Генетические эффекты у Drosophila melanogaster после хронического облучения в малых дозах

Актуальность проблемы. Изучение генетических последствий хронического облучения в малых дозах представляет одну из актуальных проблем радиобиологии. После катастрофы на Чернобыльской АЭС природные экосистемы и человек на длительный срок оказались подвержены влиянию малых доз радиации, что вызвало необходимость исследований последствий хронического облучения (Последствия Чернобыльской катастрофы., 1996 а, бШевченко, 1997). Благодаря исследованиям радиобиологических реакций в диапазоне малых доз был обнаружен нелинейный характер зависимости эффекта от дозы. Многие исследователи наблюдали также различные радиобиологические эффекты в расчете на единицу дозы облучения (Бурлакова, 1994; Пелевина и др., 1999; Спитковский, 1992). При объяснении таких эффектов необходимо учитывать возможность существования универсального клеточного механизма, способного обеспечивать комплексные реакции на разных уровнях организации. Недавно было предположено, что формирование реакций на облучение в диапазоне малых доз происходит на фоне дестабилизации генома, вызванной активацией мобильных генетических элементов (МГЭ) (Асланян и др., 1994 а, бЗайнуллин, Сергиенко, 1994; Зайнуллин, 1998).

ВгоБоркИа те1апо%а$ 1ег является одним из наиболее перспективных модельных объектов для изучения генетических последствий действия малых доз облучения (Асланян и др., 1994 а, бЗайнуллин, 1998; Зайнуллин и др., 1999). Показана эффективность использования линий дрозофилы с нестабильными МГЭ в геноме в качестве высокочувствительной тест-системы (Асланян и др., 1994 а, б). Кроме того, дрозофила имеет короткий жизненный цикл, благодаря чему ее можно использовать в длительных экспериментах по исследованию эффектов хронического облучения. Уникальность дрозофилы заключается также в возможности индукции транспозиций некоторых семейств мобильных генетических элементов с помощью специальных межлинейных скрещиваний, что позволяет исследовать роль генетической нестабильности в формировании радиобиологических реакций в диапазоне малых доз облучения.

Цель и задачи исследования

Цель исследования заключалась в изучении процессов генотипической изменчивости ЬгозоркИа melanogaster в условиях хронического облучения малыми дозами ионизирующей радиации.

Для решения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) Исследовать уровень индукции рецессивных летальных мутаций у ВгоюркИа melanogaster после облучения малыми дозами ионизирующей радиации.

2) Изучить динамику концентрации рецессивных летальных мутаций в условиях хронического облучения.

3) Исследовать частоту индукции гонадной атрофии в скрещиваниях между облученными и тестерными линиями.

4) Выявить уровень индукции активности мобильных генетических элементов после облучения.

Положения, выносимые на защиту:

1) Радиационно-индуцированные генетические эффекты в диапазоне малых доз облучения зависят от генотипа исследуемых линий.

2) Облучение приводит к изменению дисгенного потенциала линий в скрещиваниях по системе гибридного дисгенеза.

3) Наблюдаемые реакции на хроническое облучение малыми дозами ионизирующей радиации обусловлены активностью мобильных генетических элементов.

Научная новизна. Впервые изучены генетические эффекты хронического гамма-облучения в дозе 0.17 сГр/ч у линий ИгозоркИа melanogaster с генотипически-ми отличиями по мобильным генетическим элементам систем гибридного дисгенеза. Показано, что эффекты хронического облучения зависят от цитотипа исследуемой линии.

Впервые исследовано влияние хронического облучение на низкоактивную линию НА, которая характеризуется комплексом генетических нарушений, обусловленных активностью мобильных генетических элементов. Показано, что при облучении низкоактивной линии происходит изменение генетической структуры популяции. Это сопровождается изменением дисгенного потенциала линии НА.

Впервые изучены характеристики облучаемых линий в системах гибридного дисгенеза. Показано, что облучение малыми дозами радиации влияет на дисгенный статус линий.

Научно-практическая ценность работы. Результаты, полученные в экспериментах по хроническому облучению лабораторных линий дрозофилы, могут быть использованы в качестве модели при оценке эффектов облучения в малых дозах у природных популяций животных, а также при оценке последствий гибридизации организмов из облученных и необлученных популяций.

Полученные данные обеспечивают комплексное понимание молекулярно-генетических и адаптационных процессов, поскольку позволяют оценить последствия радиационно-индуцированной активации мобильных генетических элементов на уровне организма и популяции. Показано, что при облучении линий с различным цитотипом происходит изменение дисгенных характеристик этих линий. Это позволяет дать количественную оценку структурно-функциональным реакциям генома на действие малых доз облучения, что не всегда удается сделать с помощью теста на индуцированные мутации.

Материалы диссертационной — работы используются при чтении курсов «Радиобиология» и «Экологическая генетика» на химико-биологическом факультете Сыктывкарского государственного университета.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены на IV молодежной научной конференции «Актуальные проблемы биологии» (Сыктывкар, 1996), XIII Коми республиканской молодежной научно-практической конференции '(Сыктывкар, 1997), на I Международной научно-практической конференции «Экология и молодежь» (Гомель, 1998), на V молодежной научной конференции «Актуальные проблемы биологии» (Сыктывкар, 1998), на VIII Республиканской студенческой конференции «Человек и окружающая среда» (Сыктывкар, 1998), на Конференции молодых ученых и специалистов «Экология-98» (Архангельск, 1998), на VI молодежной научной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 1999), на Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 1999), на Международной конференции «Биоразнообразие наземных и почвенных беспозвоночных на севере» (Сыктывкар, 1999).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ. 7.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав (обзора литературы, материала и методов исследования, результатов исследования и их обсуждения), выводов и списка литературы. Работа изложена на 114 стр. машинописного текста и содержит 19 таблиц и 11 рисунков.

