Из цикла Премии ОИЯИ 2019

На ежегодном конкурсе работ на соискание премии ОИЯИ циклу исследований, выполненных сотрудниками Лаборатории радиационной биологии (А. В. Борейко, Т. С. Буланова, М. Г. Заднепрянец, Е. А. Красавин, Е. А. Круглякова, Е. В. Смирнова, Г. Н. Тимошенко) «Исследование закономерностей и механизмов формирования молекулярных нарушений в генетических структурах клеток человека и млекопитающих при действии ускоренных тяжелых ионов низких и промежуточных энергий», была присуждена первая премия ОИЯИ. В марте этого года Еженедельник ОИЯИ обратился к научному руководителю ЛРБ члену-корреспонденту РАН Е. А. Красавину с просьбой прокомментировать эти разработки.

Представленные на конкурс работы были выполнены радиобиологами лаборатории в последние десять лет, хотя предыстория исследований в ОИЯИ в этой актуальной области радиобиологии насчитывает более трех десятилетий. Работы связаны с изучением закономерностей и механизмов формирования нарушений структуры ДНК при действии ионизирующих излучений с разными физическими характеристиками. Специалистами-радиобиологами давно установлены типы различных нарушений структуры ДНК — главной структуры-мишени действия радиации на живые клетки. Используя различные методы, радиобиологи установили, что ионизирующие излучения вызывают образование широкого спектра нарушений структуры молекулы ДНК. К ним относятся: разрывы одной нити двуцепочечной молекулы ДНК, одновременные разрывы обеих нитей, повреждения оснований (их четыре и они составляют структуру генетического кода), межмолекулярные сшивки ДНК-ДНК и ДНК-белок, повреждения сахара — дезоксирибозы. Это так называемые «одиночные» повреждения и большинство из них восстанавливаются (репарируются) молекулярно-биохимическими механизмами клеток. Среди этого спектра нарушений генетических структур наиболее тяжелыми являются двунитевые разрывы ДНК. Именно они приводят клетки к гибели, вызывают мутации хромосом, являются молекулярной основой инициации раковых заболеваний. Вместе с тем, как оказалось, при облучении живых клеток могут формироваться не только «одиночные» повреждения ДНК, но и более тяжелые нарушения кластерного типа. Они являются крайне тяжелыми нарушениями генетических структур.

Впервые возможность формирования такого типа повреждений ДНК при облучении была высказана в ОИЯИ более тридцати лет назад в работах Е.А.Красавина и С. Козубека — чехословацкого ученого, работавшего в интернациональной группе радиобиологов ОИЯИ. Было предсказано и обосновано, что при действии ионизирующих излучений с разными физическими характеристиками возможно формирование кластерных повреждений ДНК, когда, например, возникает однонитевой разрыв двуцепочечной молекулы ДНК и одновременно с этим повреждением нарушается структура рядом расположенного основания или сразу двух оснований на той же нити. Возможны другие комбинации с вовлечением оснований, принадлежащих другой — оппозитной нити и т.д. Различные комбинации повреждений могут формироваться с участием двух нитей ДНК, а это, как можно ожидать, более тяжелые типы повреждений. Одновременно с нашими работами американские коллеги также пришли к выводу о возможности формирования в молекуле ДНК такого рода повреждений. Об этом я узнал, когда в ходе моего визита в США в начале 90-х годов посетил Институт военной радиобиологии в Вашингтоне (AFFRI), где выступал с докладом и беседовал с коллегами.

В ОИЯИ мы активно продолжили такого рода исследования, используя, главным образом, расчетные методы, основанные на применении пакетов программ, которые были разработаны нашими коллегами кафедры теоретической физики Челябинского госуниверситета (программа TRION). По признанию наших коллег из США, это была лучшая разработка для оценки характера энерговыделения тяжелыми заряженными частицами при прохождении их через наноструктуры, в том числе ДНК, диаметр нити которых составляет 2 нм. К нам в отдел приехал молодой выпускник Карлова университета в Праге Веслав Михалик, и я поручил ему на основе этого программного пакета провести расчеты выхода различных комбинаций повреждений ДНК, формирующихся на одной и двух нитях ДНК в широком диапазоне линейных передач энергии ионизирующих излучений. Он успешно справился с этой работой.

Надо заметить, что вначале, в 1980-1990-х годах, специалисты-радиобиологи отнеслись к возможности формирования нового класса повреждений ДНК при облучении с непониманием и скепсисом. Я вспоминаю мой доклад в Научном совете РАН по проблемам радиобиологии, где мне пришлось приложить немало усилий для детального разъяснения развиваемых нами представлений слушателям. В настоящее время все эти новые взгляды на специфику формирования повреждений ДНК общеприняты, есть много публикаций на эту тему, проводятся специализированные конференции.

Продемонстрировать в эксперименте характер образования кластерных повреждений ДНК при облучении живых клеток, определить их роль в формировании различных радиационно-индуцированных эффектов позволил уникальный метод визуализации отдельных повреждений в ядрах живых клеток. Этот метод основан на иммуноцитохимическом определении комбинации таких повреждений, что позволяет анализировать, используя современную технику трехмерного микроскопирования в ультрафиолетовом световом диапазоне, не только количество кластерных повреждений, но и определять их состав. Этот метод блестяще поставлен в нашей лаборатории в секторе молекулярной радиобиологии (руководитель — доктор биологических наук А.В.Борейко) и позволил получить уникальные данные о характере молекулярных нарушений генетических структур в нормальных и злокачественных клетках человека при действии разных типов излучений и, что наиболее важно, при действии ускоренных тяжелых ионов.

Выполненные исследования позволят решать широкий круг вопросов в области космической радиобиологии, радиационной медицины, радиационной генетики и других областях.