Ядерные аномалии соматических клеток как универсальные индикаторы воздействия ионизирующего излучения

Для оценки влияния ионизирующего излучения на здоровье человека, а также на состояние природных экосистем в зонах повышенного радиационного загрязнения необходимы универсальные методы биоиндикации и биодозиметрии. Цель обзора – подробное освещение известных ядерных аномалий соматических клеток различных организмов как универсальных радиоспецифических биомаркеров. Рассмотрены современные и исторические, иностранные и отечественные литературные данные, посвященные изучению ядерных аномалий, возникающих в связи с воздействием генотоксических агентов. Специфическим эффектом ионизирующего излучения, проявляющимся в соматических клетках различных организмов, являются двунитевые разрывы ДНК с последующим формированием хромосомных аберраций нестабильного типа. Эти аберрации лежат в основе появления нескольких типов ядерных аномалий в интерфазе клетки. Среди таких аномалий выделяют микроядра, «хвостатые» ядра, хроматиновые мосты, а также гантелевидные ядра. Обнаружение ядерных аномалий в соматических клетках не только человека, но и растений, и животных позволяет сделать вывод о том, что данные изменения структуры ядра являются универсальными маркерами воздействия ионизирующего излучения. Использование совокупности данных видов кариопатологии в качестве радиоспецифических биондикаторов представляется перспективным для создания универсального протокола биодозиметрического теста для комплексной оценки состояния природных экосистем и здоровья человека в условиях радиационного загрязнения.

1. Демченко Н.П., Калимова И.Б. Динамика роста, пролиферация и дифференциация клеток корней пшеницы под воздействием никеля в высокой концентрации // Физиология растений. 2008. Т. 55, № 6. С. 874–885. Demchenko N.P., Kalimova I.B. Dinamika rosta, proliferacija i differenciacija kletok kornej pshenicy pod vozdejstviem nikelja v vysokoj koncentracii [Dynamics of growth, proliferation and differentiation of wheat root cells exposed to a high nickel concentration]. Fiziologija rastenij [Soviet Plant Physiology]. 2008. Vol. 55, N 6. Pp. 874–885. (In Russ.)

2. Ильинских Н.Н., Васильев С.А., Кравцов В.Ю. Микроядерный тест в скрининге и мониторинге мутагенов. Saarbrucken : Lambert Academic Publishing, 2011. 524 с. l’inskih N.N.,Vasil’ev S.A., Kravcov V.Ju. Mikrojadernyj test v skrininge i monitoringe mutagenov [Micronuclei test in mutagens monitoring and screening]. Saarbrucken : Lambert Academic Publishing. 2011. 524 p. (In Russ.)

3. Кострова О.Ю. Аномалия Пельгера–Хьюэта // Медицинский альманах. 2016. № 2 (42). С. 43–44. Kostrova O.Ju. Anomalija Pel’gera-H’jujeta [Pelger-Huet anomaly]. Medicinskij al’manah [Medical almanac]. 2016. N 2. Pp. 43–44. (In Russ.)

4. Кравцов В.Ю., Федорцева Р.Ф. Морфологические аномалии ядер типа «хвостов» в лимфоцитах и их связь с дицентрическими хромосомами у облученных пациентов // Генетика. 1997. Т. 33, № 12. С. 167–168. Kravcov V.Ju., Fedorceva R.F. Morfologicheskie anomalii jader tipa «hvostov» v limfocitah i ih svjaz’ s dicentricheskimi hromosomami u obluchennyh pacientov [Morphologically abnormal “tailed” lymphocyte nuclei and their association with dicentric chromosomes in patients exposed to ionizing radiation]. Genetika [Russian Journal of Genetics]. 1997. Vol. 33, N 12. Pp. 167–168. (In Russ.)

5. Кравцов В.Ю., Федорцева Р.Ф., Старкова Е.В. [и др.]. Способ экспресс-выявления облученных пациентов с повышенными частотами хромосомных аберраций : пат. Рос. Федерация 2141658, МПК G01N 33/48. № 97120394/14, заявл. 20.11.1997 ; опубл. 20.11.1999, Бюл. 32. Kravcov V.Ju., Fedorceva R.F., Starkova E.V. [et al.]. Sposob jekspress-vyjavlenija obluchennyh pacientov s povyshennymi chastotami hromosomnyh aberracij [Method of rapid detection of irradiated patients with increased frequencies of chromosomal aberrations] : Patent for invention RUS 2141658. Declared 20.11.1997. Published 20.11.1999 (In Russ.)

