Informatie

Hoe vermindert de winterslaap het risico op door straling geïnduceerde mutatie?

Hoe vermindert de winterslaap het risico op door straling geïnduceerde mutatie?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Een recente documentaire (ga door naar 58:20) bespreekt de mogelijkheid dat winterslaap, als deze zou kunnen worden opgewekt bij astronauten buiten het zonnestelsel, de schade door kosmische straling zou verminderen. De voor de hand liggende reden waarom dit zou kunnen gebeuren, is de afscherming van winterslaapkamers, maar de documentaire beoordelingen tonen aan dat zelfs winterslaap in het wild (bijv. beren) stralingsschade als gevolg van een vertraagd metabolisme vermindert.

Ik neem aan dat het verband is dat een verminderde behoefte aan enzymsynthese ervoor zorgt dat DNA het grootste deel van de tijd wordt opgerold, zodat de nucleotiden minder worden blootgesteld aan straling, maar zelfs als dit waar is, roept het de vraag op hoe oprollen straling afschermt. (Is het bijvoorbeeld minder in staat om histonen of de gefosforyleerde deoxyribose-ruggengraat binnen te dringen?) Om mijn verwarring nog groter te maken, beweert de documentaire dat het mechanisme geworteld is in waterstofsulfide, maar verklaart ook niet waarom dit meer geconcentreerd is in de cellen van de winterslaap dieren noch hoe het mutaties vermindert.


Dit is nog steeds een gebied van actief onderzoek en er lijkt geen definitief antwoord te zijn op de mechanismen achter de vermindering van stralingsschade tijdens de winterslaap.

Een recente recensie door Cerri et al. (2016) behandelt veel van de bekende biologie achter winterslaap en weerstand tegen stralingsschade.

Een paar geselecteerde citaten uit deze recensie:

Op cellulair niveau is het algemeen bekend dat cellen die in rusttoestand worden bestraald en 24 uur na bestraling ongestoord worden gelaten, resistenter zijn dan cellen die onmiddellijk na blootstelling opnieuw worden uitgeplaat. Dit effect staat bekend als vertraagde beplating en wordt over het algemeen toegeschreven aan de potentieel dodelijke schadeherstel (PLDR) in de rustfase.

Het zuurstofgehalte tijdens de winterslaap kan bijdragen aan de verhoogde radioresistentie. Hypoxie is een bekend beschermend mechanisme en is waarschijnlijk de belangrijkste reden voor het falen van lokale controle bij radiotherapie.

Rockwell et al. (2009) bespreken de onderliggende reden achter verminderde stralingsgevoeligheid in een hypoxische omgeving:

Moleculaire zuurstof (O2) is een krachtige chemische radiosensitizer. Deze radiosensibilisatie is niet het gevolg van een van de metabolische of fysiologische effecten van zuurstof, maar weerspiegelt in plaats daarvan het feit dat O2 een extreem elektronen-affien molecuul is dat deelneemt aan de chemische reacties die leiden tot de productie van DNA-schade na de absorptie van energie uit ioniserende straling [21,22].

Mijn persoonlijke mening zou zijn dat het verminderde risico op door straling veroorzaakte schade waarschijnlijk niet te wijten is aan de structurele opstelling van DNA, maar eerder aan de algehele cellulaire omgeving. Dit houdt misschien verband met een verbeterd vermogen om beschadigd DNA te repareren, maar is waarschijnlijk ook sterk afhankelijk van cellulaire zuurstofniveaus.


Doel

Bestraling van de hele borst met deep-inspiration breath-hold (DIBH) techniek bij linkszijdige borstkankerpatiënten vermindert de bestraling van het hart significant, maar een potentieel nadeel is een verhoogde incidentele bestraling van de contralaterale borst.

Methoden en materialen

Contralaterale borstdosis (CBD) werd berekend door 400 behandelplannen te vergelijken van 200 linkszijdige borstkankerpatiënten van wie de tangentiële velden waren gepland op gated en nongated CT-datasets. Verschillende anatomische en veldparameters werden geanalyseerd op hun impact op CBD. Voor een subgroep van patiënten (leeftijd ≤45 jaar) werd het tweede kankerrisico in de contralaterale borst (CB) gemodelleerd door toepassing van het lineaire kwadratische model, samengestelde modellen en samengestelde modellen waarbij rekening werd gehouden met dosis-volume-informatie (DVH).

Resultaten

De gemiddelde CBD was significant hoger in DIBH met 0,69 Gy vergeleken met 0,65 Gy bij normale ademhaling (P=.01). De grootste impact op CBD was te wijten aan een verschuiving van de binnenste veldmarge naar de CB in DIBH (gemiddeld 0,4 cm bereik, 0-2), gevolgd door veldgrootte in magnitude. Berekening met verschillende risicomodellen voor CBC onthulde waarden van bovenmatig relatief risico/Gy variërend van respectievelijk 0,48-0,65 versus 0,46-0,61 voor DIBH versus normale ademhaling.

Conclusie

De contralaterale borstdosis, hoewel binnen een laag dosisbereik, was licht maar significant verhoogd in 200 behandelplannen die waren opgesteld onder gated condities, voornamelijk als gevolg van een verschuiving in de mediale veldmarge. Risicomodellering voor CBC bij vrouwen van ≤45 jaar wees ook op een hoger risico bij het vergelijken van DIBH met normale ademhaling. Dit risico was echter aanzienlijk lager in het model, rekening houdend met DVH-informatie. We denken dat klinische beslissingen niet mogen worden beïnvloed door deze kleine toename van CBD met DIBH, omdat DIBH effectief is in het verlagen van de dosis naar het hart bij alle patiënten.

Alle auteurs hebben een belangrijke bijdrage geleverd aan het ingediende werk en hebben het definitieve ontwerp gelezen en goedgekeurd.


Achtergrond

Kanker is wereldwijd de derde belangrijkste oorzaak van morbiditeit en mortaliteit (Thun, DeLancey, Center, Jemal, & Ward, 2009). Hoewel er geen specifieke medicijnen voor zijn ontworpen, is radiotherapie (RT) de belangrijkste behandeling voor kanker en heeft meer dan 60% van de kankergevallen radiotherapie nodig. RT wordt bestraling of röntgentherapie genoemd. Straling resulteert in het doorprikken van het DNA van de kankercellen, wat hun groei en deling remt, waardoor ze worden vernietigd. Normale cellen aangrenzende kankercellen kunnen ook worden aangetast door straling. Hoewel RT over de hele wereld veel wordt gebruikt, leidt het tot veel bijwerkingen. Het effect van straling en het optreden van kanker kan worden bestudeerd aan de hand van epidemiologisch onderzoek van overlevenden van atoombommen (Land et al., 2003 Preston, Shimizu, Pierce, Suyama, & Mabuchi, 2003 UNSCEAR, 2000). Kankers in een vroeg stadium worden behandeld met bestralingstherapie. De belangrijkste beperking van radiotherapie is de beschadiging van normale cellen rond de kwaadaardige tumor (Barber et al., 2000 Sprung, Chao, Leong, & McKay, 2005). Ongeveer 5% van de radiogevoelige kankerpatiënten wordt blootgesteld aan beperkte stralingsdoses om ernstige bijwerkingen van radiotherapie te voorkomen. Vóór de behandeling moeten we voorspellers voor verhoogde stralingsgevoeligheid in de stralingsbiologie identificeren. Dit proces helpt bij het identificeren van patiëntspecifieke radiotherapie (Sprung, Davey, Withana, Distel, & McKay, 2008). De stralingsdoses die aan patiënten worden gegeven, zijn verschillend voor verschillende vormen van kanker. De hoeveelheid straling die aan de patiënt wordt gegeven, kan afhangen van de grootte van de tumor, het type operatie, de implicatie van lymfeklieren en de eigenschappen van kanker (Dayes et al., 2006). Deze recensie beschrijft de recente bestralingstherapiebehandelingen die bedoeld zijn voor verschillende vormen van kanker en de bijbehorende bijwerkingen. Bestuderen over de fysiologische en genetische risico's van RT is een noodzaak van het uur. Daarom was deze mini-review bedoeld om gegevens te verzamelen over de risico's van radiotherapie en om ervoor te zorgen of ayurvedische formuleringen hun nadelige effecten zullen verminderen.


Ioniserende straling-geassocieerde DNA-schade, radiotherapie en mechanismen van DNA-reparatie

Ioniserende stralingseffecten in de cel

Ioniserende straling is een soort hoogenergetische straling die elektronen kan vrijmaken van atomen en moleculen die ionen genereren die covalente bindingen kunnen verbreken. Ioniserende straling heeft een directe invloed op de DNA-structuur door DNA-breuken te induceren, met name DSB's. Secundaire effecten zijn het genereren van reactieve zuurstofspecies (ROS) die eiwitten en lipiden oxideren en ook verschillende schade aan het DNA veroorzaken, zoals het genereren van abasische sites en enkelstrengige breuken (SSB). Gezamenlijk induceren al deze veranderingen celdood en mitotisch falen.

Ioniserende straling kan worden onderverdeeld in röntgenstraling, gammastraling, alfa- en bètadeeltjes en neutronen. Rustgevende en langzaam delende cellen zijn minder stralingsgevoelig, zoals de cellen die het zenuwstelsel vormen, terwijl cellen met een hoge proliferatiesnelheid meer stralingsgevoelig zijn, zoals beenmerg, huid en epitheelcellen van het maag-darmkanaal. De stralingsdosis wordt gemeten in eenheden grijs (Gy), een maat voor de hoeveelheid straling die door 1 kg weefsel wordt geabsorbeerd (Dunne-Daly, 1999).

Radiotherapie

Radiotherapie is een behandeling die gericht is op het verkleinen van de tumormassa of het elimineren van resterende tumorcellen door de tumor bloot te stellen aan ioniserende straling. Radiotherapieregimes maken meestal gebruik van X- en gammastraling (Masuda en Kamiya, 2012). Straling beïnvloedt de tumor en gezonde bestraalde cellen onduidelijk. Radiotherapie wordt gebruikt als de standaardbehandeling voor borstkanker na borstamputatie, maar deze therapie kan ook profylactisch of palliatief worden gebruikt om het risico op recidief van de tumor te verminderen of om symptomen veroorzaakt door respectievelijk tumorgroei en geassocieerde metastasen te verlichten (Delaney et al., 2005). Bestralingstherapie kan worden geleverd door uitwendige bestraling of inwendige bestraling. Bestralingstherapie met uitwendige bundels wordt elektronisch gecreëerd door een lineaire versneller die fotonenbundels produceert die bekend staan ​​als röntgenstralen, met elektrische potentialen in het bereik van 4 tot 20 megavolt. Patiënten krijgen gedurende enkele weken in dagelijkse sessies stralingsdoses en de stralingsdosis kan in drie verschillende schema's worden toegediend: versnelde fractionering, hyperfractionering en hypofractionering. Versnelde fractionering betekent een bestralingsschema waarbij de totale stralingsdosis wordt verdeeld in kleine doses en de behandelingen meer dan één keer per dag worden gegeven. De totale bestralingsdosis wordt in een kortere tijd (minder dagen) toegediend dan bij standaard bestralingstherapie (weken). Een verkorting van de behandeltijd kan de herbevolking van tumorcellen verminderen, wat resulteert in een betere locoregionale controle. Bij hypergefractioneerde behandeling wordt de totale stralingsdosis verdeeld in kleinere doses en wordt deze meer dan één keer per dag toegediend, maar in dezelfde periode als standaard radiotherapie (dagen of weken). Dosisverlaging kan het toxiciteitsrisico verminderen, hoewel de totale dosis wordt verhoogd. Hypogefractioneerde bestraling wordt eenmaal per dag of minder vaak gegeven. De totale dosis is verdeeld in grotere doses en wordt toegediend over een kortere periode dan standaard radiotherapie. Dit schema vermindert patiëntbezoeken en -kosten, en er worden minder bijwerkingen opgemerkt in vergelijking met conventionele bestralingstherapie.

De interne bestralingstherapie, ook wel brachytherapie genoemd, komt vrij uit bronnen van gammastraling, zoals radioactieve isotopen zoals 60 Co en 137 Cs, die in het lichaam van de patiënt worden geplaatst. Dit type straling kan hoge doses focale straling afgeven met een elektrisch potentieel in het bereik van 0,6 tot 1 megaVolt en veroorzaakt minder schade aan normale weefsels (Patel en Arthur, 2006).

DNA-herstel na ioniserende straling

Ioniserende straling veroorzaakt direct DSB's, maar daarnaast wordt ook baseschade door indirecte effecten geïnduceerd. Deze straling veroorzaakt de vorming van ROS (reactive oxygen species) die indirect betrokken zijn bij DNA-schade. Deze ROS genereren apurine/apyrimidinische (basische) plaatsen in het DNA, SSB's, suikergroepmodificaties en gedeamineerde geadducteerde basen (Redon et al., 2010 Aparicio et al., 2014). Wanneer DNA beschadigd is, wordt het reparatiemechanisme van de cel geactiveerd en stopt de celcyclus bij specifieke controlepunten om DNA-schade te herstellen en voortzetting van de cyclus te voorkomen. Het is bekend dat de intrinsieke stralingsgevoeligheid van tumorcellen sterk wordt beïnvloed door het DSB-herstelvermogen van de cellen (Mladenov et al., 2013). Als tumorcellen de stralingsschade efficiënt kunnen herstellen, ontstaat er weerstand tegen straling, waardoor cellen kunnen overleven en zich kunnen vermenigvuldigen. Als de schade niet wordt hersteld, induceren deze mechanismen geprogrammeerde celdood of apoptose om accumulatie van mutaties in dochtercellen te voorkomen (Deckbar et al., 2011 Guo et al., 2011).

