Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Наследственные последствия облучения обоих родителей

ВАК РФ 03.00.01, Радиобиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Нефедов, Игорь Юрьевич, Обнинск

7 0s-.ss

fu Г/tci с-exe ejeu-Y

•V / / .;/ „ —:

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ МЕДИЦИНСКИХ НАУК МЕДИЦИНСКИЙ РАДИОЛОГИЧЕСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

На правах рукописи

Нефёдов Игорь Юрьевич

Наследственные последствия облучения обоих родителей

(экспериментальное исследование на крысах линии Вистар)

03.00.01 - радиобиология

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Научный консультант -доктор медицинских наук, профессор Г.Ф.Палыга

Обнинск, 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

I. ВВЕДЕНИЕ..........6

II. Теоретическая часть

Глава I. НАСЛЕДСТВЕННЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ НА МЛЕКОПИТАЮЩИХ (обзор литературы) ...... .28

1.1. Общебиологические аспекты проблемы наследственных последствий облучения половых клеток млекопитающих. .28

1.2. Наследственные последствия облучения половых клеток самцов млекопитающих........ .36

1.3. Наследственные последствия облучения половых клеток

самок млекопитающих. ....... .49

1.4. Наследственные последствия облучения половых клеток

обоих родителей. . . . .59

1.5. Актуальные аспекты проблемы наследственных последствий воздействия ионизирующей радиации на человека. .70 Заключение. . . .79

Глава II. НЕКОТОРЫЕ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ НАСЛЕДСТВЕННЫХ ПОСЛЕДСТВИЙ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ НА ПОЛОВЫЕ КЛЕТКИ ОДНОГО И ОБОИХ РОДИТЕЛЕЙ .86

Заключение. . . . . . .107

III. Экспериментальная часть

Глава III. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ . .110

Глава IV. НАСЛЕДСТВЕННЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ В ОНТОГЕНЕЗЕ ПОТОМСТВА ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ ПОЛОВЫХ КЛЕТОК ОДНОГО И ОБОИХ РОДИТЕЛЕЙ НА РАЗЛИЧНЫХ

СТАДИЯХ ГАМЕТОГЕНЕЗА.......123

4.1. Эмбриогенез и ранний постнатальный периоды онтогенеза потомства F1 после облучения половых клеток родителей на стадиях сперматогониев и различных стадиях оогенеза.. . .124

4.2. Эмбриогенез и ранний постнатальный периоды онтогенеза потомства Р1 после облучения половых клеток родителей на

стадиях сперматоцитов и различных стадиях оогенеза. . .136

4.3. Эмбриогенез и ранний постнатальный периоды онтогенеза потомства после облучения половых клеток родителей на

стадиях сперматид и различных стадиях оогенеза. .146

4.4. Эмбриогенез и ранний постнатальный периоды онтогенеза потомства после облучения половых клеток родителей на

стадиях сперматозоидов и различных стадиях оогенеза. . 173

Заключение и выводы ....... .204

Глава V. НАСЛЕДСТВЕННЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ В ОНТОГЕНЕЗЕ ПОТОМСТВА ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ ПОЛОВЫХ КЛЕТОК ОБОИХ ПРАРОДИТЕЛЕЙ НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ ГАМЕТОГЕНЕЗА.........213

5.1. Наследственные последствия в онтогенезе потомства Р2 по отцовской линии после облучения половых клеток обоих прародителей на различных стадиях гаметогенеза. . .213

5.1.1. Эмбриогенез и ранний постнатальный периоды онтогенеза потомства Я2 после облучения половых клеток прародителей на стадиях сперматогониев и различных стадиях оогенеза. .214

5.1.2. Эмбриогенез и ранний постнатальный периоды онтогенеза потомства Р2 после облучения половых клеток прародителей на стадиях сперматоцитов и различных стадиях оогенеза. . .221

5.1.3. Эмбриогенез и ранний постнатальный периоды онтогенеза потомства ¥2 после облучения половых клеток прародителей на стадиях сперматид и различных стадиях оогенеза. . .230

5.1.4. Эмбриогенез и ранний постнатальный периоды онтогенеза потомства ¥2 после облучения половых клеток прародителей на стадиях сперматозоидов и различных стадиях оогенеза. .239

5.1.5. Исследование полноценности половых клеток потомства Р2 .252 Резюме ......... .256

5.2. Наследственные последствия в онтогенезе потомства Р2 по материнской линии после облучения половых клеток обоих прародителей на различных стадиях гаметогенеза. .... .258

5.2.1. Эмбриогенез и ранний постнатальный периоды онтогенеза потомства Р2 после облучения половых клеток прародителей на стадиях сперматогониев и различных стадиях оогенеза.

5.2.2. Эмбриогенез и ранний постнатальный периоды онтогенеза потомства Р2 после облучения половых клеток прародителей на стадиях сперматоцитов и различных стадиях оогенеза. .

5.2.3. Эмбриогенез и ранний постнатальный периоды онтогенеза потомства ¥2 после облучения половых клеток прародителей на стадиях сперматид и различных стадиях оогенеза.

5.2.4. Эмбриогенез и ранний постнатальный периоды онтогенеза потомства ¥2 после облучения половых клеток прародителей на стадиях сперматозоидов и различных стадиях оогенеза.

Резюме .........

Заключение и выводы .......

Глава VI. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПОСТРАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ У ПОТОМСТВА ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЙ ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ ПОЛОВЫХ КЛЕТОК ОБОИХ РОДИТЕЛЕЙ (ПРАРОДИТЕЛЕЙ) НА РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ ГАМЕТОГЕНЕЗА .304

Заключение и выводы . . .317

IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........319

V. ВЫВОДЫ...........330

VI. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........332

.267

.275

.285 .297 .298

,,... несомненен факт, что непосредственно передаются по наследству лишь половые клетки, а весь онтогенез представляет индивидуальную надстройку, осуществляемую каждый раз наново в виде цепи реакций, освобождаемых внешними факторами".

