Изучение биологического действия ионизирующего излучения сыграло важную роль в развитии представлений о структурной и функциональной организации клетки и, в частности, ее генетического аппарата.

Эти исследования внесли значительный вклад в разработку ряда теоретических вопросов - о механизмах формирования изменения хромосом, о роли этих изменений в жизнедеятельности клетки и в эволюции организма, о структурной организации хромосом, а также нашли широкое применение в селекции растений, при создании продуктивных штаммов микроорганизмов, вырабатывающих антибиотики, в повышении эффективности использования тутового шелкопряда и т.д.

При воздействии радиации на клетку генетические эффекты могут проявляться на разных уровнях организации наследственного аппарата клетки : генном, хромосомном, геномном. Мы будем рассматривать основные закономерности действия радиации на хромосомы.

4. Перестройки хромосом.

Перестройками, или аберрациями, хромосом называют видимые в световом микроскопе изменения нормальной для данного кариотипа структуры хромосом. Метафазная хромосома состоит из двух хроматид, и один из принципов классификации перестроек связан с тем, какая единица структуры хромосомы в ней участвует.

Соответственно различают:

1. перестройки хромосомного типа, которые затрачивают обе хроматиды в идентичных локусах. Поскольку термин "хромосомные перестройки" часто относят к любым повреждениям хромосом, иногда предлагают называть именно этот тип нарушений хромосомными перестройками, в отличие от более широкого термина - перестройки хромосом, который можно распространить на все повреждения;

2. перестройки хроматидного типа, которые затрагивают только одну хроматиду в хромосоме. При повреждении радиацией одновременно обеих хроматид возникают перестройки, называемые изохроматидными, которые аналогичны хромосомным. Характерным отличием этого типа перестроек от хромосомных является то, что в ряде случаев наблюдается соединение дистальных или проксимальных концов хроматид;

3. субхроматидные или полухроматидные перестройки, затрагивающие часть сечения роматиды. Следует, однако, указать, что в отношении этого типа структурных перестроек неоднократно высказывалось мнение, что они не являются самостоятельным классом, а представляют один из видов хроматидных повреждений.

Другой принцип классификации связан с характером повреждения - нарушением прерывности (разрыв) хромосомы или хроматиды, либо перераспределением материала в пределах одной (интраобмены) или нескольких (интеробмены) хромосом.

При перераспределении хромосомного материала могут возникать симметричные или асимметричные обмены (транслокации). При симметричном интеробмене происходит соединение центрического фрагмента одной хромосомы с ацентрическим фрагментом другой. В случае асимметричного обмена соединяются центрические, либо ацентрические фрагменты (неполные обмены, либо одновременно и те и другие (полные обмены).

Возможно образование обменных перестроек в пределах трех и более хромосом, но подобные нарушения наблюдаются довольно редко и лишь при больших дозах лучевого воздействия.

Существует также особый вид повреждения, который может затрагивать одну или обе хроматиды и, в отличие от разрывов, не нарушает целостности хроматид. Этот тип повреждения носит название пробела, ахроматической области или в русской транскрипции английского термина - гена. В отличие от разрывов, пробелы не приводят к образованию ацентрических фрагментов в анафазах, что четко выявляется при сопоставлении результатов подсчета хроматидных перестроек в метафазах и анафазах.

5. Зависимость выхода перестроек от стадии клеточного цикла.

Выход перестроек при облучении в разные периоды клеточного цикла неодинаков как качественно, так и количественно. Интерфазу подразделяют на три стадии: предсинтетическую (G1), стадию синтеза ДНК (S) и постсинтетическую (G2). В пределах интерфазы клетка может находиться в так называемых состояниях покоя (G0), переход к которым возможен и из стадии G1, и из стадии G2 в состояния R1 и R2 .

Облучения в стадиях G1 и R1 приводит преимущественно к образованию хромосомных перестроек, в S и G2 - хроматидных. Смена хромосомных перестроек на хроматидные происходит при облучении в конце стадии G1. При облучении в митозе наблюдают полухроматидные перестройки.

Однако тип перестроек не абсолютно приурочен к определенным стадиям клеточного цикла, поскольку в ряде случаев хроматидные перестройки были обнаружены при облучении в стадиях G1 и R1. Полухроматидные перестройки наблюдали в стадии G2.

В результате исследования зависимости количественного выхода повреждений от стадии клеточного цикла сформировалось представление, что радиочувствительность, по крайней мере растительных объектов, возрастает от предсинтетической к постсинтетической стадии, и наиболее радиочувствительной стадией клеточного цикла является процесс митоза, что выявляется при анализе перестроек во втором после облучения митозе.

G2 - стадия наиболее радиочувствительна как для растительных, так и для клеток млекопитающих. Наиболее радиоустойчивой для растительных клеток является стадия G1, тогда как для клеток млекопитающих в некоторых случаях - стадия S. Следует отметить, что и в пределах одной стадии клеточного цикла наблюдаются колебания радиочувствительности, которые могут искажать характер зависимости радиочувствительности по циклу.

Количественное соотношение радиочувствительности разных стадий клеточного цикла зависит от дозы лучевого воздействия. Например, при облучении клеток корневой меристемы проростков Vicia faba было показано, что при малых дозах (50, 100 р) радиочувствительность отдельных стадий практически не различается. С ростом дозы выход перестроек возрастает от G1 к G2, но при дальнейшем ее увеличении различия в радиочувствительности между стадиями G2 и S снова сглаживаются. Радиоустойчивость, определяемая по отдельным типам повреждений, может варьировать по клеточному циклу. Например, при переходе от G2 к S существенно не меняется при облучении выход изохроматидных разрывов и наиболее выражено уменьшение выхода обменов.

6. Зависимость выхода перестроек от дозы облучения.

Зависимость выхода перестроек от дозы лучевого воздействия исследовалась на широком круге объектов. Дозовые кривые для хроматидных повреждений (при облучении на стадиях G2 и S) у ряда объектов как растительных, так и животных имеют параболический характер (повреждения хромосом в клетках китайского хомячка). На клетках Vicia faba и Crepis capillaris было показано, что с увеличением дозы параболический участок кривой может переходить в линейный.

Зависимость выхода хромосомных повреждений от дозы описывается в ряде случаев параболическими кривыми, однако наблюдаются случаи и линейной зависимости.

В отношении спектра перестроек данные довольно разнородны, причем относительный вклад разных типов перестроек зависит от объекта исследования. Например, делеции составляют наиболее существенную долю в общем спектре хроматидных перестроек у млекопитающих, тогда как у растительных объектов она менее существенна.