Zoals vermeld, bereikt ioniserende straling onvermijdelijk normaal weefsel, wat omstanderseffecten veroorzaakt in aan de tumor grenzende normale cellen die kunnen bijdragen aan chromosomale afwijkingen en het risico op nieuwe maligniteiten kunnen vergroten. Hoge stralingsdoses kunnen toxiciteit veroorzaken en de prognose van de patiënt verminderen (bruin et al., 2015). Individuele bestralingsbehandeling op basis van DSB-herstelvermogen zou toxiciteit voor omliggende weefsels kunnen voorspellen, waardoor de veiligheid van de behandeling wordt verbeterd. Het herstelvermogen van DSB hangt niet alleen af ​​van genintegriteit, maar ook van genexpressie. Naast germinale mutaties die genen beïnvloeden zoals BRCA 1 en 2 of andere verwante genen, kunnen genetische en epigenetische mechanismen de expressie van genen die betrokken zijn bij DSB-herstel verminderen of opheffen (Bosviel, et al., 2012). Het DNA-herstelvermogen kan relevant zijn om te beslissen over de juiste behandeling voor kankerpatiënten, en functionele tests kunnen waardevolle informatie opleveren voor deze klinische beslissingen.

DSB-reparatiepaden

DSB-reparatie wordt op drie manieren bereikt: niet-homologe end-joining (NHEJ), conservatieve homologe recombinatie (HR) en enkelstrengige uitlijning, ook wel niet-conservatieve homologe recombinatie (SSA) genoemd (Langerak en Russell, 2011). HR wordt als een foutloos mechanisme beschouwd omdat het een onbeschadigde DNA-geleidingsstreng gebruikt om de DSB te repareren, en het oorspronkelijke DNA wordt gereconstitueerd zonder verlies van genetische informatie, maar dit mechanisme verloopt langzaam en wordt alleen uitgeoefend in de S/G2-fasen van de celcyclus. NHEJ en SSA worden beschouwd als foutgevoelige en mutagene mechanismen omdat de verwerking van DNA-uiteinden kan leiden tot verlies of wijziging van genetische informatie aan de gerepareerde DSB-uiteinden. NHEJ is het meest voorkomende mechanisme van DSB-reparatie in eukaryote cellen. In dit mechanisme worden de DNA-strengen bij de DSB geknipt of gemodificeerd en worden de uiteinden aan elkaar geligeerd, ongeacht homologie, waardoor deleties of inserties worden gegenereerd. Hoewel dit proces foutgevoelig is, kan dit mechanisme de DNA-schade snel herstellen, omdat het niet beperkt is tot een enkele celcyclusfase, waardoor verhoogde genetische instabiliteit wordt voorkomen (Do et al., 2014). Deze mechanismen worden hieronder en in figuur 1 beschreven. De belangrijkste eiwitten die betrokken zijn bij de vroege stappen van DSB-detectie, chromatine-remodellering en DNA-reparatie staan ​​vermeld in tabel 1.

Tafel 1

GenNaamFunctieCromosomale locatie
AKT1v-akt murine thymoma virale oncogen homoloog 1Serine/threoninekinase. Reguleert componenten van de apoptotische machinerie.14q32.32
GeldautomaatAtaxia teleangiëctasie gemuteerdSerine-threonine-eiwitkinase. Activeert celcycluscontrolepunten bij DSB-inductie en werkt als een DNA-schadesensor.11q22-q23
BAP1BRCA1-geassocieerd eiwit-1 (ubiquitine carboxy-terminale hydrolase)Bindt aan BRCA1. Betrokken bij celcyclus, reactie op DNA-schade en chromatinedynamiek.3p21.1
BIRP1BRCA1-eiwitinteractie met c-terminale helicaseReceptor-interacterend eiwit vormt een complex met BRCA1. Actief tijdens DSB-reparatie.17q22.2
BRCA1BorstkankerDNA-reparatie, ubiquitinatie en transcriptionele regulatie om de genomische stabiliteit te behouden. Veroorzaakt stilstand van de celcyclus na ioniserende bestraling.17q21
BRCA2BorstkankerBetrokken bij DSB-reparatie en/of homologe recombinatie bij meiose.13q12
CDK'sCeldeling EiwitkinaseCelcyclus kinasen.10q21.2
CDKN1BCycline-afhankelijke kinaseremmer 1BCelcyclusprogressie bij G1.12p13.1-p12
CCND1Cycline D1Reguleert de celcyclus tijdens G1/S, interageert ook met een netwerk van reparatie-eiwitten, waaronder RAD51 om HR . te reguleren11q13
CCND3Cycline D3Reguleert de G1/S-overgang in de celcyclus6p21.1
RBBP8Retinoblastoom bindend eiwitEndonuclease dat functioneert met MRX-complex in de eerste stap van de DSB-reparatie.18q11.2
EP3003 00 kDa E1A-bindend eiwitgenReguleert transcriptie via chromatine hermodellering. Gereguleerd door acetylering in de reactie op DNA-schade.22q13.2
EXO1exonuclease 15’-3’ Exonuclease1q43
FGFR2Fibroblast groeifactor receptor 2Tyrosinekinasereceptor op het celoppervlak die celproliferatie, migratie en apoptose reguleert.10q25.3-q26
HIST1H2BCHistoncluster 1, H2BCKernhiston speelt een rol bij DNA-reparatie, replicatie en chromosomale stabiliteit.6p22.1
H2AXH2A Histon-familie, lid XVereist voor checkpoint-gemedieerde arrestatie van celcyclusprogressie als reactie op lage doses ioniserende straling en voor efficiënt DSB-herstel wanneer gemodificeerd door C-terminale fosforylering.11q23.3
KU70Schildklier autoantigeen 70 kDaBinding aan DSB-uiteinden en remming van exonuclease-activiteit aan deze uiteinden.22q13.2
LIG4ligase IVDNA-ligase betrokken bij DNA niet-homologe end-joining (NHEJ) vereist voor DSB-reparatie.13q33.3
LSP1Lymfocyt-specifiek eiwit 1Actine bindend eiwit F.11p15.5
MDC1Bemiddelaar van DNA-schade Checkpoint 1Mediator-adaptor-eiwit als reactie op DNA-schade, actief tijdens de S- en G2/M-fasen van de celcyclus.6p21.3
MLL3Myeloïde / lymfoïde of gemengde afstammingsleukemieEen deel van het ASCOM-complex wordt gereguleerd door acetylering om de expressie van p53-doelen zoals p21 te induceren in de reactie op DNA-schade.7q36.1
MRE11Meiotische recombinatie 11Endonuclease, exonuclease, MRN/X-complex-5.11q21
NBN1NibrineOnderdeel van het MRN/X-complex. Speelt een cruciale rol in de cellulaire respons op DNA-schade en het behoud van chromosoomintegriteit. Regelgever van celcycluscontrolepunten in meiose.8q21.3
PALB2Partner en localizer van BRCAKritische rol in HR-reparatie door het aanwerven van BRCA2 en RAD51.16p12.1
PTENFosfatase en tensine homoloogTumor suppressor eiwit. Actief in DNA-herstel door interacties met de Chk1- en de P53-routes. Regelgever van de RAD51-activiteit.10q23.3
RAD50RAD50 homoloog Sacharomyces cerevisiaeEiwit betrokken bij DSB-reparatie, vereist voor NHEJ en HR.5q23-q31
RAP80Ubiquitine-interactiemotief met 1Herken alomtegenwoordige H2A- en H2AX-histonen en werft de BRCA1 / BARD1-heterodimeer bij DSB.5q35.2
RB1retinoblastoomTumorsuppressor-eiwit, bemiddelt tot stilstand van de celcyclus.17q22.2
Rif1RAP1 interacterende factor homoloog (gist)Vereist voor stopzetting van de celcyclus in de S-fase als reactie op DNA-schade.2q23.3
RNF168RING Vinger ProteïneE3-ubiquitine-eiwitligase vereist voor het rekruteren van reparatie-eiwitten naar DNA-schadeplaatsen.3q29
TGFβ1Transformerende groeifactor 㬡Multifunctionele peptiden die celproliferatie, migratie, adhesie, differentiatie en andere functies reguleren.19q13.1
TopBP1Topoisomerase (DNA) II-bindend eiwitS-fase controlepunt regelaar.3q22.1
TOX3Tox hoge mobiliteit groepsbox gezinslid 3Betrokken bij wijziging van de chromatinestructuur.16q12.1
TP53Tumor eiwit p53Tumorsuppressor-eiwit, arrestatie van de celcyclus, apoptose, veroudering en DNA-herstel.17p13
XLF/CernunnosNiet-homologe End-Joining FactorSteiger eiwit. Dienen als een brug tussen XRCC4 en de andere NHEJ-factoren.2q35
XRCC4Röntgenreparatie als aanvulling op defectScaffold-eiwit betrokken bij NHEJ.5q14.2
53BP1Tumorproteïne P53 bindend eiwitAdapter eiwit, chromatinelezer. Promoot NHEJ.15q15.3

Niet-homologe eindverbinding (NHEJ)

Canonical NHEJ (C-NHEJ) is een conservatief end-joining-proces en deze route is ook essentieel voor V(D)J-recombinatie tijdens de ontwikkeling van T- en B-cellymfocyten. NHEJ is niet beperkt tot een bepaalde fase van de celcyclus, maar treedt bij voorkeur op tijdens de G0, G1 en de vroege S-fasen (Chistiakov et al., 2008 Dekbalk et al., 2011 Malu et al., 2012a,b). NHEJ omvat ligatie van gebroken DNA-uiteinden en vereist geen sequentiehomologie. De eerste stap in het proces is de herkenning van de DNA-uiteinden door het KU-heterodimeer bestaande uit de KU70- en KU80-eiwitten. Het heterodimeer bindt aan DNA-uiteinden en beschermt ze tegen verdere afbraak (Williams et al., 2014). Kristallografische studies van het KU70/80 heterodimeer toonden aan dat het een ringvormige structuur aanneemt die de duplex DNA-helix omringt die de DNA-uiteinden bereikt (Walker et al., 2001). De KU-subeenheden zijn vergelijkbaar in domeinorganisatie, ze hebben een aminoterminaal von Willebrand-domein dat deelneemt aan de KU-heterodimerisatie (Fell en Schild-Poulter, 2012). De KU70/80 heterodimeer vormt een scaffold aan de DNA-uiteinden en rekruteert en activeert de DNA-afhankelijke proteïne kinase katalytische subeenheid (DNA-PKcs). DNA-PKc's vormen een tangvormige structuur die een centraal kanaal creëert dat het vermogen van DNA-PKc's om dubbelstrengs DNA te binden (Sibanda et al., 2010 Davis et al., 2014). Vervolgens interageert het röntgenreparatie-aanvullende defecte reparatie-eiwit in Chinese hamstercellen 4 (XRCC4) met de KU70-subeenheid en een ander kritisch NHEJ-steigereiwit, waardoor enzymen een interactie kunnen aangaan met het DSB-gebied. DNA-ligase IV interageert direct met het KU-heterodimeer, een interactie die wordt gemedieerd door de tandem BRCA1 C-terminale (BRCT) domeinen gevonden in de C-terminus van DNA-ligase IV (Ochi et al., 2014). Vervolgens interageert het PNKP (polynucleotidekinase-fosfatase) met gefosforyleerd XRCC4. Structurele analyse toonde aan dat deze scaffold filamenten vormt die interageren met de DNA-uiteinden en een brug vormt die de uiteinden van de DSB stabiliseert (Hammel et al., 2010 Ochi et al., 2014). Er is ook aangetoond dat XRCC4 bindt aan niet-gefosforyleerd PNKP, maar met minder affiniteit. Andere eiwitten, zoals aprataxine, aprataxine en PNKP-achtige factor (APLF) en XRCC4-achtige factor (XLF) binden ook aan XRCC4.

Gewoonlijk zijn DSB-uiteinden onregelmatig en vertonen ze andere defecten, zoals abasische strengsegmenten die moeten worden opgelost voordat NHEJ optreedt. Als fosfaat- of adenylaatgroepen aanwezig zijn aan de DSB-uiteinden, kan DNA-eindverwerking nodig zijn voor daaropvolgende ligatie. PNKP is een kinase/fosfatase die verantwoordelijk is voor het toevoegen van fosfaat aan het 5'‘OH-uiteinde en het verwijderen van de fosfaatgroepen aan het 3''02032-uiteinde (Bernstein et al., 2005). Aprataxine is een nucleotidehydrolase en transferase dat de verwijdering katalyseert van adenylaatgroepen die covalent zijn gekoppeld aan 5′ fosfaattermini (Grundy et al., 2013). Wanneer DSB-asymmetrieën moeten worden hersteld, wordt het exonuclease Artemis gefosforyleerd en bindt het aan DNA-PKc's om overtollige uiteinden af ​​te knippen. KU heeft 5�oxyribose-5-fosfaat (5′-dRP)/AP-lyase-activiteit die betrokken is bij het splitsen van overtollige abasische enkelvoudige strengen die aanwezig zijn aan DSB-uiteinden (Roberts et al., 2010). Het Werner syndroom Rec Q helicase like protein (WRN) verbindt het KU heterodimeer en XRCC4 en stimuleert een exonuclease 3′ tot 5′ activiteit (Gu et al., 2010 Malu et al., 2012). Soms is het opvullen van gaten in de strengen op de DSB-plaats vereist, en deze functie kan worden bereikt door de polymerasen van de X-familie (μ en λ polymerasen) (Capp et al., 2006, 2007).

Wanneer DSB-uiteinden van twee DNA-segmenten schoon en compatibel zijn, worden ze geligeerd door DNA-ligase IV (Jahan et al., 2014). Ligase IV-activiteit wordt gestimuleerd door XRCC4 (Gu et al., 2007). Incompatibele uiteinden kunnen worden verbonden door een interactie tussen ligase IV en XLF.