6. Никифоров А.М., Федорцева Р.Ф., Моносова Е.К. [и др.]. Ядра с протрузиями – «хвостатые» ядра и радиационные цитогенетические маркеры в культуре лимфоцитов после рентгеновского облучения // Радиационная биология и радиоэкология. 2000. Т. 40, № 3. С. 299–304. Nikiforov A.M.,Fedorceva R.F., Monosova E.K. [et al.]. Jadra s protruzijami – «hvostatye» jadra i radiacionnye citogeniticheskie markery v kul’ture limfocitov posle rentgenovskogo obluchenija [Nuclei with protrusions – “tailed” nuclei and radiospecific cytological markers in lymphocyte culture after X-ray irradiation]. Radiacionnaja biologija i radiojekologija [Radiation Biology. Radioecologу]. 2000. Vol. 40, N 3. Pp. 299–304. (In Russ.)

7. Anbumani S., Mohankumar M.N. Gamma radiation induced micronuclei and erythrocyte cellular abnormalities in the fish Catla catla. Aquatic toxicology. 2012. Vol. 122. Pp. 125–132.

8. Anbumani S., Mohankumar M.N. Nucleoplasmic bridges and tailed nuclei are signatures of radiation exposure in Oreochromis mossambicus using erythrocyte micronucleus cytome assay (EMNCA). Environmental Science and Pollution Research. 2015. Vol. 22, N 23. Pp. 18 425–18 436.

9. Ayllon F., Garcia-Vazquez E. Induction of micronuclei and other nuclear abnormalities in European minnow Phoxinus phoxinus and mollie Poecilia latipinna: an assessment of the fish micronucleus test. Mutation Research/ Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis. 2000. Vol. 467, N 2. Pp. 177–186.

10. Balonov M. [et al.]. The IAEA standards for the radioactive discharge control: Present status and future development. Radioprotection. 2005. Vol. 40, N S1. Pp. S721–S726.

11. Barni S. [et al.]. Evaluation of Rana snk esculenta blood cell response to chemical stressors in the environment during the larval and adult phases. Aquatic Toxicology. 2007. Vol. 81, N 1. Pp. 45–54.

12. Bolognesi C. [et al.]. Assessment of micronuclei induction in peripheral erythrocytes of fish exposed to xenobiotics under controlled conditions. Aquatic toxicology. 2006. Vol. 78. Pp. S93–S98.

13. Bucher O. Die Amitose der tierischen und menschlichen Zelle. Springer-Verlag, 2013. 160 p.

14. Çavaş T., Ergene-Gözükara S. Induction of micronuclei and nuclear abnormalities in Oreochromis niloticus following exposure to petroleum refinery and chromium processing plant effluents. Aquatic Toxicology. 2005. Vol. 74, N 3. Pp. 264–271.

15. Cheong H.S.J. [et al.]. Relationships among micronuclei, nucleoplasmic bridges and nuclear buds within individual cells in the cytokinesis-block micronucleus assay. Mutagenesis. 2013. Vol. 28, N 4. Pp. 433–440.

16. Fenech M. Cytokinesis-block micronucleus cytome assay. Nature protocols. 2007. Vol. 2, N 5. Pp. 1084–1104.

17. Fenech M. [et al.]. Molecular mechanisms of micronucleus, nucleoplasmic bridge and nuclear bud formation in mammalian and human cells. Mutagenesis. 2011. Vol. 26, N 1. Pp. 125–132.

18. Fijan N. Morphogenesis of blood cell lineages in channel catfish. Journal of fish biology. 2002. Vol. 60, N 4. Pp. 999–1014.

19. Flemming W. Entwicklung und Stand der Kenntnisse uber Amitose. Merkel und Bonnet’s Ergebnisse. 1892. N 2. Pp. 37–82.

20. Ghadially F.N. Ultrastructural pathology of the cell and matrix: a text and atlas of physiological and pathological alterations in the fine structure of cellular and extracellular components. Butterworth-Heinemann, 1988. 612 p.

21. Guilherme S. [et al.]. Erythrocytic nuclear abnormalities in wild and caged fish (Liza aurata) along an environmental mercury contamination gradient. Ecotoxicology and environmental safety. 2008. Vol. 70, N 3. Pp. 411–421.

22. Gustavino B., Carboni G., Petrillo R. [et al.]. Exposure to 915 MHz radiation induces micronuclei in Vicia faba root tips. Mutagenesis. 2016. N 31. Pp. 187–192.

23. Hamza V.Z., Mohankumar M.N. Cytogenetic damage in human blood lymphocytes exposed in vitro to radon. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. 2009. Vol. 661, N 1. Pp. 1–9.

24. Kimura M., Umegaki K., Higuchi M. [et al.]. Methilenetetrahydrofolate reductase C677T polymorphism, folic acid and riboflavin are important determinants of genome stability in cultered human lymphocytes. J. Nutr. 2004. N 134. Pp. 48–56.

