2) 5
3) 1000
4) 40 (+)
Отмеченное значение соответствует усреднённой оценке для типичной соматической клетки млекопитающего: поглощённая доза 1 Гр вызывает примерно 40 двунитевых разрывов ДНК. Грей — единица поглощённой энергии, равная 1 Дж/кг; при воздействии фотонного или электронного излучения повреждение формируется как за счёт прямой ионизации молекулы ДНК, так и вследствие радиолиза воды с образованием гидроксильных радикалов.
Двойной разрыв возникает при повреждении обеих комплементарных цепей ДНК на близком участке. Это наиболее значимое для радиобиологии повреждение, поскольку восстановление разорванных концов может быть неполным или ошибочным, приводя к делециям, инверсиям, транслокациям, формированию микроядер и гибели клетки. При высоком линейном переносе энергии повреждения обычно более сложные и кластерные, поэтому их репарация менее эффективна, даже если общее число разрывов может отличаться.
Большинство двунитевых разрывов в клетках вне S-фазы репарируется путём негомологичного соединения концов (NHEJ), тогда как в S- и G2-фазах может использоваться гомологичная рекомбинация с матрицей сестринской хроматиды. Непосредственно в клетке повреждение оценивают, в частности, по фокам γ-H2AX и 53BP1, однако эти маркеры отражают ответ на разрыв, а не являются абсолютным показателем дозы. Поэтому число 40 следует понимать как ориентировочную среднюю величину, зависящую от типа излучения, размера генома, клеточного цикла, мощности дозы и условий оксигенации.
| Вид повреждения | Ориентировочная частота при 1 Гр | Основная характеристика | Биологическое значение и репарация |
|---|---|---|---|
| Двунитевой разрыв ДНК (DSB) | Около 40 на клетку | Разрыв обеих цепей на близком участке | Наиболее летальное повреждение; репарация преимущественно NHEJ или гомологичной рекомбинацией |
| Одноцепочечный разрыв ДНК (SSB) | Около 1000 на клетку | Повреждение только одной цепи | Обычно эффективно устраняется системами репарации одноцепочечных разрывов; при близком расположении может перейти в DSB |
| Повреждение азотистых оснований и дезоксирибозы | Сотни и более на клетку | Окисление, модификация или утрата оснований | Преимущественно репарация эксцизией оснований; при сохранении повреждения возможны мутации |
| Кластерное повреждение ДНК | Фиксированная частота не устанавливается | Несколько повреждений в ограниченном участке ДНК | Характернее для высоко-LET излучения; репарация затруднена, возрастает вероятность хромосомных аберраций |
| NHEJ | Не оценивается числом повреждений | Быстрое соединение концов без поиска полной гомологичной матрицы | Работает во всех фазах цикла, особенно в G0/G1; возможны небольшие делеции и ошибки соединения |
| Гомологичная рекомбинация | Не оценивается числом повреждений | Восстановление по последовательности сестринской хроматиды | Наиболее точно действует в S/G2-фазах; требует сохранной гомологичной матрицы |
| Ошибочная репарация DSB | Зависит от типа и сложности повреждения | Неправильное соединение фрагментов хромосом | Может приводить к транслокациям, инверсиям, микроядрам, репродуктивной гибели или канцерогенезу |
Ориентировочные 40 двунитевых разрывов на клетку при 1 Гр объясняют высокую радиобиологическую значимость даже относительно небольшой поглощённой дозы. Фракционирование в лучевой терапии использует различия в способности опухолевых и нормальных тканей репарировать сублетальные повреждения между сеансами. Гипоксия, дефекты систем репарации и повышенная плотность ионизации способны существенно изменять клеточный ответ при одинаковой физической дозе. Поэтому физическая доза в гре не полностью отражает биологический эффект излучения.