Er is ook een alternatieve NHEJ-route (A-NHEJ) die onafhankelijk is van de KU70/KU80-heterodimeeractiviteit. In dit mechanisme worden DNA-uiteinden uitgesneden door het meiotische recombinatie 11-eiwit (MRE11) en het retinoblastoombindend eiwit 8 (RBBP8, synoniem van CtIP) exonucleasen (Gu et al., 2010, Hammel et al., 2010), waardoor microhomologiegebieden worden blootgelegd die kunnen worden uitgelijnd, waardoor de lege segmenten door de polymerasen van de X-familie kunnen worden gevuld. Daarna kunnen XRCC1 en ligase III het eindverbindingsproces voltooien (Frit et al., 2014). C-NHEJ is een conservatiever proces voor het verbinden van het uiteinde, maar de werkzaamheid ervan kan worden beïnvloed door de zeer foutgevoelige activiteit van de A-NHEJ-route, het aanpassingsvermogen van de C-NHEJ om onregelmatige uiteinden te herstellen en de onverenigbaarheid van sommige DNA- eindigt (Bétermier et al., 2014).

Homologe recombinatie (HR)

HR voor DSB-reparatie vereist een homologe DNA-sequentie die wordt geleverd door het homologe zusterchromatide om een ​​DSB-laesie te herstellen. Daarom is dit proces alleen actief tijdens de S- en G2-celcyclusfasen, waar dit zusterchromatide beschikbaar is als een sjabloon (Krejci et al., 2012). HR begint met de binding van het MRN-complex aan de DSB-uiteinden. Het MRN-complex wordt gevormd door het MRE11-eiwit, de rad 50-homoloog S. cerevisiae eiwit (RAD50) en het nibrine-eiwit (NBS1) (Richard et al., 2011a,b). Vervolgens worden de 3 ‘uiteinden van de DSB verteerd door de exonuclease-activiteit van de MRE11/CtIP om vrije uiteinden bij de DSB te genereren die worden verlengd door de EXO1 3′--5′ exonuclease-activiteit (Limbo et al., 2007). Vervolgens bindt het enkelstrengs DNA-bindend eiwit 1 (hSSB1) aan de vrije 3'-uiteinden en voegt het zich bij het replicatie-eiwit A (RPA) om deze vrije uiteinden te beschermen tegen verdere afbraak, om ongepaste annealing te voorkomen die zou kunnen leiden tot genomische herschikkingen en om haarspeldvorming te voorkomen (Chen et al., 2013). RPA is een heterotrimeer complex gevormd door RPA70, RPA32 en RPA14 dat ook betrokken is bij de controle van DNA-replicatie en reparatiemechanismen (Sleeth et al., 2007). Vervolgens wordt RPA vervangen door een reeks RAD51-eiwitten die zijn geassembleerd tot acht BRC-domeinen van het borstkanker 2 (BRCA2) -eiwit en de deelname van vijf extra eiwitten (RAD51B/RAD51C/RAD51D/XRCC2/XRCC3) (West, 2003). Rad51 is een recombinase dat een presynaptisch RAD51-BRCA2-nucleoproteïnefilament vormt op het DNA (Williams en Michael 2010). De RAD51-BRCA2-nucleoproteïne-filamenten zoeken en vallen de homologe sequenties binnen om een ​​Holliday-junctiestructuur te vormen (Masson et al., 2001). De zusterchromatiden worden verbonden door de cohesine-eiwitten SMC1, 3, 5 en 6. Deze eiwitten vergemakkelijken de cohesie van de DSB en de intacte homologe strengen om de homologe recombinatie gunstig te stemmen (Kim et al., 2002, Kongo et al., 2014). Na de invasie van de zusterchromatide (synapsen) en de uitlijning van homologe DNA-sequenties, wordt RAD51 verwijderd, waardoor een vrij 3′-OH-uiteinde overblijft waardoor de DNA-synthese door het DNA-polymerase δ in de 3′-OH kan worden hersteld. x02032-richting met behulp van resolvasen, zoals de structuurspecifieke endonucleasesubeenheid (MUS81), de essentiële meiotische structuurspecifieke endonuclease 1 (EME1) en de Holliday junction 5′ flap endonuclease (GEN1) (Constantinou et al., 2002). Zodra de synthese van het gerepareerde DNA is voltooid, lossen deze enzymen de Holliday-junctie op en worden de DNA-uiteinden verbonden door de DNA-ligase I (Matos en West 2014). Hoewel het niet volledig wordt begrepen, speelt het BRCA1-eiwit een belangrijke rol bij het sturen van de steiger van de Rad51-BRCA2-filamenten en interageert het ook met de histon H2AX (hieronder beschreven) tijdens HR-reparatie (O'Donovan en Livingston, 2010).

De HR-reparatiemethode wordt als foutloos beschouwd, omdat deze de homologe sequentie van het zusterchromatide als sjabloon voor synthese gebruikt. Er is voorgesteld dat chromosoomcondensatie het moeilijk maakt om homologe sequenties in de kern te zoeken, en daarom wordt NHEJ vaker door cellen gebruikt om DSB te repareren (Deckbar et al., 2011 Langerak en Russell, 2011). De hoge betrouwbaarheid van HR wordt ook voorgesteld om de lage gevoeligheid en cellulaire weerstand van cellen in de S/G2-fase tegen ioniserende straling te verklaren. Daarom wordt gesuggereerd dat resistentie tegen radiotherapie wordt bemiddeld door HR (Somaiah et al., 2013).

Enkelstrengs uitlijning (SSA)

SSA kan worden gezien als een bijzondere vorm van HR-reparatie. Dit reparatiemechanisme is niet conservatief en is afhankelijk van de aanwezigheid van herhaalde sequenties die de DSB flankeren. Het begint met de splitsing van het 5′-uiteinde van een DNA-streng om microhomologieën bloot te leggen. Dit wordt gemedieerd door een eiwitcomplex bestaande uit het CtIP- en het MRN-complex, gevolgd door de uitlijning van de homologe uiteinden. Niet-uitgelijnde regio's worden verwijderd door de ERCC1/XPF-nucleasen (resulterend in een verlies van nucleotiden in de DNA-keten) en vervolgens worden de DNA-uiteinden verbonden door de DNA-ligase III (Salles et al., 2011 Liu et al., 2014). Er zijn aanwijzingen dat SSA-reparatie de vorming van de pathologische chromosoomtranslocaties die verband houden met kanker kan uitlokken (Manthey en Bailis, 2010).

Radiogevoeligheid bij borstkankerpatiënten

Radiosensitiviteit is de gevoeligheid van de cellen of weefsels voor ioniserende straling. Sommige patiënten kunnen gevoeliger zijn voor straling. Gevoeligheid is het gevolg van de toxische effecten van radiotherapie die leiden tot laesies van de normale weefsels van de patiënt. Deze effecten kunnen acuut of laat zijn, afhankelijk van het tijdstip van manifestatie. Acute effecten treden op tijdens of kort daarna en zijn meestal reversibel en treden op in snel prolifererende weefsels, zoals de huid, het maagdarmkanaal en hematopoëtische weefsels. Late effecten manifesteren zich zes maanden of later na de behandeling. Late effecten kunnen blijvend zijn en hebben vooral invloed op langzaam prolifererende weefsels zoals de nieren, het hart en het zenuwstelsel, en kunnen systemische deregulering van het endocriene systeem inhouden (Barnett et al., 2009). Straling bevordert DSB zoals hierboven vermeld, en deze schade is nadelig voor de integriteit van het genoom (Chistiakov et al., 2008 Rﲾ et al., 2008 Henríquez-Hernández et al., 2011).

Mechanismen van overgevoeligheid voor ioniserende straling zijn nog steeds onduidelijk, maar naar schatting is 70% van de gevallen van overgevoeligheid te wijten aan genetische varianten (Turesson et al., 1996). Zoals hierboven vermeld, mutaties in de Geldautomaat gen worden geassocieerd met extreme overgevoeligheid voor ioniserende straling (Masuda en Kamiya, 2012), en polymorfismen in genen zoals XRCC3 en RAD51 het risico op stralingsgevoeligheid verhogen (Vral et al., 2011). Deze genen zijn ook betrokken bij borstkanker. Mayer et al. (2011) analyseerden genexpressie in perifere bloedlymfocyten van borst- en baarmoederhalskankerpatiënten. Ze identificeerden 153 genen die waren veranderd door ioniserende straling. Deze genen zijn betrokken bij de controle van de celcyclus en apoptose als reactie op straling. Hiervan waren 67 genen bruikbaar om onderscheid te maken tussen normaal reagerende patiënten en personen met ernstige stralingsgevoeligheid. De analyses werden echter uitgevoerd op lymfocyten en de auteurs merken op dat een analyse van expressie in verschillende weefsels nodig zou zijn om een ​​preciezere gensignatuur te definiëren (Mayer et al., 2011).

De 7,8-dihydro-8-oxo-2′-deoxyguanosine (8-oxo-dG) base-schade wordt veroorzaakt door ioniserende straling en wordt gerepareerd door nucleotide-excisie gevolgd door verwijdering van dit abnormale deoxynucleoside uit de cel (Evans et al., 2010). 8-oxo-dG is gebruikt als een marker voor oxidatieve stress in de urine en is in verband gebracht met longkanker (Il'yasova et al., 2012) en gastro-intestinale ziekten (Ock et al., 2012). Het is ook voorgesteld als een marker voor radiosensitiviteit (Erhola et al., 1997, Roszkowski en Olinski, 2012). Hagdoost et al. (2001) bestudeerden 8-oxo-dG urinespiegels bij borstkankerpatiënten voor en na adjuvante radiotherapie (4 tot 6 Gy). Radiosensitieve patiënten vertoonden roodheid van de huid in de bestraalde gebieden en significant verhoogde urinespiegels van 8-oxo-dG, en deze auteurs stelden het gebruik van dit deoxynucleoside voor als een urinaire biomarker voor radiosensitiviteit. Deze biomarker vergemakkelijkt de studie van individuele stralingsgevoeligheid, aangezien de abnormale metaboliet kan worden gemeten met ELISA (Haghdoost et al., 2001). In een studie van Skiöld et al. (2013), werd stralingsgeïnduceerde oxidatieve stressrespons geanalyseerd door de 8-oxo-dG-biomarker in serum van ex-vivo bestraalde leukocytenmonsters verkregen van borstkankerpatiënten die ernstige acute huidreacties ontwikkelden (RTOG [Radiotherapy Oncology Group Criteria] graad 3-4) tijdens radiotherapie en van patiënten met borstkanker die geen vroege huidreacties vertoonden na radiotherapie (RTOG graad 0). De auteurs toonden aan dat patiënten met RTGO-graad 0 verhoogde extracellulaire serumspiegels van 8-oxo-dG vertoonden, in tegenstelling tot de significant lage serumspiegels die werden waargenomen bij patiënten met RTOG-graad 3 en 4, wat aangeeft dat 8-oxo-dG een bruikbare biomarker is. om cellulaire reacties op ioniserende straling te analyseren (Skiöld et al., 2013). Desalniettemin kan 8-oxo-dG ook het gevolg zijn van celblootstelling aan oxidatieve stress door ROS, zoals kan gebeuren wanneer weefsels worden blootgesteld aan milieuverontreinigende stoffen (Hecht, 1999). Om deze redenen is deze biomarker niet specifiek voor ioniserende straling, maar, zoals in het geval van de studies van Skiöld et al. (2013), is het nuttig als een vergelijkend ex vivo test van bestraalde cellen om de biologische effecten van ioniserende straling te bepalen. Extracellulaire niveaus van 8-oxo-dG zijn geschikte indicatoren voor het vermogen van de cellen om de door ROS veroorzaakte DNA-schade te herstellen.

Bepaalde fenotypes van borstkanker zijn in verband gebracht met locoregionaal recidief (LRR). Brollo et al. (2013) suggereerden dat HER2+-tumoren gevoeliger zijn voor ioniserende straling, terwijl Voduc et al. (2010) merkten op dat LRR hoger leek bij patiënten met triple-negatieve marker borstkanker, hoewel het aantal LRR-gebeurtenissen klein was. Op dit moment zijn er geen moleculaire methoden om onderscheid te maken tussen patiënten met een hoge en lage LRR (Britten et al., 2013). Bovendien is er onvoldoende informatie over de mogelijke bijwerkingen van radiotherapie die genomische en epigenetische modificaties en veranderingen in genexpressieprofielen bij borstkanker kunnen veroorzaken.

Henríquez-Hernández et al. (2011) analyseerden geïsoleerde perifere bloedlymfocyten (PBL's) van patiënten met gevorderde borstkanker die werden behandeld ex vivo met hoge radiotherapiedoses om de resistentie tegen ioniserende straling te bestuderen. Ze toonden aan dat lymfocyten van patiënten met lage DNA-schade en hoge apoptosepercentages een laag risico hadden op bijwerkingen door bestraling.

Er zijn ook onderzoeken uitgevoerd die het type herstel analyseren dat optreedt wanneer cellen worden blootgesteld aan straling en de correlatie met abnormale expressie van bepaalde genen die betrokken zijn bij DSB-herstel. In vitro studies van Bca11 (familiale borstkankercellijn) en Bca10 (sporadische borstkankercellijn) cellijnen toonden hoge NHEJ-herstelactiviteit en direct niet-conservatief HR-herstel in de Bca11-cellijn. De Bca10-cellijn vertoonde ook een toename in niet-conservatief herstel van directe HR, maar in mindere mate dan Bca11. Bijgevolg kunnen herstelmechanismen in deze cellijnen deleties in de DNA-sequentie en deregulering van de celcyclus veroorzaken (Keimling et al., 2008). Deze auteurs voerden een onderzoek uit naar PBL's van patiënten met sporadische borstkanker, gezonde vrouwen met een familiaal risico op borstkanker en gezonde controles, en ze toonden verhoogde NHEJ en SSA aan bij zowel kankerpatiënten als proefpersonen met erfelijk risico, tegen de gezonde controles. Deze studie suggereerde dat deze twee groepen vatbaar zijn voor uitgebreide niet-conservatieve DSB-reparatiemechanismen. Op basis van deze resultaten heeft Keimling et al. (2012) implementeerde een test om DSB-reparatie te analyseren in vitro.

