Моделювання молекулярних механізмів формування радіаційної адаптивної відповіді
Анотація
Явище адаптивної відповіді виражається у підвищенні стійкості біологічного об’єкта до високих доз мутагенів за умов попереднього впливу на нього цими (або іншими) мутагенами в малих дозах. Малі дози мутагена вмикають у живому об’єкті низку захисних механізмів, які одержали назву горметичних. Отже адаптивна відповідь і гормезис – це ланки одного ланцюга. Під радіаційним гормезисом розуміють загально позитивну дію рідкоіонізуючого випромінювання у діапазонах низьких доз та низьких потужностей доз на біологічні об’єкти. В роботі розглянуто феноменологію радіаційно індукованої адаптивної відповіді та радіаційного гормезису для біологічних об’єктів різних рівній організації, здійснено огляд існуючих теорій, які описують залежність «доза-ефект». Представлено гіпотезу, що пропонує один з механізмів формування радіаційної адаптивної відповіді клітин з урахуванням конформаційної структури хроматину. Проведено аналіз існуючих концепцій явища гормезису на основі моделювання молекулярних механізмів формування горметичних реакцій на низькодозові рідкоіонізуючі випромінювання. Розглянуто параметри, які можливо застосовувати для кількісного та графічного оцінювання феномену гормезису, а також запропоновано формулу для розрахунку коефіцієнту радіаційно індукованої адаптивної відповіді. Здійснено огляд математичних моделей, що описують радіаційний ризик виникнення генних мутацій та неопластичних трансформацій при низькодозовому опромінюванні когорт. Зроблено такі висновки: радіаційний гормезис і адаптивна відповідь загальновизнані як реальні та відтворювані біологічні явища, які слід віднести до дуже важливих феноменів еволюційно сформованого біологічного захисту живих організмів від дії іонізуючого випромінювання. «Горметична модель» залежності «доза-реакція» робить набагато точніші прогнози відповіді живого об’єкту на опромінення (або на інші стресори) у зоні низьких доз, ніж «лінійна безпорогова модель». Остання може адекватно описувати реакції лише в області високих доз, а, отже, екстраполяційне моделювання біологічних реакцій із зони високих доз на низькі не є коректним.
Завантаження
Посилання
M. Doss, M.P. Little, and C.G. Orton, Med. Phys. 41(7), 070601 (2014), https://doi.org/10.1118/1.4881095.
L.E. Feinendegen, M. Pollycove, and R.D. Neumann, Dose-Response, 8, 227–252 (2010), https://doi.org/10.2203/dose-response.09-035.
J.A. Siegel, C.W. Pennington, and B. Sacks, J. Nucl. Med. 58, 1–6 (2017), https://doi.org/10.2967/jnumed.116.180182.
M. Pollycove, and L.E. Feinendegen, Hum. Exp. Toxicol. 22, 290–306 (2003), https://doi.org/10.1191/0960327103ht365oa.
Q. Cheng, N. Barboule, P. Frit, D. Gomez, O. Bombarde, B. Couderc, Guo-Sheng Ren, B. Salles, and P. Calsou, Nucl. Acids Res. 39(22), 9605-9619 (2011), https://doi.org/10.1093/nar/gkr656.
G.D. Zasukhina, Радиационная биология. Радиоэкология [Radiation biology. Radioecology], 1, 58-63 (1999). (in Russian)
C.Y. Kaminski, M. Dattoli, J.M. Kaminski, Dose Response 18(2), 1559325820913788 (2020). https://doi.org/10.1177/1559325820913788
I.A. Bodnarchuk, Радиационная биология. Радиоэкология [Radiation biology. Radioecology], 42(1), 36-42 (2002). (in Russian)
I.A. Bodnarchuk, Радиационная биология. Радиоэкология [Radiation biology. Radioecology], 43(1), 19-28 (2003). (in Russian)
M. Eidemuller, E. Holmberg, P. Jacob, M. Lundell, and P. Karlsson, Mutat Res. 775, 1–9 (2015), https://doi.org/10.1016/j.mrfmmm.2015.03.002.