Список литературы

содержит 221 источник, из них 185 на иностранном языке.

1.5.

Заключение

.

Одна из основных задач современной радиобиологии заключается в решении проблемы нелинейной зависимости эффекта от дозы. Эффекты, наблюдаемые в диапазоне малых доз облучения можно подразделить на стимулирующие (гормезис адаптивный ответ) и вызывающие отрицательный эффект. В некоторых случаях малые дозы облучения не приводят к индукции регистрируемого биологического ответа. На основании теоретических рассчетов и экспериментальных данных установлено, что малые дозы облучения характеризуются очень низким уровнем повреждения генетических структур, который в несколько раз меньше спонтанного. Поэтому индукция биологических ответа на малые дозы облучения должна происходить с участием триггерного механизма, который бы обеспечивал увеличение уровня генетических — повреждений. На этом основании В. Г. Зайнуллиным предложена модель, согласно которой формирование эффектов малых доз облучения происходит на фоне дестабилизации генотипа, обусловленной транспозициями мобильных генетических элементов (Зайнуллин, 1988, 1998). Согласно данным литературы, активацию МГЭ вызывают многие неблагоприятные факторы, включая облучение, тепловой шок, химические мутагены и др. Это свидетельствует об универсальности данного механизма. Активация мобильных генетических элементов приводит к индукции таких показателей генетической нестабильности, как повышения уровня мутаций и хромосомных перестроек, изменение генной экспрессии, гибель клеток. Вместе с этим, МГЭ непосредственно участвуют в процессах репарации ДНК у дрожжей и поддержании стабильности хромосом у дрозофилы.

В настоящее время показано, что у линий Drosoph.Ua melanogaster, имеющих в геноме активные МГЭ облучение приводит к индукции продленной генетической нестабильности. В то же время при исследовании лабораторных линий БгозорЬИа.

43 melanogaster, подвергающихся отбору на низкий уровень приспособленности, обнаружили, что мобильные генетические элементы являются основной частью генетического механизма, обеспечивающего коррелированное изменение адаптивно важных признаков в ответ на внешние воздействия, а также, что они обладают способностью активироваться при действии различных неблагоприятных факторов.

Перемещение Р-, hoboи I семейств мобильных генетических элементов дрозофилы находится под контролем цитотипа линий в системе гибридного дисгенеза, что позволяет вызывать индукцию МГЭ в определенных межлинейных скрещиваниях. Активность данных семейств мобильных генетических элементов имеет четкие фенотипические проявления. Она выражается в индукции гонадной атрофии и повышенной мутабильности некоторых маркерных локусов. Это позволяет исследовать процессы, связанные с активностью мобильных генетических элементов у облученных линий на уровне фенотипа.

Таким образом, процессы генотипической изменчивости популяций Drosophila melanogaster к действию хронического гамма-облучения в малых дозах исследовали на линиях Drosophila melanogaster с различиями по составу мобильных генетических элементов. У этих линий изучали критерии приспособленности (мутабильность и жизнеспособность) и процессы, связанные с индукцией мобильных генетических элементов (частота индукции гонадной атрофии и уровень транспозиций hoboмобильного элемента).

2.1. Использованные в работе линии Drosophila melanogaster.

В экспериментах использовали линии Drosophila melanogaster, имеющие ге-нотипические различия: (1) по семействам мобильных генетических элементов систем гибридного дисгенеза (табл. 5) — (2) в нарушениях механизмов контроля процессов репйрации. Использованные в работе линии, если на это не указывается специально, получены из коллекции кафедры генетики СПбГУ. Генетические символы, используемые при описании линий, объясняются в работе Линсли и Грелл (Lindsley, Grell, 1968).

2.1.1. Линии с различиями по мобильным генетическим элементам.

Процессы генотипической изменчивости при действии хронического облучения в малых дозах исследовали на линиях, имеющих в геноме копии активных мобильных генетических элементов систем гибридного дисгенеза (табл. 5). Эти элементы имеют способность активироваться в межлинейных скрещиваниях и при действии облучения, что ведет к изменению показателей синдрома гибридного диснгенеза (Иващенко и др., 1990; Bregliano et al., 1995; Margulies et al., 1986; 1987).

GB-39: лабораторная линия дикого типа поддерживаемая в условиях массового разведения. Любезно предоставлена проф. В. А. Гвоздевым (ИМГ РАН, Москва). Имеет Р-цитотип.

Canton-S: лабораторная линия дикого типа, поддерживаемая в условиях массового разведения. Линия Canton-S имеет в геноме 1-фактор, LINE-подобный элемент дрозофилы (Pelisson, Bregliano, 1987). Использовали в качестве индукторной линии в I-R дисгенных скрещиваниях. А также в качестве Ми Е-линии.

Oregon-R: лабораторная линия дикого типа поддерживаемая в условиях массового разведения. В геноме линии Oregon-R обнаружены копии полноразмерного /zoö-o-элемента (Pimpinelli et al., 1995). В дисгенных скрещиваниях использовали в качестве Н-линии.