Technieken voor DSB-reparatieanalyse

Er zijn enkele tests ontwikkeld om DNA-schade te beoordelen als reactie op verschillende stoffen, micro-organismen of omgevingscondities. Enkele van deze testen worden hieronder beschreven.

Komeet test

De alkalische komeettest omvat het meten van DNA-schade in SSB en DSB. Deze methode is snel en goedkoop. Het geeft belangrijke informatie over het risico op ziekten die verband houden met oxidatieve stress (Alapetite et al., 1999 Dusinska en Collins, 2008). Bij deze test worden cellen ingebed in een dunne laag agarose op een dun glasplaatje, worden cellen gelyseerd in een oplossing die detergens en NaCl bevat, waardoor het DNA vrijkomt van de eraan gebonden eiwitten, maar DNA-fragmenten nog steeds aan het kernmembraan vastzitten . Vervolgens wordt de plaat geïncubeerd in een alkalische oplossing, wordt een elektroforese uitgevoerd en wordt het DNA gekleurd met ethidiumbromide. DNA-fragmenten reizen naar de anode en vormen een komeetachtig beeld wanneer bekeken door fluorescentiemicroscopie (Fikrová et al., 2011, Baumgartner et al., 2012). Het beeld van de komeetkop geeft het DNA-gehalte aan en de staart de frequentie van DNA-breuken (Figuur 2B). Softwareprogramma's die zijn ontworpen om het komeetbeeld te analyseren, maken het mogelijk om het DNA-gehalte en de staartlengte te meten. De lengte van de komeetstaart correleert met de mate van DNA-schade.

Haar et al. (2010) gebruikten een gemodificeerde komeettestmethode waarbij objectglaasjes met cellen ingebed in agarose werden geïncubeerd met drie verschillende behandelingen: 1) alkalische elektroforese om SSB-geïnduceerde straling en alkalische plaatsen te detecteren 2) elektroforese van cellen behandeld met formamidopyrimidine [Fapy] - DNA-glycosylase (Fpg) dit maakt de beschadigde purines vrij, waardoor apurine-sites (AP-sites) achterblijven die vervolgens worden gesplitst met het cellulaire AP-lyase, waardoor enkelstrengige fragmenten worden geproduceerd die kunnen worden gevisualiseerd in de komeettest, en 3) elektroforese na behandeling van de cellen met bacteriële endonuclease EndoIII, die de schadestrengen op plaatsen met geoxideerde pyrimidines splitst, waardoor de gevoeligheid van de komeettest wordt verhoogd door gaten achter te laten in gemuteerde basen (Hair et al., 2010).

Enkele nadelen van de komeettest zijn de variabiliteit tussen verschillende protocollen en tussen laboratoria, waardoor het moeilijk is om de toxiciteit van ioniserende straling te definiëren, dus dit probleem vereist de goedkeuring van gestandaardiseerde en vergelijkbare protocollen (Forchhammer et al., 2010 Henríquez-Hernández et al., 2012 Azqueta et al., 2014). Sirota et al. (2014) bestudeerden interlaboratoriumvariatie van komeettestfactoren, zoals het merk van glaasjes, duur van alkalibehandeling en elektroforese-omstandigheden, en ze ontdekten dat laboratoriumverschillen verband hielden met elektroforese-omstandigheden, met name de temperatuur tijdens alkalische elektroforese, die de omzettingssnelheid beïnvloedt van alkali-labiele plaatsen tot enkelstrengige breuken (Sirota et al., 2014). Bovendien is gesuggereerd dat implementatie van standaardsoftware vereist zal zijn voor de interpretatie van kometentesten (Fikrová et al., 2011).

De histon H2AX-variant van de histon H2A is aanwezig in subsets van nucleosomen (2 tot 25% van de totale H2A) en is betrokken bij DSB-reparatie.Wanneer H2AX wordt gefosforyleerd op het serineresidu 139 door fosfoinositide-3-kinase-gerelateerde proteïnekinasen (PIKK's), neemt de fosfaatgroep een γ-positie in het eiwit in, en vormt de gamma H2AX (γ-H2AX) configuratie (Rogakou et al., 1998 Rothkamm en Hoorn, 2009). Dit fosfoproteïne werkt in vroege gevallen van DNA-herstel door het chromatine nabij de DSB te decondenseren (Kruhlak et al., 2006). Bovendien voegt γ H2AX zich samen met de DSB-uiteinden en vormt een “γH2AX focus” die aan de zijkanten van de DSB over meerdere Mb wordt verlengd. Een methode die gebruikt wordt voor de analyse van DNA-schade is het meten van γ-H2AX met behulp van antistoffen tegen

In de γ-H2AX-assays wordt perifeer bloed verzameld en worden mononucleaire cellen gescheiden en gefixeerd op een glazen oppervlak. Vervolgens wordt een immunohistochemie met anti-γ-H2AX-antilichaam uitgevoerd en worden de resultaten geanalyseerd met fluorescentiemicroscopie waarin fluorescerende foci worden gemeten (Figuur 2A). Deze test kan ook worden geanalyseerd door flowcytometrie of door western blot (Kinner et al., 2008 Dickey et al., 2009 Podhorecka et al., 2010).

Foci-metingen van γ-H2AX bij patiënten voor en na radiotherapie met lage en hoge doses ioniserende straling hebben een lineair verband aangetoond tussen DNA-schade en blootstelling aan straling. Het aanvankelijke aantal γ-H2AX-foci komt overeen met DSB's in de cellen. Na een tijdje verdwijnen de γ-H2AX-foci door de DNA-reparatie (Rﲾ et al., 2008 Hoorn et al., 2011). Deze methode is gevoelig voor het meten van DNA-herstel bij patiënten die radiotherapie ondergaan, maar wordt ook toegepast op andere gebieden, zoals DNA-schadeanalyse door beroepsmatige blootstelling of contact met milieuverontreinigende stoffen, sigarettenrook, drugs, enz. dat deze gelijktijdige blootstellingen de resultaten bij radiotherapiepatiënten kunnen beïnvloeden en daarom op individuele basis moeten worden overwogen. Bovendien wordt fosforylering van H2AX waargenomen in de afwezigheid van DSB in het replicatieproces, in mitose en tijdens DNA-fragmentatie in apoptose. Daarom moet de test onderscheid kunnen maken tussen apoptotische en niet-apoptotische cellen (Dickey et al., 2009).

Comet-assay en γ-H2AX-methoden die hierboven zijn beschreven, helpen bij het beoordelen van DNA-schade en -herstel, maar laten geen onderscheid toe op het type schade, zoals SSB of DSB. Ook is het belangrijk om te analyseren of de schade is hersteld en welk reparatiemechanisme er in werking is om te beoordelen of cellen gevoelig of resistent zijn voor ioniserende straling.

Gemanipuleerde eiwitten om spontane DSB . te detecteren

Shee et al. (2013) ontwikkelden een nieuwe synthetische technologie om DSB's in bacteriële en zoogdiercellen te kwantificeren. Deze methode maakt gebruik van het groene fluorescerende eiwit (GFP) dat is gefuseerd met het GAM-eiwit (GAM-GFP), een viraal eiwit van bacteriofaag Mu, dat sequentiehomologie deelt met de eukaryote eiwitten KU80 en KU70 die betrokken zijn bij NHEJ (Aparicio et al., 2014). In tegenstelling tot het KU-eiwit is het GAM-eiwit niet betrokken bij DNA-herstelreacties. GAM bindt aan DNA en remt een verscheidenheid aan exonucleasen die betrokken zijn bij DNA-herstel (Abraham en Symonds, 1990 Fagagna et al., 2003 Shee et al., 2013). Deze vooruitgang maakt de studie en kwantificering van DNA-breuken mogelijk. Bij deze methode wordt de ik-ScèneI-endonuclease wordt gebruikt om plaatsspecifieke DSB's te maken en cellen worden getransfecteerd met een Mu GAM-GFP-fusie-expressievector. Het GAM-GFP-eiwit voegt zich bij de DSB's gevormd door de I-ScèneI behandeling, waarbij fluorescentie wordt gegenereerd op de beschadigde plaatsen die kunnen worden geanalyseerd met fluorescentiemicroscopie. Aangezien het GAM-GFP-eiwit concurreert met KU-eiwitten, resulteert dit in lage niveaus van DNA-schade, waardoor deze technologie wordt beperkt tot de studie van DSB-reparatie door HR (Shee et al., 2013).

Identificatie van reparatiemechanismen door specifieke DNA-substraten

Zoals hierboven vermeld, Keimling et al. (2012) ontwikkelde een in vitro methode waarbij PBL's worden getransfecteerd met markerplasmiden om discriminatie mogelijk te maken van de mechanismen die betrokken zijn bij DSB-reparatie: HR, NHEJ en SSA (Figuur 3A). In deze procedure worden PBL's getransduceerd in drie verschillende experimenten met afzonderlijke plasmiden, die elk het EGFP-reportergen bevatten, gevolgd door verschillende sequenties die vatbaar zijn voor het ondergaan van een van de verschillende mechanismen van DNA-herstel die hierboven zijn gedefinieerd. Cellen in de drie groepen worden gecotransduceerd met een plasmide dat codeert voor I-ScèneIk als de inductor van DSB-reparatie-evenementen. Fluorescentiedetectie na 24 uur door flowcytometrie in een van de drie getransduceerde cellen van het paneel meet de gebeurtenissen van elk afzonderlijk bedieningsmechanisme, waardoor meer gedetailleerde informatie over DSB-reparatie bij individuele patiënten mogelijk is (Figuur 3B). Deze test is geschikt voor verwerking en analyse van monsters met een hoge doorvoer (Boehden et al., 2002 Keimling et al., 2012).


De voor leeftijd gecorrigeerde incidentie van kanker in de Verenigde Staten van 2001 tot 2005 was 467 kankers per jaar per 100.000 mannen en vrouwen

(US Surveillance, Epidemiology and End Results (SEER)-programma, zie http://seer.cancer.gov)

De relatief risico model gaat ervan uit dat straling de natuurlijke incidentie van kanker verhoogt en wordt uitgedrukt als een fractie of veelvoud van het natuurlijk voorkomende risico. Deze waarde is altijd groter dan 1 (tenzij wordt aangenomen dat de straling een gunstig effect heeft - deze hypothese staat bekend als "hormesis" en wordt hier niet in overweging genomen). De meeste adviserende publicaties gebruiken het relatieve risico omdat het een aantal wiskundige en statistische voordelen heeft wanneer het wordt afgeleid uit epidemiologische studies. De huidige geaccepteerde waarden van relatief risico worden gegeven in Tabel 2. Merk op dat een nieuwe eenheid van stralingsblootstelling wordt gebruikt, de Sievert (Sv). Deze eenheid wordt gebruikt bij het bepalen van de effectieve dosis van blootstelling aan straling. Het is algemeen bekend dat verschillende weefsels verschillend reageren op straling, d.w.z. sommige weefsels zijn gevoeliger voor stralingsschade dan andere. De gevoeligheid van weefsel voor straling is gerelateerd aan het type straling (röntgenstralen, alfadeeltjes, enz.) dat het weefsel blootlegt en het weefseltype dat wordt blootgesteld als gevolg van de celleeftijd van het weefsel, de mitotische cyclus en andere factoren. Daarom wordt bij het bespreken van stralingseffecten met betrekking tot kankerinductie de geabsorbeerde stralingsenergie genormaliseerd naar de gevoeligheid van het weefsel. Deze normalisatie wordt aangegeven door het gebruik van de Sievert in plaats van de Gray (de Gray geeft alleen de geabsorbeerde energie in het weefsel aan &ndash zie de sectie Deterministische effecten).

Ook bij het omzetten van de geabsorbeerde dosis in Gray naar de effectieve dosis in Sievert, moet de geometrie van de blootstelling bekend zijn om rekening te houden met elk weefseltype dat zich in het stralingsveld bevindt en alle weefsels die zich in of nabij het stralingsveld bevinden gezichtsveld dat kan worden blootgesteld aan verstrooide straling. Met de kennis van welk weefsel wordt blootgesteld en de gevoeligheid van het weefsel voor straling, zijn er modellen gebaseerd op een gemiddelde mens om de conversiefactor van Gray naar Sievert te bepalen. Merk op dat de meeste beeldvormingsstudies alleen blootstelling aan een deel van het lichaam omvatten, en toch, een fractie van de straling heeft helemaal geen interactie met het weefsel in de patiënt, maar reist door de patiënt om het beeld te creëren. Daarom resulteert de conversie van de Gray naar Sievert erin dat elk weefsel slechts een fractie van de totale energie ontvangt die de patiënt binnenkomt. Het waardenbereik voor deze conversie loopt van 1% voor stralingsongevoelig weefsel tot 12% voor het meest gevoelige weefsel. Daarom is de effectieve dosis (d.w.z. Sv) altijd lager dan de geabsorbeerde dosis (d.w.z. Gy).

Tabel 2: Nominaal risico op kankereffecten*

Aangezien de resultaten van stralingseffecten op celculturen, dierstudies en epidemiologische studies bij mensen verschillend kunnen worden geïnterpreteerd, ziet u mogelijk variaties in de gepubliceerde relatieve risicowaarden, maar ze liggen allemaal binnen een paar procentpunten van elkaar. Veel auteurs hanteren een gemiddelde waarde van 5% per Sievert bij het bespreken van het risico op kanker door blootstelling aan straling.