A.N. Osipov, G. Buleeva, E. Arkhangelskaya, and D. Klokov, Mutat Res. 756, 141–145 (2013), https://doi.org/10.1016/j.mrgentox.2013.04.016.
M.S. Pearce, J.A. Salotti, M.P. Little, K. McHugh, C. Lee, K.P. Kim, N.L. Howe, C.M. Ronckers, P. Rajaraman, A.W. Craft, L. Parker, A. Berrington de González, Lancet. 380, 499–505 (2012), https://doi.org/10.1016/S0140-6736(12)60815-0.
W.H. Hsieh, I.F. Lin, J.C. Ho, and P.W. Chang, Br. J. Cancer, 117, 1883–1887 (2017), https://doi.org/10.1038/bjc.2017.350.
V.R. Bruce, S.A. Belinsky, K. Gott, and Y. Liu, Dose Response, 10, 516–526 (2012), https://scholarworks.umass.edu/dose_response/vol10/iss4/9.
D.M. Grodzinskiy, Yu.V. Shilina, O.M. Miheyev, and M.I. Gushcha, Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля [Problems of safety of nuclear power stations and Chornobyl], 3(2), 17-28 (2005). (in Ukrainian)
T. Ikushima, H. Aritomi H., and J. Morista, Mut. Res., 358(2), 193-198 (1996), https://doi.org/10.1016/s0027-5107(96)00120-0.
D.M. Grodzinskiy, Радіобіологія [Radiobiology], (Lybid, Kyiv, 2000), pp. 448. (in Ukrainian)
L.H. Eydus, Биофизика [Biophysics], 50(4), 693-703 (2005). (in Russian)
M.A. Kadhim, S.R. Moore, and E.H. Goodwin, Mutation Research, 568(1), 21-32 (2004), https://doi.org/10.1016/j.mrfmmm.2004.06.043.
D.M. Spitkovskiy, Радиобиология [Radiobiology], 32(3), 382-400 (1992). (in Russian)
V.F. Mikhaylov, and G.D. Zasukhina, Успехи современной биологии [Advances in modern biology], 3, 244-252 (2002). (in Russian)
S.B. Chernikov, V.Ya. Gotlib, and I.I. Pelevina, Радиационная биология. Радиоэкология [Radiation biology. Radioecology], 33(1(4)), 537-541 (1993). (in Russian)
I.I. Pelevina, A.V. Aleshchenko, M.M. Antoshchina, V.A. Biryukov, O.B. Karyakin, O.V. Ktitorova, N.G. Minayev, A.M. Serebryanyi, Радиационная биология. Радиоэкология [Radiation biology. Radioecology], 57(6), 565–572 (2017). (in Russian)
C. Tomasetti, L. Li, and B. Vogelstein, Science, 355, 1330–1334 (2017), https://doi.org/10.1126/science.aaf9011.
J.R. Moffett, Hum. Exp. Toxicol., 29(7), 539-43 (2010), https://doi.org/10.1177/0960327110369855.
L. Pruimboom, and F.A.J. Muskiet, Medical Hypotheses, 120: 28-42 (2018), https://doi.org/10.1016/j.mehy.2018.08.002.
E.J. Calabrese, D.G. Gaurav, and K. Rachna, Dose-Response, 15(2) (2017), https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/1559325817704760.
I.I. Pelevina, V.V. Petushkova, V.A. Biryukov, A.V. Akleyev, Ye.A. Neyfah, N.G. Minayeva, O.V. Ktitorov, A.V. Aleshchenko, and R.I. Pleshakova, Радиационная биология. Радиоэкология [Radiation biology. Radioecology], 59(3), 261-273 (2019).
