOS ONE. – 2018. – Vol. 13, №3. – P. e0193575. https://doi. org/10.1371/journal.pone.0193575.

38. Пикаев, А.К. Современная радиационная химия. Радиолиз газов и жидкостей / А.К. Пикаев. – Москва: «Наука», 1986. – 439 с.