Merk op dat de waarden in tabel 2 voor volwassenen of alle mensen (d.w.z. de gehele populatie) zijn. Het is bekend dat de gevoeligheid voor straling varieert op basis van de celleeftijd en de mitotische cyclus. Dit suggereert dat kinderen een hoger relatief risico zouden moeten hebben in vergelijking met volwassenen vanwege hun verhoogde groeisnelheid en voortdurende cellulaire differentiatie. Daarom is er een toename van de relatieve risicowaarden voor de "hele populatie" in tabel 2. In figuur 2 wordt het geschatte levenslange risico dat straling kanker veroorzaakt (carcinogenese) weergegeven in verhouding tot de leeftijd van de persoon. Hieruit blijkt dat kinderen een levenslang risico van 10% - 15% lopen door blootstelling aan straling, terwijl personen boven de 60 jaar een minimaal tot geen risico lopen (vanwege de latentieperiode voor kanker en de levensverwachting van de persoon).

Figuur 2 Aangepast van ICRP-publicatie 60 (1990)

Deze gegevens laten ook zien dat je niet zomaar het gemiddelde relatieve risico uit tabel 2 kunt gebruiken om de verhoogde incidentie van kanker als gevolg van stralingsblootstelling te schatten. Om deze analyse correct uit te voeren, moet u rekening houden met de leeftijd van alle individuen in de groep die wordt bestraald.

A.3. Speciale overwegingen voor embryo/foetus

De vroege ontwikkeling van het leven is een tijd waarin snelle celdeling en differentiatie plaatsvinden. Daarom is de stralingsgevoeligheid hoog voor het zich ontwikkelende embryo/de foetus en moet bescherming tegen straling anders worden overwogen dan het grote publiek. Tabel 3 geeft een overzicht van het stadium en de deterministische effecten die kunnen optreden in het embryo/de foetus na blootstelling aan verschillende stralingsniveaus. Vergelijkbaar met wat in Tabel 1 werd getoond, worden deterministische effecten onder een geabsorbeerde dosis van 0,1 Gy niet gevonden, zelfs niet bij het embryo/de foetus.

Tabel 3: Samenvatting van vermoedelijke in-utero-geïnduceerde deterministische stralingseffecten*

Hoewel er geen deterministische effecten worden waargenomen bij lage dosisniveaus bij het embryo/de foetus, zijn er veel onderzoeken geweest die een verhoogde incidentie van kanker (d.w.z. stochastische effecten) bij kinderen hebben aangetoond na in-utero blootstelling aan straling. Prenatale blootstelling aan straling resulteerde in een verhoogde kans op kanker bij de nakomelingen van de overlevenden van de atoombommen in Hiroshima en Nagasaki. In andere epidemiologische onderzoeken waren er ook goede statistische resultaten die een verhoogd kankerpercentage bij kinderen aantonen na prenatale stralingsblootstelling uit diagnostische radiologische onderzoeken. Helaas leveren deze epidemiologische onderzoeken geen erg goede gegevens op over de specifieke geabsorbeerde dosis die aan de foetus of het embryo wordt toegediend. Dit beperkt het vermogen om de dosis versus respons nauwkeurig te karakteriseren, zoals is gedaan voor deterministische effecten. Maar aangezien de doses die in deze epidemiologische onderzoeken werden ontvangen binnen het diagnostische radiologische bereik lagen, suggereren ze dat lage niveaus van blootstelling aan straling van het embryo/de foetus het risico op kinderkanker zeker verhogen.


[Effecten van blootstelling aan straling op het menselijk lichaam]

Er zijn twee soorten stralingsgezondheidseffecten acute stoornis en laat optredende stoornis. Acute stoornis is een deterministisch effect dat de symptomen optreden bij blootstelling boven een drempel. Weefsels en cellen waaruit het menselijk lichaam bestaat, hebben respectievelijk een verschillende stralingsgevoeligheid en de symptomen verschijnen in volgorde van zeer radiogevoelige weefsels. De klinische symptomen van een acute aandoening beginnen met een afname van het aantal lymfocyten, en dan verschijnen de symptomen zoals alopecia, huiderytheem, hematopoëtische schade, gastro-intestinale schade, schade aan het centrale zenuwstelsel bij toenemende stralingsdosis. Met betrekking tot de laat optredende aandoening is een overheersend gezondheidseffect de kanker onder de symptomen van zoals kanker, niet-kankerziekte en genetisch effect. Kanker en genetisch effect worden erkend als stochastische effecten zonder de drempel. Wanneer de stralingsdosis gelijk is aan of groter is dan 100 mSv, wordt waargenomen dat het kankerrisico door blootstelling aan straling lineair toeneemt met een toename van de dosis. Aan de andere kant is het risico op het ontwikkelen van kanker door blootstelling aan een lage dosis straling, minus 100 mSv, nog niet wetenschappelijk opgehelderd. Hoewel er nog steeds onzekerheid bestaat over de inschatting van het risico op een laag niveau, stelt de ICRP het LNT-model voor en voert het stralingsbescherming uit in overeenstemming met het LNT-model in de laaggedoseerde en laaggedoseerde straling vanuit een positie van stralingsbescherming. Ondertussen is het mechanisme van stralingsschade geleidelijk opgehelderd. Aangenomen wordt dat de eerste gebeurtenis van door straling geïnduceerde ziekten de schade aan het genoom is, zoals door straling geïnduceerde dubbelstrengs DNA-breuken. Onlangs is verduidelijkt dat onze cellen genoomschade kunnen herkennen en de diverse celrespons kunnen induceren om de integriteit van het genoom te behouden. Dit fenomeen wordt DNA-schadereactie genoemd, die de celcyclusstilstand, DNA-reparatie, apoptose, celveroudering enzovoort induceert. Deze reacties werken in de richting om de integriteit van het genoom te behouden tegen schade aan het genoom, maar de dood van een groot aantal cellen resulteert in een acute stoornis, en vervolgens wordt gespeculeerd dat DNA-herstel en -mutatie kanker veroorzaken. De mate waarin dit soort cellulaire respons het risico van een lage dosis straling zou kunnen verminderen, is een grote uitdaging voor toekomstig onderzoek.


DSB-reparatiepaden

DSB-reparatie wordt op drie manieren bereikt: niet-homologe end-joining (NHEJ), conservatieve homologe recombinatie (HR) en enkelstrengige uitlijning, ook wel niet-conservatieve homologe recombinatie (SSA) genoemd ( Langerak en Russell, 2011 Langerak P en Russell P (2011) Regelgevende netwerken die celcycluscontrole integreren met controlepunten voor DNA-schade en reparatie van dubbelstrengs breuken. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 366:3562-3571. ). HR wordt als een foutloos mechanisme beschouwd omdat het een onbeschadigde DNA-geleidingsstreng gebruikt om de DSB te repareren, en het oorspronkelijke DNA wordt gereconstitueerd zonder verlies van genetische informatie, maar dit mechanisme verloopt langzaam en wordt alleen uitgeoefend in de S/G2-fasen van de celcyclus. NHEJ en SSA worden beschouwd als foutgevoelige en mutagene mechanismen omdat de verwerking van DNA-uiteinden kan leiden tot verlies of wijziging van genetische informatie aan de gerepareerde DSB-uiteinden. NHEJ is het meest voorkomende mechanisme van DSB-reparatie in eukaryote cellen. In dit mechanisme worden de DNA-strengen bij de DSB geknipt of gemodificeerd en worden de uiteinden aan elkaar geligeerd, ongeacht homologie, waardoor deleties of inserties worden gegenereerd. Hoewel dit proces foutgevoelig is, kan dit mechanisme de DNA-schade snel herstellen, omdat het niet beperkt is tot een enkele celcyclusfase, waardoor verhoogde genetische instabiliteit wordt voorkomen ( Doen, 2014 Bepalen TA, Brooks JT, Le Neveu MK en La Rocque JR (2014) Dubbelstrengs breukherstel-assays de routekeuze en structuur van genconversiegebeurtenissen in Drosophila melanogaster. G3 4:425-432. ). Deze mechanismen worden hieronder en in figuur 1 beschreven. De belangrijkste eiwitten die betrokken zijn bij de vroege stappen van DSB-detectie, chromatine-remodellering en DNA-reparatie staan ​​vermeld in tabel 1.

Niet-homologe eindverbinding (NHEJ)

Canonical NHEJ (C-NHEJ) is een conservatief end-joining-proces en deze route is ook essentieel voor V(D)J-recombinatie tijdens de ontwikkeling van T- en B-cellymfocyten. NHEJ is niet beperkt tot een bepaalde fase van de celcyclus, maar treedt bij voorkeur op tijdens de G0, G1 en de vroege S-fasen ( Chistiakov , 2008 Chistiakov DA, Voronova NV en Chistiakov PA (2008) Genetische variaties in DNA-reparatiegenen, stralingsgevoeligheid voor kanker en gevoeligheid voor acute weefselreacties bij met radiotherapie behandelde kankerpatiënten. Acta Oncol 47:809-824. Dekbalk, 2011 Deckbar D, Jeggo PA en Löbrich M (2011) De beperkingen van door straling geïnduceerde celcycluscontrolepunten begrijpen. Crit Rev Biochem Mol Biol 46:271-283. Malu , 2012a Malu S, De Ioannes P, Kozlov M, Greene M, Francis D, Hanna M, Pena J, Escalante CR, Kurosawa A, Erdjument-Bromage H, et al. (2012a) Artemis C-terminale regio vergemakkelijkt V (D) J-recombinatie door zijn interacties met DNA Ligase IV en DNA-PKcs. J Exp Med 209:955-963. , B Malu S, Malshetty V, Francis D en Cortes P (2012b) De rol van niet-homologe end-joining in V(D)J-recombinatie. Immunol Res 54:233-246. ). NHEJ omvat ligatie van gebroken DNA-uiteinden en vereist geen sequentiehomologie. De eerste stap in het proces is de herkenning van de DNA-uiteinden door het KU-heterodimeer bestaande uit de KU70- en KU80-eiwitten. Het heterodimeer bindt aan DNA-uiteinden en beschermt ze tegen verdere afbraak ( Williams, 2014 Williams GJ, Hammel M, Radhakrishnan SK, Ramsden D, Lees-Miller SP en Tainer JA (2014) Structurele inzichten in NHEJ: een geïntegreerd beeld opbouwen van het dynamische DSB-reparatiesupercomplex, één component en interactie tegelijk. DNA-reparatie 17:110-120. ). Kristallografische studies van het KU70/80 heterodimeer toonden aan dat het een ringvormige structuur aanneemt die de duplex DNA-helix omringt die de DNA-uiteinden bereikt ( Walker , 2001 Walker JR, Corpina RA en Goldberg J (2001) Structuur van het Ku-heterodimeer gebonden aan DNA en de implicaties ervan voor dubbelstrengs breukherstel. Natuur 412:607-614. ). De KU-subeenheden zijn vergelijkbaar in domeinorganisatie, ze hebben een aminoterminaal von Willebrand-domein dat deelneemt aan de KU-heterodimerisatie ( Fell and Schild-Poulter, 2012 Fell VL en Schild-Poulter C (2012) Ku reguleert de signalering naar DNA-schadereactiepaden via het Ku70 von Willebrand a-domein. Mol Cell Biol 32:76-87. ). De KU70/80 heterodimeer vormt een scaffold aan de DNA-uiteinden en rekruteert en activeert de DNA-afhankelijke proteïne kinase katalytische subeenheid (DNA-PKcs). DNA-PKc's vormen een tangvormige structuur die een centraal kanaal creëert dat het vermogen van DNA-PKc's om dubbelstrengs DNA te binden ( Sibanda, 2010 Sibanda BL, Chirgadze DY en Blundell TL (2010) Kristalstructuur van DNA-PKcs onthult een grote wieg met open ring die bestaat uit HEAT-herhalingen. Natuur 463:118-121. Davis, 2014 Davis AJ, Chen BPC en Chen DJ (2014) DNA-PK: een dynamisch enzym in een veelzijdige DSB-reparatieroute. DNA-reparatie 17:21-29. ). Vervolgens interageert het röntgenreparatie-aanvullende defecte reparatie-eiwit in Chinese hamstercellen 4 (XRCC4) met de KU70-subeenheid en een ander kritisch NHEJ-steigereiwit, waardoor enzymen een interactie kunnen aangaan met het DSB-gebied. DNA-ligase IV interageert direct met het KU-heterodimeer, een interactie die wordt gemedieerd door de tandem BRCA1 C-terminale (BRCT) domeinen die worden gevonden in de C-terminus van DNA-ligase IV ( Ochi, 2014 Ochi T, Wu Q en Blundell TL (2014) De ruimtelijke organisatie van niet-homologe eindverbinding: van overbrugging tot eindverbinding. DNA-reparatie 17:98-109. ). Vervolgens interageert het PNKP (polynucleotidekinase-fosfatase) met gefosforyleerd XRCC4. Structurele analyse toonde aan dat deze steiger filamenten vormt die in wisselwerking staan ​​met de DNA-uiteinden en een brug vormt die de uiteinden van de DSB stabiliseert ( Hammel , 2010 Hammel M, Yu Y, Fang S, Lees-Miller SP en Tainer JA (2010) XLF regelt de filamentarchitectuur van de XRCC4. Ligase IV-complex. Structuur 18: 1431-1442. Ochi, 2014 Ochi T, Wu Q en Blundell TL (2014) De ruimtelijke organisatie van niet-homologe eindverbinding: van overbrugging tot eindverbinding. DNA-reparatie 17:98-109.). Er is ook aangetoond dat XRCC4 bindt aan niet-gefosforyleerd PNKP, maar met minder affiniteit. Andere eiwitten, zoals aprataxine, aprataxine en PNKP-achtige factor (APLF) en XRCC4-achtige factor (XLF) binden ook aan XRCC4.