J.A. Horas, O.R. Olguin, and M.G. Rizzotto, Phys. Med. Biol. 50, 1689-1701 (2005), https://doi.org/10.1088/0031-9155/50/8/005.
A. Joubert, K. Gamo, Z. Bencokova, J. Gastaldo, W. Rénier, N. Chavaudra, V. Favaudon, C. Arlett, and N. Foray, Int. J. Radiat. Biol., 84, 1–19 (2008), https://doi.org/10.1080/09553000701797039.
O. Garzón, M.C. Plazas, and E.J. Salazar, Tecciencia, 9(17), 15-22 (2014), http://www.scielo.org.co/pdf/tecci/v9n17/v9n17a03.pdf.
V.G. Knigavko, M.A. Bondarenko, and O.V. Zaytseva, J. of Clinical and Diagnostic Research, 12(11), XE01–XE04 (2018), https://doi.org/10.7860/JCDR/2018/36371.12236.
L.E. Feinendegen, and R.D. Neumann, Hum Exp Toxicol., 25(1), 11-7 (2006), https://doi.org/10.1191/0960327106ht579oa.
V.F. Mikhailov, and G.D. Zasukhina, Успехи современной биологии [Advances in modern biology], 3, 244-252 (2020), https://doi.org/10.31857/S0042132420030060. (in Russian)
A.V. Brenner, M.D. Tronko, M. Hatch, et al., Environ. Health Perspect., 119, 933–939 (2011), https://doi.org/10.1289/ehp.1002674.
A. Farooque, R. Mathur, A. Verma, et al. Expert Rev. Anticancer Ther. 11, 791–802 (2011), https://doi.org/10.1586/era.10.217.
R.E.J. Mitchel, Nonlinearity in Biology, Toxicology, and Medicine, 2(3), 173–183 (2004), https://doi.org/10.1080/15401420490507512.
E.J. Broome, D.L. Brown, and R.E.J. Mitchel, Radiat. Res. 158(2), 181–186 (2002), https://doi.org/10.1667/0033-7587(2002)158[0181:drfatl]2.0.co;2.
E.J. Broome, D.L. Brown, and R.E.J. Mitchel, Int. J. Radiat. Biol. 75, 681–690 (1999), https://doi.org/10.1080/095530099140014.
V.P. Bond, L.E. Feinendegen, and J. Booz, Int. J. Radiat. Biol. 53(1), 1–12 (1988), https://doi.org/10.1080/09553008814550361.
D. Bhattarcharjee, Mut. Res. 358, 231-235 (1996), https://doi.org/10.1016/s0027-5107(96)00125-x.
A.N. Mikheyev, N.I. Gushcha, Yu.Yu. Malinovskiy, and D.M. Grodzinskiy, Докл. НАН Украины [Reports of the NAS of Ukraine], 10, 177 – 174 (1998). (in Russian)
O.M. Mikheyev, M.I. Gushcha, and Yu.V. Shilina, Фізіологія рослин в Україні на межі тисячоліть [Plant physiology in Ukraine at the boundary of the millenniums], 2, 82-88 (2001). (in Ukrainian)
A.N. Mikheyev, N.I. Gushcha, and Yu.V. Shilina, Радиационная биология. Радиоэкология [Radiation biology. Radioecology], 44(3), 324-327 (2004). (in Russian)
S. Tang, J. Liang, C. Xiang, Y. Xiao, X. Wang, J. Wu, G. Li, and R.A. Cheke., J. R. Soc. Interface. 16(157) (2019), https://doi.org/10.1098/rsif.2019.0468.
E.J. Сalabrese, and L.A. Baldwin, Human Experiment. Toxicol., 19, 2-31 (2000), https://doi.org/10.1191/096032700678815585.
E.J. Сalabrese, and L.A. Baldwin, Hum. Exp. Toxicol., 19(1), 41-75 (2000), https://doi.org/10.1191/096032700678815602.
