Механизмы репарации радиационных повреждений

Повреждение ДНК как основная мишень и триггер репарации

Ионизирующее излучение, включая гамма-лучи, рентгеновское и корпускулярное излучение, воздействует на биологические ткани, в первую очередь инициируя повреждения на уровне молекул ДНК. Наиболее критичными считаются:

  • однонитевые разрывы (ОНР)
  • двухнитевые разрывы (ДНР)
  • повреждения оснований
  • поперечные сшивки между цепями ДНК и белками
  • образование кластерных повреждений, включающих множественные повреждения в пределах 1–2 витков двойной спирали

ДНР представляют наибольшую опасность, так как могут привести к хромосомным аберрациям, мутациям или апоптозу. Ответ клетки на такие повреждения включает сложные механизмы сенсинга, активации сигнальных путей и запуска репарации.

Сенсинг и инициация клеточного ответа

Повреждения ДНК активируют специализированные белки-сенсоры. Наиболее важные из них:

  • MRN-комплекс (MRE11-RAD50-NBS1) — узнаёт ДНР и рекрутирует белок ATM (ataxia telangiectasia mutated)
  • ATM и ATR (ATM and Rad3-related) — киназы, которые фосфорилируют более 700 субстратов, вовлекаясь в регуляцию клеточного цикла, апоптоза и механизмов репарации
  • γ-H2AX — фосфорилированная форма гистона H2AX, служащая маркером разрыва и платформой для сборки репарационного комплекса

Основные пути репарации повреждений ДНК

Репарация однонитевых разрывов и оснований

  1. Базовая эксцизионная репарация (BER) Используется при модификациях оснований и ОНР. Последовательность этапов:

    • узнавание повреждения гликозилазой
    • вырезание основания
    • удаление дезоксирибозы
    • заполнение пробела ДНК-полимеразой β
    • лигирование фрагмента ДНК-лигазой III или I

  2. Нуклеотидная эксцизионная репарация (NER) Применяется при объемных повреждениях, например, пиримидиновых димерах. Характерна для устранения ионизационно-индуцированных кластерных повреждений.

Репарация двухнитевых разрывов

  1. Негомологичное соединение концов (NHEJ, Non-Homologous End Joining) Быстрый, но ошибочный путь. Ключевые белки:

    • Ku70/Ku80 связывают концы ДНК
    • DNA-PKcs активирует комплекс Artemis
    • XRCC4 и DNA-лигаза IV осуществляют лигирование Может приводить к делециям, инсерциям или мутациям на месте разрыва.

  2. Гомологичная рекомбинация (HR, Homologous Recombination) Высокоточный путь, активен в S/G2 фазах клеточного цикла. Механизм включает:

    • узнавание разрыва MRN-комплексом и активацию ATM
    • 5’–3’ резекцию концов с образованием 3’-однонитевых участков
    • покрытие этих участков белками RPA и последующая замена на RAD51
    • поиск гомологичного шаблона на сестринской хроматиде
    • синтез новой цепи по матрице
    • разрешение рекомбинационной структуры и восстановление целостности
Альтернативные пути репарации
  • Alt-EJ (альтернативное соединение концов) Использует микро-гомологичные последовательности, отличается высокой мутагенностью.
  • Single-Strand Annealing (SSA) Активен при наличии повторяющихся последовательностей, ведет к потере информации между повторами.

Клеточные сигнальные пути и контроль цикла

Повреждение ДНК активирует контрольно-пропускные пункты (checkpoints) клеточного цикла:

  • G1/S — контроль перед репликацией
  • G2/M — контроль перед митозом

Киназы ATM и ATR активируют p53, CHK1/CHK2, что приводит к остановке цикла, давая клетке время на репарацию. При необратимых повреждениях запускается путь апоптоза через каспазы или митохондриальный путь.

Роль хроматина и эпигенетики в репарации

Уплотнение хроматина влияет на доступность поврежденного участка для репарационных белков. Фосфорилирование, ацетилирование и убиквитинирование гистонов модулируют локальную структуру хроматина:

  • γ-H2AX образует фокус повреждения
  • Ubiquitin-модификация H2A и H2B привлекает белки репарации (RNF8, RNF168)
  • Ацетилтрансферазы (Tip60, p300) ослабляют взаимодействие между гистонами и ДНК, облегчая доступ к разрыву

Клеточный стресс, радиочувствительность и мутации

Эффективность репарации радиационных повреждений зависит от генетического статуса клетки. Мутации в генах ATM, BRCA1/2, NBS1, XRCC4, LIG4 приводят к синдрому повышенной радиочувствительности, хромосомной нестабильности, раку и иммунодефициту. Например:

  • Ataxia-telangiectasia — мутация ATM
  • Синдром Луи-Барра — дефекты в распознавании ДНР
  • Синдром Блума и Фанкони — нарушения HR

Адаптация и радиорезистентность

Некоторые клетки, особенно опухолевые, демонстрируют повышенную радиорезистентность благодаря:

  • гиперэкспрессии белков HR и NHEJ (например, RAD51, Ku80)
  • подавлению апоптоза через p53-модификацию
  • усиленной детоксикации ROS (через супероксиддисмутазу, каталазы и глутатион)

Эти особенности учитываются в радиотерапии при подборе доз, схем облучения и использовании радиосенсибилизаторов.

Перспективы модуляции репарации в медицине

Фармакологическое ингибирование путей репарации (например, ингибиторы PARP, ATM, DNA-PK) используется в онкологии для повышения эффективности лучевой и химиотерапии. Ключевой стратегией является принцип синтетической летальности, когда комбинированное ингибирование двух путей приводит к гибели клетки, в отличие от индивидуального угнетения каждого из них.

Репарация радиационных повреждений — критически важный биофизический процесс, лежащий в основе радиобиологии, канцерогенеза, радиотерапии и общей устойчивости клеток к внешним стрессам.

Оглавление