Gewoonlijk zijn DSB-uiteinden onregelmatig en vertonen ze andere defecten, zoals abasische strengsegmenten die moeten worden opgelost voordat NHEJ optreedt. Als fosfaat- of adenylaatgroepen aanwezig zijn aan de DSB-uiteinden, kan DNA-eindverwerking nodig zijn voor daaropvolgende ligatie. PNKP is een kinase/fosfatase die verantwoordelijk is voor het toevoegen van fosfaat aan het 5'OH-uiteinde en het verwijderen van de fosfaatgroepen aan het 3'-uiteinde ( Bernstein, 2005 Bernstein NK, Williams RS, Rakovszky ML, Cui D, Green R, Karimi-Busheri F, Mani RS, Galicia S, Koch CA, Cass CE, et al. (2005) De moleculaire architectuur van het DNA-reparatie-enzym van zoogdieren, polynucleotidekinase. Mol-cel 17:657-670. ). Aprataxine is een nucleotidehydrolase en transferase dat de verwijdering katalyseert van adenylaatgroepen die covalent zijn gekoppeld aan 5′-fosfaatuiteinden ( Grundy, 2013 Grundy GJ, Rulten SL, Zeng Z, Arribas-Bosacoma R, Iles N, Manley K, Oliver A en Caldecott KW (2013) APLF bevordert de assemblage en activiteit van niet-homologe end-joining eiwitcomplexen. EMBO J 32:112-25. ). Wanneer DSB-asymmetrieën moeten worden hersteld, wordt het exonuclease Artemis gefosforyleerd en bindt het aan DNA-PKc's om overtollige uiteinden af ​​te knippen. KU heeft 5'deoxyribose-5-fosfaat (5'-dRP) / AP-lyase-activiteit die betrokken is bij het splitsen van overtollige abasische enkelvoudige strengen die aanwezig zijn aan DSB-uiteinden ( Roberts, 2010 Roberts SA, Strande N, Burkhalter MD, Strom C, Havener JM, Hasty P en Ramsden DA (2010) Ku is een 5'dRP/AP-lyase dat nucleotideschade in de buurt van gebroken uiteinden wegsnijdt. Natuur 464:1214-1217. ). Het Werner-syndroom Rec Q helicase-achtig eiwit (WRN) voegt zich bij het KU-heterodimeer en XRCC4 en stimuleert een exonuclease 3′ tot 5′-activiteit ( Gu, 2010 Gu J, Li S, Zhang X, Wang LC, Niewolik D, Schwarz K, Legerski RJ, Zandi E en Lieber MR (2010) DNA-PKcs reguleert een enkelstrengs DNA-endonuclease-activiteit van Artemis. DNA-reparatie 9:429-437. Malu, 2012 Malu S, De Ioannes P, Kozlov M, Greene M, Francis D, Hanna M, Pena J, Escalante CR, Kurosawa A, Erdjument-Bromage H, et al. (2012a) Artemis C-terminale regio vergemakkelijkt V (D) J-recombinatie door zijn interacties met DNA Ligase IV en DNA-PKcs. J Exp Med 209:955-963. ). Soms is het opvullen van gaten in de strengen op de DSB-plaats vereist, en deze functie kan worden bereikt door de polymerasen van de X-familie (μ- en λ-polymerasen) ( Capp , 2006 Capp JP, Boudsocq F, Bertrand P, Laroche-Clary A, Pourquier P, Lopez BS, Cazaux C, Hoffmann JS en Canitrot Y (2006) Het DNA-polymerase λ is vereist voor de reparatie van niet-compatibele DNA-dubbelstrengsbreuken door NHEJ in zoogdiercellen. Nucleïnezuren Res 34:2998-3007. , 2007 Capp JP, Boudsocq F, Besnard AG, Lopez BS, Cazaux C, Hoffmann JS en Canitrot Y (2007) Betrokkenheid van DNA-polymerase μ bij de reparatie van een specifieke subset van dubbelstrengige DNA-breuken in zoogdiercellen. Nucleïnezuren Res 35:3551-3560. ).

Wanneer DSB-uiteinden van twee DNA-segmenten schoon en compatibel zijn, worden ze geligeerd door DNA-ligase IV ( Jahan, 2014 Jahan F, Kweon J, Wang Y, Han E, Kan Y, Lichter N, Weisensel N en Hendrickson EA (2014) Een rol voor XLF bij DNA-reparatie en recombinatie in menselijke somatische cellen. DNA-reparatie 15:39-53. ). Ligase IV-activiteit wordt gestimuleerd door XRCC4 ( Gu, 2007 Gu J, Lu H, Tippin B, Shimazaki N, Goodman MF en Lieber MR (2007) XRCC4: DNA-ligase IV kan incompatibele DNA-uiteinden ligeren en kan over hiaten ligeren. EMBO J 26: 1010-1023. ). Incompatibele uiteinden kunnen worden verbonden door een interactie tussen ligase IV en XLF.

Er is ook een alternatieve NHEJ-route (A-NHEJ) die onafhankelijk is van de KU70/KU80-heterodimeeractiviteit. In dit mechanisme worden DNA-uiteinden uitgesneden door het meiotische recombinatie 11-eiwit (MRE11) en het retinoblastoombindend eiwit 8 (RBBP8, synoniem voor CtIP) exonucleasen ( Gu, 2010 Gu J, Li S, Zhang X, Wang LC, Niewolik D, Schwarz K, Legerski RJ, Zandi E en Lieber MR (2010) DNA-PKcs reguleert een enkelstrengs DNA-endonuclease-activiteit van Artemis. DNA-reparatie 9:429-437. , Hammel , 2010 Hammel M, Yu Y, Fang S, Lees-Miller SP en Tainer JA (2010) XLF regelt de filamentarchitectuur van de XRCC4. Ligase IV-complex. Structuur 18: 1431-1442. ), waardoor microhomologiegebieden worden blootgelegd die kunnen worden uitgelijnd, waardoor de lege segmenten door de polymerasen van de X-familie kunnen worden gevuld. Daarna kunnen XRCC1 en ligase III het eindverbindingsproces voltooien ( Frit , 2014 Frit P, Barboule N en Yuan Y (2014) Alternatieve eindverbindingsroute (s): Bricolage bij DNA-breuken. DNA-reparatie 17:81-97. ). C-NHEJ is een conservatiever proces voor het verbinden van het uiteinde, maar de werkzaamheid ervan kan worden beïnvloed door de zeer foutgevoelige activiteit van de A-NHEJ-route, het aanpassingsvermogen van de C-NHEJ om onregelmatige uiteinden te herstellen en de onverenigbaarheid van sommige DNA- loopt af ( Betermier , 2014 Bétermier M, Bertrand P en Lopez BS (2014) Is niet-homologe end-joining echt een inherent foutgevoelig proces PLoS Genet 10:e1004086. ).

Homologe recombinatie (HR)

HR voor DSB-reparatie vereist een homologe DNA-sequentie die wordt geleverd door het homologe zusterchromatide om een ​​DSB-laesie te herstellen. Daarom is dit proces alleen actief tijdens de S- en G2-celcyclusfasen, waar dit zusterchromatide beschikbaar is als een sjabloon ( Krejci, 2012 Krejci L, Altmannova V, Spirek M en Zhao X (2012) Homologe recombinatie en de regulatie ervan. Nucleïnezuren Res 40:5795-5818. ). HR begint met de binding van het MRN-complex aan de DSB-uiteinden. Het MRN-complex wordt gevormd door het MRE11-eiwit, de rad 50-homoloog S. cerevisiae eiwit (RAD50) en het nibrine-eiwit (NBS1) ( Richard , 2011a Richard DJ, Cubeddu L, Urquhart AJ, Bain A, Bolderson E, Menon D, White MF en Khanna KK (2011a) HSSB1 interageert rechtstreeks met het MRN-complex en stimuleert de rekrutering ervan voor dubbelstrengige DNA-breuken en de endon-nuclease-activiteit. Nucleïnezuren Res 39:3643-3651. , B Richard DJ, Savage K, Bolderson E, Cubeddu L, So S, Ghita M, Chen DJ, White MF, Richard K, Prize KM, et al. (2011b) HSSB1 bindt snel op de plaatsen van dubbelstrengs DNA-breuken en is vereist voor de efficiënte rekrutering van het MRN-complex. Nucleïnezuren Res 39:1692-1702. ). Vervolgens worden de 3 'uiteinden van de DSB verteerd door de exonuclease-activiteit van de MRE11/CtIP om vrije uiteinden aan de DSB te genereren die worden verlengd door de EXO1 3'- 5'-exonuclease-activiteit ( Voorgeborchte, 2007 Limbo O, Chahwan C, Yamada Y, Bruin RAM, Wittenberg C en Russell P (2007) Ctp1 is een door de celcyclus gereguleerd eiwit dat functioneert met het Mre11-complex om het herstel van dubbelstrengs breuken door homologe recombinatie te regelen. Mol-cel 28:134-146. ). Vervolgens bindt het enkelstrengs DNA-bindend eiwit 1 (hSSB1) aan de vrije 3'-uiteinden en voegt het zich bij het replicatie-eiwit A (RPA) om deze vrije uiteinden te beschermen tegen verdere afbraak, om ongepaste annealing te voorkomen die zou kunnen leiden tot genomische herschikkingen en tot haarspeldvorming voorkomen ( Chen, 2013 Chen H, Lisby M en Symington L (2013) RPA coördineert de resectie van het DNA-uiteinde en voorkomt de vorming van DNA-haarspelden. Mol-cel 50:589-600. ). RPA is een heterotrimeer complex gevormd door RPA70, RPA32 en RPA14 dat ook betrokken is bij de controle van DNA-replicatie en reparatiemechanismen ( Sleeth , 2007 Sleeth KM, Sørensen CS, Issaeva N, Dziegielewski J, Bartek J en Helleday T (2007) RPA bemiddelt recombinatieherstel tijdens replicatiestress en wordt uit het DNA verdrongen door controlepuntsignalering in menselijke cellen. J Mol Cell Biol 373:38-47. ). Vervolgens wordt RPA vervangen door een reeks RAD51-eiwitten die zijn samengesteld tot acht BRC-domeinen van het borstkanker 2 (BRCA2)-eiwit en de deelname van vijf extra eiwitten (RAD51B/RAD51C/RAD51D/XRCC2/XRCC3) ( West, 2003 West SC (2003) Moleculaire weergaven van recombinatie-eiwitten en hun controle. Nat Op 4:1-11. ). Rad51 is een recombinase dat een presynaptisch RAD51-BRCA2-nucleoproteïnefilament vormt op het DNA ( Williams en Michael 2010 Williams AB en Michael WM (2010) Uitzettingsbevel: nieuwe inzichten in de verwijdering van Rad51 uit DNA tijdens homologe recombinatie. Mol-cel 37:157-158. ). De RAD51-BRCA2-nucleoproteïnefilamenten zoeken en vallen de homologe sequenties binnen om een ​​Holliday-junctiestructuur te vormen ( Masson, 2001 Masson JY, Tarsounas MC, Stasiak AZ, Stasiak A, Shah R, McIlwraith MJ, Benson FE en West SC (2001) Identificatie en zuivering van twee verschillende complexen die de vijf RAD51-paralogen bevatten. Genes Dev 8:3296-3307. ). De zusterchromatiden worden verbonden door de cohesine-eiwitten SMC1, 3, 5 en 6. Deze eiwitten vergemakkelijken de cohesie van de DSB en de intacte homologe strengen om de homologe recombinatie gunstig te stemmen ( Kim, 2002 Kim JS, Krasieva TB, LaMorte V, Malcolm A, Taylor R en Yokomori K (2002) Specifieke rekrutering van humaan cohesine voor door laser geïnduceerde DNA-schade. J Biol Chem 277:45149-45153. , Kong, 2014 Kong X, Ball Jr AR, Pham HX, Zeng W, Chen H, Schmiesing JA, Kim J, Berns M, Yokomori K, Ball AR, et al. (2014) Verschillende functies van humaan Cohesin-SA1 en Cohesin-SA2 bij reparatie van dubbelstrengsbreuken. Cel Mol Biol 34:685-698. ). Na de invasie van de zusterchromatide (synapsen) en de uitlijning van homologe DNA-sequenties, wordt RAD51 verwijderd, waardoor een vrij 3'-OH-uiteinde overblijft, waardoor de DNA-synthese door het DNA-polymerase δ in de 3'-5'-richting kan worden hersteld met behulp van van resolvasen, zoals de structuurspecifieke endonucleasesubeenheid (MUS81), de essentiële meiotische structuurspecifieke endonuclease 1 (EME1) en de Holliday junction 5′ flap endonuclease (GEN1) ( Constantinou, 2002 Constantinou A, Chen XB, McGowan CH en West SC (2002) Holliday-junctieresolutie in menselijke cellen: twee junctie-endonucleasen met verschillende substraatspecificiteiten. EMBO J 21:5577-5585. ). Zodra de synthese van het gerepareerde DNA is voltooid, lossen deze enzymen de Holliday-junctie op en worden de DNA-uiteinden verbonden door de DNA-ligase I ( Matos en West 2014 Matos J en West SC (2014) Holliday junction-resolutie: regulering in ruimte en tijd. DNA-reparatie 19:176-181. ). Hoewel het niet volledig wordt begrepen, speelt het BRCA1-eiwit een belangrijke rol bij het sturen van de steigers van de Rad51-BRCA2-filamenten en interageert het ook met de histon H2AX (hieronder beschreven) tijdens HR-reparatie ( O'Donovan en Livingston, 2010 O'Donovan PA en Livingston DM (2010) DM. BRCA1 en BRCA2: genproducten voor gevoeligheid voor borst- en eierstokkanker en deelnemers aan herstel van dubbelstrengsbreuken. J Carcinog 31:961-967. ).