V.G. Petin, I.I. Morozov, N.M. Kabakova, and T.A. Gorshkova, Радиационная биология. Радиоэкология [Radiation biology. Radioecology], 43(2), 176-178 (2003). (in Russian)
A. M. Kuzin, Идеи радиационного гормезиса в атомном веке [Radiation hormesis ideas in the atomic age], (Nauka, Moscow, 1995), pp. 158. (in Russian)
R.M. Macklis, and B. Bresford, J. Nucl. Med. 32, 350-359 (1991).
C. Mothersill, and C. Seymour, Int J Radiat Biol. 95(7), 851-860 (2019), https://doi.org/10.1080/09553002.2019.1589016.
L.H. Eydus, and V.L. Eydus, Радиационная биология. Радиоэкология [Radiation biology. Radioecology], 41(5), 627-630 (2001). (in Russian)
E.L. Kendig, H.H. Le, and M.B. Scott., Int. J. Toxicol. 29(3), 235-246 (2010), https://doi.org/10.1177/1091581810363012.
C.Y. Kaminski, M. Dattoli, and J.M. Kaminski, Dose Response, 18(2), 1559325820913788 (2020), 10.1177/1559325820913788.
A.M. Vayserman, L.V. Mekhova, N.M. Koshel, and V.P. Voytenko, Радиационная биология. Радиоэкология [Radiation biology. Radioecology], 50(6), 691-702 (2010). (in Russian)
B. Sacks, and G. Meyerson, Health Phys. 116(6), 807-816 (2019), https://doi.org/10.1097/HP.0000000000001033.
E.J. Calabrese., and L.A. Baldwin, Hum. Exp. Toxicol. 19(1), 76-84 (2000), https://doi.org/10.1191/096032700678815611.
J.A. Siegel, C.W. Pennington, and B. Sacks, J. Nucl. Med. 58(1), 1–6 (2017), https://doi.org/10.2967/jnumed.116.180182.
A.M. Kellerer, Radiat Environ Biophys. 39(1), 17-24 (2000), https://doi.org/10.1007/pl00007679.
E.J. Calabrese, Mutat. Res. 511(3), 181-9 (2002), https://doi.org/10.1016/s1383-5742(02)00013-3.
E.J. Calabrese, Arch. Toxicol. 83(3), 227-47 (2009), https://doi.org/10.1007/s00204-009-0411-5.
M. Doss, Journal of Nuclear Medicine, 59(12), 1786-1793 (2018), https://doi.org/10.2967/jnumed.118.217182.
K. Rothkamm, and M. Lubrich, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100(9), 5057-5062 (2003), https://doi.org/10.1073/pnas.0830918100.
T.P. Golivets, B.S. Kovalenko, and D.V. Volkov, Научные ведомости, Серия: Медицина. Фармация [Scientific statements, Series: Medicine. Pharmacy], 16(135(19)), 5-13 (2012). (in Russian)
L.A. Buldakova, and V.S. Kalistratova, Радиационное воздействие на организм – положительные эффекты [Radiation effects on the body - positive effects], (Inform-Atom, Moscow, 2005), pp. 246. (in Russian)
P. Maguire, C. Mothersill, B. McClean, et al., Radiat. Res. 167(4), 485-492 (2007), https://doi.org/10.1667/RR0159.1.
S.A. Geraskin, Радиационная биология. Радиоэкология [Radiation biology. Radioecology], 35(5), 563-571 (1995). (in Russian)
D.M. Spitkovskiy, Радиационная биология. Радиобиология [Radiation biology. Radioecology], 32(3), 382-400 (1992). (in Russian)
V.K. Mazurik, and V.F. Mikhaylov, Радиационная биология. Радиоэкология [Radiation biology. Radioecology], 41(3), 272-289 (2001). (in Russian)
L.N. Shmakova, O.A. Zeid, T.A. Fadeyeva, Ye.A. Krasavin, and P.V. Kutsalo, Радиационная биология. Радиоэкология [Radiation biology. Radioecology], 40(4), 405-409 (2000). (in Russian)
E.J. Calabrese, and L.A. Baldwin, Trends. Pharmacol. Sci. 22(6), 285-291 (2001), https://doi.org/1016/s0165-6147(00)01719-3.