25. Kravtsov V.Y. [et al.]. Tailed nuclei and dicentric chromosomes in irradiated subjects. Applied Radiation and Isotopes. 2000. Vol. 52, N 5. Pp. 1121–1127.

26. Lau A., Belanger C.L., Winn L.M. In utero and acute exposure to benzene: investigation of DNA doublestrand breaks and DNA recombination in mice. Mutation Research/Genetic Toxicology and Environmental Mutagenesis. 2009. Vol. 676, N 1. Pp. 74–82.

27. Lindberg H.K. [et al.]. Origin of nuclear buds and micronuclei in normal and folate-deprived human lymphocytes. Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis. 2007. Vol. 617, N 1. Pp. 33–45.

28. Mansilla S., Bataller M., Portugal J. A nuclear budding mechanism in transiently arrested cells generates drug-sensitive and drug-resistant cells. Biochemical pharmacology. 2009. Vol. 78, N 2. Pp. 123–132.

29. Mountford P.J., Temperton D.H. Recommendations of the international commission on radiological protection (ICRP). European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 1992. Vol. 19, N 3. Pp. 77–79.

30. Nadyrov E. [et al.]. Karyopathological traits of thyrocytes and exposure to radioiodines in Belarusian children and adolescents following the accident at the Chernobyl nuclear power plant. Radiation and environmental biophysics. 2012. Vol. 51, N 2. Pp. 187–193.

31. Osman A.G.M. [et al.]. In situ evaluation of the genotoxic potential of the river Nile: I. Micronucleus and nuclear lesion tests of erythrocytes of Oreochromis niloticus niloticus (Linnaeus, 1758) and Clarias gariepinus (Burchell, 1822). Toxicological & Environmental Chemistry. 2011. Vol. 93, N 5. Pp. 1002–1017.

32. Pacheco M., Santos M.A. Naphthalene and β-naphthoflavone effects on Anguilla anguilla L. hepatic metabolism and erythrocytic nuclear abnormalities. Environment international. 2002. Vol. 28, N 4. Pp. 285–293.

33. Pentreath R.J. Looking at the Future of Radioecology. Science. 2002. Vol. 298, N 5597. Pp. 1333–1334.

34. Prokofjeva-Belgovskaya A. A. Radiation damage in chromosomes on early stages of development of Salmo salar. Tsitologia. 1961. Vol. 3. Pp. 437–445.

35. Remak R. Ueber extracellulare Entstehung thierischer Zellen und über Vermehrung derselben durch Theilung. Archiv for Anatomie, Physiologie und wissenschaftliche Medizin. 1852. Pp. 47–57.

36. Savage J.R.K. A comment on the quantitative relationship between micronuclei and chromosomal aberrations. Mutation Research Letters. 1988. Vol. 207, N 1. Pp. 33–36.

37. Savage J.R.K. Micronuclei: Pitfalls and problems. Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology. 2000. Vol. 4. Pp. 229–233.

38. Shimizu N. [et al.]. Selective entrapment of extrachromosomally amplified DNA by nuclear budding and micronucleation during S phase. The Journal of cell biology. 1998. Vol. 140, N 6. Pp. 1307–1320.

39. Strunjak-Perovic I. [et al.]. Seasonality of nuclear abnormalities in gilthead sea bream Sparus aurata (L.) erythrocytes. Fish physiology and biochemistry. 2009. Vol. 35, N 2. Pp. 287–291.

40. The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. Annals of the ICRP. 2007. N 37 (2-4). Pp. 1–332.

41. Thomas P., Umegaki K., Fenech M. Nucleoplasmic bridges are a sensitive measure of chromosome rearrangement in the cytokinesis-block micronucleus assay. Mutagenesis. 2003. Vol. 18, N 2. Pp. 187–194.

42. Tice R.R., Ivett J. L. Cytogenetic analysis of bone marrow damage. Toxicology of the blood and bone marrow. Ed. R.D. Irons. New York : Raven Press, 1985. Pp. 119–140.

43. United Nations. Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation. Report of the United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation: Fifty-sixth Session (10–18 July 2008). New York : United Nations Publications, 2008. 38 p

44. Valentin J. A framework for assessing the impact of ionising radiation on non-human species: ICRP Publication 91. Annals of the ICRP. 2003. Vol. 33, N 3. Pp. 201–270.

45. Völkle H. Radiation protection of environment under the light of the new concept of radiation protection of non-human species. ICRP Second European Congress. Paris, 2006. 13 p. 46.Zinger-Gize I. Third International Symposium on the Protection of the Environment from Ionising Radiation (Darwin, Australia, 22–26 July 2002). Meeting report. Journal of Radiological Protection. 2002. Vol. 22, N 4. Pp. 445–446.