De HR-reparatiemethode wordt als foutloos beschouwd, omdat deze de homologe sequentie van het zusterchromatide als sjabloon voor synthese gebruikt. Er is voorgesteld dat chromosoomcondensatie het moeilijk maakt om naar homologe sequenties in de kern te zoeken, en daarom wordt NHEJ vaker door cellen gebruikt om DSB te repareren ( Dekbalk, 2011 Deckbar D, Jeggo PA en Löbrich M (2011) De beperkingen van door straling geïnduceerde celcycluscontrolepunten begrijpen. Crit Rev Biochem Mol Biol 46:271-283. Langerak en Russell, 2011 Langerak P en Russell P (2011) Regelgevende netwerken die celcycluscontrole integreren met controlepunten voor DNA-schade en reparatie van dubbelstrengs breuken. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 366:3562-3571. ). De hoge betrouwbaarheid van HR wordt ook voorgesteld om de lage gevoeligheid en cellulaire weerstand van cellen in de S/G2-fase tegen ioniserende straling te verklaren. Daarom wordt gesuggereerd dat resistentie tegen radiotherapie wordt gemedieerd door HR ( Somaja, 2013 Somaiah N, Yarnold J, Lagerqvist A, Rothkamm K en Helleday T (2013) Homologe recombinatie medieert cellulaire resistentie en gevoeligheid van de fractiegrootte voor bestralingstherapie. Radiother een Oncol 108:155-161. ).

Enkelstrengs uitlijning (SSA)

SSA kan worden gezien als een bijzondere vorm van HR-reparatie. Dit reparatiemechanisme is niet conservatief en is afhankelijk van de aanwezigheid van herhaalde sequenties die de DSB flankeren. Het begint met de splitsing van het 5'-uiteinde van een DNA-streng om microhomologieën bloot te leggen. Dit wordt gemedieerd door een eiwitcomplex bestaande uit het CtIP- en het MRN-complex, gevolgd door de uitlijning van de homologe uiteinden. Niet-uitgelijnde gebieden worden verwijderd door de ERCC1/XPF-nucleasen (resulterend in een verlies van nucleotiden in de DNA-keten) en vervolgens worden de DNA-uiteinden verbonden door de DNA-ligase III ( Salles , 2011 Salles D, Mencalha AL, Ireno IC, Wiesmüller L en Abdelhay E (2011) BCR-ABL stimuleert mutageen homoloog DNA dubbelstrengs breukherstel via de DNA-eindverwerkingsfactor CtIP. Carcinogenese 32:27-34. Liu, 2014 Liu C, Srihari S, Cao K-AL, Chenevix-Trench G, Simpson PT, Ragan MA en Khanna KK (2014) Een fijnmazige dissectie van de DNA-dubbelstrengige breukherstelmachines en de implicaties ervan voor borstkankertherapie. Nucleïnezuren Res 42:6106-6127. ). Er zijn aanwijzingen dat SSA-reparatie de vorming van de pathologische chromosoomtranslocaties kan veroorzaken die verband houden met kanker ( Manthey en Bailis, 2010 Manthey GM en Bailis AM (2010) Rad51 remt de vorming van translocatie door niet-conservatieve homologe recombinatie in Saccharomyces cerevisiae. PloS Een 5:e11889. ).


Verhoogd risico op het ontwikkelen van longkanker na radiotherapie voor borstkanker

Vrouwen die voor borstkanker worden bestraald, hebben een klein maar significant verhoogd risico om later een primaire longtumor te krijgen. Uit onderzoek blijkt nu dat dit risico toeneemt met de hoeveelheid straling die door het weefsel wordt geabsorbeerd.

Dr. Trine Grantzau (MD) vertelde de 33e conferentie van de European Society for Radiotherapy and Oncology (ESTRO33) in Wenen: "We ontdekten dat voor elke Gray die in de longen wordt afgeleverd als onderdeel van radiotherapie voor een borsttumor, het relatieve risico op het ontwikkelen van een daaropvolgende primaire longkanker verhoogd.Dit verhoogde risico was vergelijkbaar met het gemelde verhoogde risico op hartaandoeningen na radiotherapie voor borstkanker.

"Onze bevindingen suggereren dat elke verlaging van de stralingsdosis van de long zou resulteren in een vermindering van het risico op door straling veroorzaakte longkankers. Met de vooruitgang in de behandeling van borstkanker en de introductie van screening op borstkanker, neemt een groeiend aantal vrouwen worden op de lange termijn overlevenden, en dus moeten we ons meer bewust zijn van door behandeling veroorzaakte tweede kankers en stappen ondernemen om die risico's te verminderen door radiotherapietechnieken te gebruiken die normaal weefsel zoveel mogelijk sparen."

Dr. Grantzau, een arts op de afdeling experimentele klinische oncologie van het universiteitsziekenhuis van Aarhus (Aarhus, Denemarken), en haar collega's onderzochten de incidentie van tweede primaire longkankers (dwz een nieuwe longkanker en niet een secundaire tumor die zich heeft verspreid vanuit de oorspronkelijke borstkanker) in een groep van 23.627 vrouwen in Denemarken die tussen 1982 en 2007 met postoperatieve radiotherapie voor vroege borstkanker waren behandeld. Van deze grote groep vrouwen werd bij 151 (0,6%) een nieuwe longkanker vastgesteld (de groep gevallen) en ze werden gematcht met 443 vrouwen die geen longkanker hadden ontwikkeld (de controlegroep).

In een eerdere studie met 23.627 bestraalde vrouwen en daarnaast 22.549 niet-bestraalde borstkankerpatiënten, toonden de resultaten aan dat het risico op het ontwikkelen van een bestralingsgeïnduceerde tweede longkanker ongeveer één op elke 200 vrouwen was die werden behandeld met postoperatieve radiotherapie. "In de huidige studie wilden we zien of er een dosis-responscorrelatie was voor tweede primaire longkanker na bestraling van borstkanker. We wilden verder het extra relatieve risico schatten per afgeleverde Gray aan de long. Aangezien roken sterk gecorreleerd is met longkanker, hebben we ook gekeken naar het effect van bestraling en roken", legt dr. Grantzau uit.

De onderzoekers haalden radiotherapiegegevens op van de vorige bestralingsbehandeling voor borstkanker (inclusief de afgeleverde dosis, veldgrootte en behandelingstechniek) samen met de rookstatus voor alle gevallen en controles. Voor de gevallen kregen ze ook radiografische beelden van de longkankers. Met deze informatie waren ze in staat om de manieren waarop de vrouwen waren behandeld voor de oorspronkelijke borstkanker te reconstrueren en om de hoeveelheid straling te schatten die werd afgegeven aan het deel van de long waar de daaropvolgende tumor zich ontwikkelde. Ze testten de nauwkeurigheid van hun berekende stralingsdoses op een model, of "fantoom", en maakten aanpassingen om rekening te houden met de hogere doses die ze vonden die daadwerkelijk werden afgeleverd in gebieden buiten het hoofdstralingsveld.

De mediane leeftijd van de vrouwen waarop borstkanker werd vastgesteld was 54 (met een bereik van 34-74) en de mediane leeftijd waarop een tweede primaire longkanker werd gediagnosticeerd was 68 (bereik 46-90). Zeventig procent van de longkankers werd vijf jaar of langer na radiotherapie voor borstkanker gediagnosticeerd, variërend van vijf tot 26 jaar. De meerderheid (91%) van de gevallen van longkanker waren rokers, terwijl 40% van de controles rokers waren.

De gemiddelde dosis radiotherapie tijdens de behandeling van borstkanker die op de plaats van de longtumor was toegediend, was 8,7 Gy, terwijl deze op de vergelijkbare plaats 5,6 Gy was bij de vrouwen die geen longkanker hadden ontwikkeld. Hoewel het absolute risico op het ontwikkelen van een tweede longkanker klein is, toonden de onderzoekers aan dat bij vrouwen die minstens vijf jaar borstkanker hadden overleefd, het relatieve risico om later longkanker te krijgen met 8,5% per afgeleverde Gy aan de long toenam.

"Deze resultaten tonen aan dat het risico op tweede longkanker na radiotherapie bij vroege borstkankerpatiënten verband houdt met de dosis die aan de long wordt toegediend", zei Dr. Grantzau.

"Het is echter belangrijk om het risico op het krijgen van een bestralingsgeïnduceerde tweede longkanker te plaatsen in een perspectief dat in evenwicht is met de bekende voordelen van radiotherapie bij de adjuvante behandeling van borstkanker. Postoperatieve radiotherapie bij borstkankerpatiënten vermindert de kans op terugkeer van borstkanker en verbetert de algehele overleving De uitdaging voor radiotherapie-oncologen is om de toegediende dosis radiotherapie te verminderen op een manier die de dosis voor het normale weefsel minimaliseert om door straling veroorzaakte maligniteiten te voorkomen, zonder de werkzaamheid ervan in het kankerachtige borstweefsel in gevaar te brengen ."

Ze voegde eraan toe: "Bovendien moeten artsen voortdurend borstkankerpatiënten adviseren te stoppen met roken om hun risico op het ontwikkelen van longkanker te verminderen. Het is belangrijk om te benadrukken dat het risico op het krijgen van door tabak veroorzaakte longkanker veel hoger is dan het risico van een door straling geïnduceerde tweede longkanker krijgen.

Professor Vincenzo Valentini, president van ESTRO en radiotherapeut-oncoloog aan de Policlinico Universitario A. Gemelli, Rome, Italië, merkte op: "Dit onderzoek toont het belang aan van het bewaken van de veiligheid van radiotherapieprocedures, zodat we de verkregen informatie kunnen gebruiken om een ​​goede evenwicht tussen de risico's en voordelen van een bepaalde behandeling.Het verminderen van de stralingsdosis tot normaal weefsel is altijd gunstig, en het kennen van het exacte doel en de beste stralingsdosis zal helpen om eventuele bijwerkingen op de lange termijn van een therapie te verminderen waarvan onderzoek lang heeft aangetoond dat het een hulpmiddel is bij het redden van het leven van vrouwen met borstkanker. Het onderzoek van dr. Grantzau suggereert dat er een klein verhoogd risico is op longkanker in de jaren na radiotherapie voor borstkanker, vooral bij vrouwen die roken. Dit onderstreept het belang voor vrouwen om niet te roken, omdat dit het risico op een reeks ziekten verhoogt. Wij, als radiotherapeut-oncologen, zullen blijven werken aan het monitoren en verbeteren van de veiligheid en werkzaamheid van onze therapieën."


Stralingsgevaren voor bemanningen van interplanetaire missies: biologische problemen en onderzoeksstrategieën (1996)

Afscherming

Aanbevelingen voor onderzoek om de afschermingsvereisten beter te bepalen

In vergelijking met zorgen over andere fysiologische problemen en over de betrouwbaarheid van voertuigen, was er aanvankelijk een minimale waardering voor de gevaren van blootstelling aan straling in een lage baan om de aarde. De enige uitzondering waren de ingesloten stralingsgordels, die een maximale intensiteit bereikten in de Zuid-Atlantische Anomalie, maar met oordeelkundig gekozen vliegroutes werd zelfs deze blootstelling op acceptabele niveaus gehouden.

De relatieve risico's van blootstelling aan straling zullen aanzienlijk verschillen voor de oprichting van een maanstation of voor een bemande missie naar Mars. De beschermende effecten van het aardmagnetische veld zullen bijvoorbeeld niet langer van toepassing zijn, en bijgevolg zullen de spectra en de overvloed aan deeltjes waaruit de term stralingsbron bestaat, verschillen van die waargenomen in een lage baan om de aarde.

Hoewel minimale schildoptimalisatie vereist was in de eerste voertuigen met een lage baan om de aarde, zal en zou optimalisatie een belangrijke factor moeten zijn bij het ontwerp van voertuigen voor langdurig reizen in het zonnestelsel. Onderzoeksgebieden die moeten worden aangepakt zijn de volgende:

  1. Karakterisering van de stralingen in de ruimte en hun onzekerheden voor galactische kosmische straling en zonnedeeltjesgebeurtenissen (SPE's)
  2. Basisdoorsneden voor primaire deeltjesinteracties en vorming van fragmentatieproducten
  3. Experimentele validatie van transport- en fragmentatieafscherming van computermodelleringscodes en
  4. Volledige herbeoordeling van afschermingsmaterialen en stralingsrisicomodellen.

Kennisbankontwikkeling

Huidige studies geven aan dat de deeltjesverdeling en energieën die optreden achter de verschillende potentiële schildmaterialen in kritieke mate afhankelijk zijn van de fragmentatie en secundaire deeltjesproductie die optreedt wanneer de afscherming van ruimtevaartuigen wordt getroffen door straling. Zelfs dwarsdoorsneden voor protonen, die zowel experimenteel als theoretisch uitgebreid zijn bestudeerd in de meest ondersteunde computermodelleringscodes, vertonen een verschil van een factor 2 1 tussen de waarden die zijn berekend op basis van modellen en metingen in energiegebieden waarvoor voorheen geen gegevens waren . Om de onzekerheden in transportcodes (dwz computermodelleringsprogramma's die worden gebruikt om het transport van primaire straling en secundaire deeltjes door materialen te berekenen) die voor dergelijke berekeningen worden gebruikt, te verminderen, zijn nauwkeurige metingen van interactiedwarsdoorsneden (relatieve waarschijnlijkheden) vereist om te benchmarken de code.