E.J. Calabrese, Toxicol Appl. Pharmacol. 197(2), 125-136 (2004), https://doi.org/10.1016/j.taap.2004.02.007.
E.J. Calabrese, Environ. Pollut. 138(3), 379-412 (2005), https://doi.org/10.1016/j.envpol.2004.10.001.
B.R. Scott, Dose-Response 6(4), 333–351 (2007), https://doi.org/10.2203/dose-response.07-005.Scott.
B.R. Scott, Dose-Response 5(2), 131-141 (2007), https://doi.org/10.2203/dose-response.05-037.Scott.
Y. Yao, and W. Dai, J. Carcinog. Mutagen. 5, 1000165 (2014), https://doi.org/10.4172/2157-2518.1000165.
B.R. Scott BR, and J. Di Palma, Dose-Response 5(3), 230–255 (2007), https://doi.org/10.2203/dose-response.06-002.Scott.
K. Rothkamm, and M. Löbrich, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 100(9), 5057-5062 (2003), https://doi.org/10.1073/pnas.0830918100.
B.L. Cohen, Health Phys. 68(2), 157-174 (1995), https://doi.org/10.1097/00004032-199502000-00002.
L. Shu-Zheng, Dose Response 5(1), 39-47 (2007), https://doi.org/10.2203/dose-response.06-108.Liu.
A.M. Vaiserman, Dose Response 8(2), 172–191 (2010), https://doi.org/10.2203/dose-response.09-037.Vaiserman.
M. Tubiana, A. Aurengo, D. Averbeck, and R. Masse, Radiat. Environ. Biophys. 44(4), 245-251 (2006). http://refhub.elsevier.com/S0009-2797(18)31101-3/sref2
A. Vaiserman, A. Koliada, O. Zabuga, and Y. Socol, Dose Response 16(3), 1559325818796331 (2018), https://doi.org/10.1177/1559325818796331.
A. Vaiserman, J.M. Cuttler, and Y. Socol, Biogerontology, 22, 145–164 (2021), https://doi.org/10.1007/s10522-020-09908-5.
V. Calabrese, C. Cornelius, A.T. Dinkova–Kostova, E.J. Calabrese, and M.P. Mattson, Antioxid Redox Signal. 13(11), 1763–1811 (2010), https://doi.org/10.1089/ars.2009.3074.
Y. Shibamoto, and H. Nakamura, Int. J. Mol. Sci. 19(8), 2387 (2018), https://doi.org/10.3390/ijms19082387.
L.E. Feinendegen, Br. J. Radiol. 78(925), 3-7 (2005), https://doi.org/10.1259/bjr/63353075.
L.E. Feinendegen, M. Pollycove, and R.D. Neumann, Exp. Hematol. 35(4S1), 37–46 (2007), https://doi.org/10.1016/j.exphem.2007.01.011.
B.R. Scott BR, and S. Tharmalingam, Chem. Biol. Interact. 301, 34–53 (2019), https://doi.org/10.1016/j.cbi.2019.01.013.
B.M. Kim, Y. Hong, and S. Lee, Int. J. Mol. Sci. 16(11), 6880–26913 (2015), https://doi.org/10.3390/ijms161125991.
A.M. Vaiserman, Rejuvenation Res. 11(1), 9–42 (2008), https://doi.org/10.1089/rej.2007.0579.
S. Jin, H. Jiang, and L. Cai, Radiation Medicine and Protection 1(1), 2-6 (2020). https://doi.org/10.1016/j.radmp.2020.01.004.
Авторське право (c) 2021 Марина А. Бондаренко, Ольга В. Зайцева, Валерія М. Трусова
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