De totale hoeveelheid bundeltijd die NASA koopt voor onderzoek met ionen zwaarder dan protonen is momenteel 100 uur per jaar. Hieronder valt niet alleen de tijd voor de eerder genoemde fysica-experimenten, maar ook voor de biologische bestralingen en de dosimetrie voor biologische experimenten, die even lang kunnen duren als de biologische bestralingen zelf. Deze hoeveelheid straaltijd is te vergelijken met ongeveer 400 uur per jaar die voorheen beschikbaar waren voor soortgelijke onderzoeksstudies in het nu gesloten Berkeley BEVALAC. Uit de voorspelde doorsneden voor de secundaire deeltjes en de maximale telsnelheden van de meest gevoelige detectoren om deze deeltjes in het apparaat te detecteren, is het mogelijk om typische tijdsperioden te schatten die nodig zijn om een ​​voldoende aantal tellingen te accumuleren bij een gespecificeerde bundelsnelheid, dus dat de willekeurige fout in het totaal aantal wordt geminimaliseerd. Een redelijke schatting voor metingen van secundaire deeltjesspectra is ongeveer 1 uur bundel op doel voor elk gegevenspunt, d.w.z. één type invallend deeltje op één energieniveau voor één doelsamenstelling op één dikte. Elk schildmateriaal zou moeten worden getest met ten minste drie deeltjestypes, protonen niet meegerekend. Elk deeltjestype zou moeten worden versneld tot ongeveer vijf verschillende energieniveaus, en bij elke energie moeten vijf afschermingsdiktes worden getest. Inclusief de tijd die nodig is voor het opzetten van experimenten en testapparatuur (die gelijk kan zijn aan de tijd die nodig is om gegevens te verzamelen), schatte de taakgroep dat er ongeveer 100 uur nodig is voor elk afschermingsmateriaal dat wordt onderzocht met één deeltjestype voor gegevens verzameld langs de primaire bundelas , waarbij de bundeltijd geometrisch toeneemt met de verstrooiingshoek. (Een semipermanente of speciale faciliteit zou de insteltijden drastisch kunnen verkorten, aangezien apparatuur tussen experimenten op zijn plaats kan blijven.) Als ook het verzamelen van gegevens buiten de as wordt overwogen, is een conservatieve schatting van de tijd die nodig is voor het verkrijgen van gegevens over deeltjestypes, aantallen , en de energie is ongeveer 300 uur voor elk deeltje voor elk afschermend materiaal, of ongeveer 900 uur voor drie materialen. Deze hoeveelheid tijd zou met een factor 2 of meer toenemen als gegevens werden verzameld bij verstrooiingshoeken buiten de as en zou overeenkomen met ongeveer 1 of 2 equivalente chronologische jaren van toegewijd onderzoek bij de meeste DOE-versnellers.

De samenstelling van de GCR-deeltjesspectra dicteert een focus op ijzer als het deeltje met het hoogste atoomnummer (Z) van kritisch belang. Studies met extra ionen zijn echter vereist om de theoretische dwarsdoorsnedecode te benchmarken met het Z-bereik van belang. Omdat de onzekerheid in de berekende doorsneden wordt weerspiegeld in de onzekerheid in het niveau van de vereiste afscherming, zal het verminderen van de onzekerheid van deze gegevenswaarden grote gevolgen hebben voor de kostenreductie.

Naast validatie van de doorsnedeberekeningscodes is validatie van de transportcode zelf nodig. Experimentele metingen van deeltjes afkomstig van een dik gelamineerd schild moeten worden vergeleken met theoretische berekeningen om de transportcodes te benchmarken en de onzekerheid in de berekening van de benodigde hoeveelheid afscherming te verminderen. De laminaatafschermingen moeten zorgvuldig worden gekozen om de volledige reikwijdte van materialen weer te geven die kunnen worden gebruikt SiC, 6 LiH, Al, regolith en andere waterstofbevattende materialen die veelbelovend zijn.

Afschermingsbenaderingen

Zoals hierboven aangegeven, werd straling niet als een ernstig gevaar beschouwd bij missies in een lage baan om de aarde van relatief korte duur bij lage hellingen, aangezien de doses in ruimtevaartuigen ruim binnen de NCRP-richtlijnen waren. 2 Voor de missie naar Mars vereist het verlies van de afschermingsvoordelen van het aardmagnetisch veld en de langere tijdsperioden waarin de dosis wordt geaccumuleerd echter dat het ontwerp van de afscherming opnieuw wordt geëvalueerd. Het concept van "voeg gewoon wat meer aluminium toe" is geen bevredigende oplossing.

Voor afscherming in de ruimte kunnen twee opties worden overwogen: actieve of passieve afscherming. De passieve benadering van bulkafscherming werd gekozen voor de NASA-missies in een lage baan om de aarde en resulteerde in een betrouwbaar systeem tegen redelijke kosten. Een actief systeem zou het gebruik van zeer grote magnetische veldsterkten vereisen om geladen deeltjes weg te leiden van het ruimtevaartuig. Het minimaliseren van de energiebehoefte zou het gebruik van supergeleidende systemen met zich meebrengen en zou de bijbehorende complexiteit van dergelijke systemen met zich meebrengen. Aangezien kosmische straling in wezen isotroop is, zou een volledig omhullend magnetisch schild wenselijk zijn, maar vanuit praktisch oogpunt zeer moeilijk te bereiken. De constructie van een bevredigend actief schild is dus twijfelachtig. NASA heeft ervoor gekozen om het ontwerp van een actief afschermingssysteem niet na te streven, voornamelijk vanwege twijfels over de betrouwbaarheid ervan en dit rapport richt zich op de vereisten voor een passief afschermingssysteem.


Conclusie

Door straling veroorzaakte effecten van omstanders zijn de afgelopen tien jaar uitgebreid bestudeerd. De overvloed aan gegevens die nu beschikbaar zijn over dit effect valt in twee categorieën uiteen: (l) in samenvloeiende culturen waar fysieke contacten tussen bestraalde en niet-bestraalde cellen worden gemaakt en waarvan is aangetoond dat communicatie tussen spleetovergangen essentieel is voor het proces, en (ii) in dunbevolkte culturen waar omstandereffecten kunnen worden gemedieerd door schadesignalen die door de bestraalde cellen in het kweekmedium worden afgegeven. Als gevolg hiervan kan incubatie van niet-bestraalde cellen met geconditioneerd medium uit bestraalde culturen leiden tot inductie van biologische effecten. In de huidige studie werden ruimtelijk verschillende confluente monolagen van NHLF gebruikt. Het is niet duidelijk of de signaalmoleculen die betrokken zijn bij de twee omstandersprocessen elkaar uitsluiten. In feite is het waarschijnlijk dat er enkele gemeenschappelijke initiërende of tussenstappen bij betrokken zijn.

Het mechanisme van het door straling geïnduceerde omstandereffect, of het nu gaat om cel-celcontact of wordt gemedieerd door oplosbare factoren, is niet duidelijk, is waarschijnlijk complex en omvat meerdere routes. Het is echter duidelijk dat p53-genfunctie niet nodig is voor het effect, omdat cellen zonder normale p53-functie (zoals ovariumcellen van Chinese hamsters) een grote omstanderreactie vertonen in beide omstandersroutes. Het is waarschijnlijk dat meerdere signaleringscascades met zowel een initiërende gebeurtenis als stroomafwaartse signaleringsstappen nodig zijn om het omstanderproces te bemiddelen. In de huidige studie hebben we een systematische benadering gebruikt om eerst de signaleringsgenen te identificeren die differentieel zijn veranderd tussen de omstanderscellen, gevolgd door functionele testen om de biologische betekenis van de signaleringsmoleculen te identificeren en te beoordelen.

Door een microarray te gebruiken die specifiek is voor celsignaleringsgenen, identificeerden we de transcriptie van twee genen, COX-2 en IGFBP-3, die consequent werden gewijzigd in de omstanderscellen. Zoals voorgesteld in ons werkmodel (Fig. 8), zouden de functies van deze twee genen op een gecoördineerde manier kunnen werken om het omstandereffect te mediëren. COX-2 is een lid van de COX-familie van genen die belangrijke functies hebben bij het mediëren van de cellulaire immuunrespons. Er zijn twee isovormen van COX: COX-1 en COX-2, die in veel opzichten verschillen. Bijvoorbeeld, COX-1 wordt constitutief tot expressie gebracht in normale weefsels, maar COX-2 is induceerbaar na behandeling met verschillende groeifactoren en cytokinen, zoals TGFβ, TNF-α, IL1β en verschillende stressfactoren (28, 29). Al deze stimuli induceren Ras-Raf-MEK-ERK-AP1- en remmer nucleaire factor KB-kinase (IKK) -NF-KB-routes en richten zich uiteindelijk op COX-2-gentranscriptie. COX-2 is de initiële en snelheidsbeperkende enzymatische stap in het metabolisme van arachidonzuur in een complexe groep van signalerende lipidemediatoren, prostaglandinen (30) genaamd, die een belangrijke rol spelen bij het moduleren van cellulaire ontsteking, carcinogenese en genomische instabiliteit.

Werkmodel van de signaalroutes die betrokken zijn bij het stralingsgeïnduceerde omstandereffect. Binding van TNF-α-, TGFβ-, IGF-, IL-1- en IL-8-liganden aan de overeenkomstige receptoren activeren signaalroutes, waaronder MEK1/2 mitogeen-geactiveerd proteïnekinasekinase (MKK3/6) en p38-kinase (allemaal in blauwe lijnen ), die leiden tot COX-2-genexpressie. Specifieke remmers van de verschillende signaalroutes, zoals Wortmannin (wt) voor fosfatidylinositol 3-kinase en N-(α)-tosyl-l-lysine-chloormethylketon-hydrochloride voor de NF-KB kan worden gebruikt om specifieke signaalroutes af te bakenen die betrokken zijn bij het fenomeen van omstanders.

Omdat de overvloed aan COX-2 RNA wordt 3 keer verhoogd in de omstanderscellen, het is noodzakelijk om de te neutraliseren COX-2 signaalroutes om zijn functie in het omstandereffect vast te stellen. We gebruikten NS-398, een specifieke remmer van COX-2, om dit doel te bereiken. de IC50 waarden van NS-398 voor de menselijke recombinante vorm van COX-1 en COX-2 zijn vastgesteld op respectievelijk 75 en 1,8 M (31). In aanwezigheid van NS-398 werd het mutagene effect van omstanders in NHLF-cellen met >6-voudig verminderd, waardoor de functionele link van COX-2 aan de omstanderscascade van gebeurtenissen tot stand werd gebracht. Omdat echter zowel direct bestraalde als niet-bestraalde NHLF-cellen van omstanders in hetzelfde medium werden gehouden met NS-398, kunnen we de mogelijke effecten van NS-398 op de direct bestraalde cellen bij het bevorderen van door straling geïnduceerde omstanderseffecten niet uitsluiten.

Een ander gen dat differentieel tot expressie wordt gebracht in de omstander-NHLF-cellen is IGFBP-3. Bij mensen is het merendeel van de circulerende IGF's gebonden aan IGFBP-3, dat voornamelijk in de lever wordt geproduceerd (32). IGFBP-3 remt IGF-activiteit op cellulair niveau door competitief te binden aan IGF's en daardoor hun binding aan de IGF-receptoren in het celoppervlak te voorkomen. Door te voorkomen dat IGF's aan de IGF-receptoren binden, remt IGFBP-3 effectief IGF-gemedieerde signaalroutes (33). De waarneming dat er een 7-voudige afname was in de niveaus van IGFBP-3 onder de omstanderscellen suggereert dat het IGF-signaleringsproces actief is en mogelijk een functionele rol zou kunnen spelen in het omstanderproces. Onze bevindingen dat exogeen toegepaste IGFBP-3 zowel overleving van omstanders als mutagene effecten kan elimineren, bieden sterke ondersteuning voor een belangrijke rol van de IGF-activerende lus. Deze bevinding komt overeen met onze waarnemingen dat voorbehandeling met anti-humaan TNF-a monoklonaal antilichaam (5 g/ml), dat geen invloed heeft op ERK-fosforylering in bestraalde fibroblasten, ERK-activering in de omstanderscellen volledig teniet deed.

Zoals hierboven vermeld, is een van de gevolgen van de binding van TNF-a, IGF en andere leukotriënen aan de oppervlaktereceptorplaatsen activering van de MAPK-cellulaire signaalroutes. De drie klassen van MAPK omvatten ERK, c-Jun N-terminaal kinase (JNK) en p38-kinasen (34). Er wordt aangenomen dat ERK's sterk worden geactiveerd en een belangrijke rol spelen bij intracellulaire signalering die wordt geïnduceerd door verschillende groeifactoren, zoals epidermale groeifactor en tumorpromoters (bijv. forbolesters) (35). Aan de andere kant worden JNK- en p38-kinasen geactiveerd door meerdere spanningen, waaronder UV, ioniserende straling, cytotoxische chemicaliën en reactieve zuurstofsoorten (36). Hoewel de rol van p38-kinasesignalering in de cellulaire respons op externe stimuli divers is, zijn de reacties van ERK en JNK redelijk betrouwbaar. Dit komt overeen met onze huidige bevinding, waarbij de activering van ERK robuust en persistent is.

Verder zijn er aanwijzingen dat TGFβ een belangrijke rol kan spelen bij het mediëren van omstanderseffecten in experimenten met mediumoverdracht (23). Evenzo Lehnert et al. (37, 38) hebben de bijdrage aangetoond van reactieve zuurstofsoorten (ROS) aan de inductie van uitwisselingen van zusterchromatiden tussen niet-bestraalde culturen die zijn blootgesteld aan bestraalde kweekmedia. Omdat zowel TGFβ als ROS de MAPK-signaleringscascade kunnen activeren, zijn deze bevindingen consistent met de huidige observatie van de rol van COX-2 in het omstandereffect. Evenzo is de rol van stikstofmonoxide in medium-gemedieerde reactie van omstanders beschreven (24). De waarnemingen die (l) van stikstofmonoxide is bekend dat het de expressie van IL-8 in sommige menselijke cellen reguleert (39) en (ii) stikstofoxidesynthase, dat cruciaal is voor de biosynthese van peroxynitrietanionen, is aangetoond dat het betrokken is bij de regulatie van COX-2-expressie (40) vormt een functionele link voor de rol van stikstofmonoxide en COX-2 bij het bemiddelen van de omstander effect. Het is waarschijnlijk dat een aantal gemeenschappelijke initiërende of tussenstappen betrokken zijn bij de twee processen.

Ten slotte een beter begrip van de cellulaire en moleculaire mechanismen van het fenomeen van omstanders, samen met bewijs van hun optreden in vivo, zal ons in staat stellen een nauwkeuriger model te formuleren voor het beoordelen van de gezondheidseffecten van lage doses ioniserende straling.


Bekijk de video: The different types of mutations. Biomolecules. MCAT. Khan Academy (Februari 2023).