И. И. Шмальгаузен

I. ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Федеральный Закон "О радиационной безопасности населения" предполагает ,, ... состояние защищенности настоящего и будущего поколений людей от вредного для их здоровья воздействия ионизирующего излучения" (статья 1) [254]. Закон также определяет право граждан на „возмещение вреда, причиненного их жизни и здоровью ..., в соответствии с законодательством Российской Федерации" (статья 26). Прогноз состояния здоровья будущих поколений людей, подвергшихся облучению, является составной частью научной проблемы генетических последствий воздействия ионизирующей радиации на человека. Особенность данной проблемы заключается в том, что эффекты облучения отстранены в будущее на многие годы, а соответствующие меры медицинской, социально-экономической и правовой защиты населения необходимо принимать непосредственно после облучения. В силу специфики Homo Sapiens как объекта исследований, важным инструментом в изучении наследственных последствий облучения являются исследования на экспериментальных животных, которые позволяют выявить общие закономерности реализации наследственных пострадиационных эффектов у млекопитающих и экстраполировать их на человека. Начало таким исследованиям было положено в 1903 г. нашим соотечественником Е.С. Лондоном [128] и немецким ученым Н.Е. Albers-Schoneberg [294]. Систематическое же изучение данной проблемы началось в 30-40 годах в исследованиях P.Hertwig [360, 361 и др.] и G.Snell [429, 430 и др.], а затем достигло своего пика в 50-60 годах в ставших классическими исследованиях отечественных и зарубежных ученых. В свя-

зи с трагическими событиями на Чернобыльской АЭС в 1986 г. интерес к подобным исследованиям возобновился. В разные годы многочисленные экспериментальные данные по этой проблеме обобщались в специальных монографиях, сборниках и т.д., однако, несмотря на более чем 90-летнюю историю изучения данной проблемы, она до настоящего времени остается далека от своего однозначного окончательного разрешения. Более того, в последнее время появились новые ее аспекты, которые раньше не были актуальными, а поэтому целенаправленно и систематически не исследовались.

Техническое развитие цивилизации, сопровождающееся широким использованием атомной энергии, превратило ионизирующее излучение в глобальный экологический фактор, который затронул судьбы тысяч семей и сделал актуальным изучение наследственных последствий облучения обоих родителей. Анализ данных литературы показывает, что до настоящего времени пострадиационные эффекты у потомства, сформировавшегося из двух облученных половых клеток, т.е. облученной мужской и облученной женской, целенаправленно, как самостоятельная проблема в рамках глобальных исследований генетических последствий облучения, не изучались, хотя эта проблема представляет фундаментальный научный интерес и имеет важное практическое значение. Например, экспериментально не обоснован и однозначно не решен вопрос о том, какую дозу облучения использовать для оценки генетических последствий у потомства, если облучению подверглись оба родителя? Так, специалисты из Radiation Effects Research Foundation (Хиросима, Япония) а также J. Neel (США) в таких случаях использовали суммарную дозу, т.е. сумму доз, в которых были облучены отец и мать [458]. Но такой подход подвергся критике другим специалистом из США Дж. Гофманом, считающим, что в таких случаях нужно использовать суммарную дозу, деленную пополам [345]. Гипотетически возможны и

другие ответы на этот вопрос, например, использование наибольшей из доз, в которых были облучены родители, или суммарной дозы, умноженной на определенный коэффициент, если исходить из предположения, что участие в оплодотворении двух облученных половых клеток может приводить к синергизму пострадиационных эффектов у потомства. Вероятно, решить данный вопрос, исходя только из общетеоретических предположений, невозможно и требуются специальные модельные эксперименты на лабораторных животных, которые могут позволить выявить какие-либо количественные закономерности в реализации пострадиационных эффектов у потомства одного и обоих облученных родителей и экстраполировать их на человека. Решение этого вопроса имеет важное значение не только для выработки подходов при прогнозировании наследственных последствий облучения обоих родителей, но и для принятия соответствующих мер медицинской, социально-экономической и правовой защиты детей облученных родителей. Так, в соответствии с Законом РФ "О социальной защите граждан, подвергшихся воздействию радиации вследствие катастрофы на Чернобыльской АЭС [80], такая защита распространяется на определенные категории детей (статья 13 и 25), родившихся после облучения "...одного из родителей...". К этой категории детей относятся в том числе и дети граждан, эвакуированных из зоны отчуждения и переселенные из зоны переселения, а это тысячи семей, в которых облучению подверглись оба супруга. Поэтому вопрос о том, какую дозу использовать в отношении детей обоих облученных родителей, приобретает принципиальное значение и переходит из плоскости научной в правовую и социально-экономическую, связанную с определенными льготами и т.д. К сожалению, ни в данном Законе, ни в "Концепции радиационной, медицинской, социальной защиты и реабилитации населения Российской Федерации, подвергшегося аварийному облучению" [109], этот вопрос не оговаривается.

Таким образом, в настоящее время не только не рассматриваются возможные подходы к решению данного вопроса, но и он не сформулирован как проблема, требующая самостоятельного специального рассмотрения.

Приведенный пример является только одним из возможных практических результатов разработки проблемы наследственных последствий облучения обоих родителей.

С точки зрения фундаментальности исследования можно выделить два основных аспекта в изучении данной проблемы. Первый из них связан с изучением пострадиационных эффектов у потомства, сформировавшегося из облученной мужской и облученной женской половых клеток, а второй - со сравнительным исследованием их потомства, сформировавшегося их двух облученных, а также одной облученной, а второй необлученной половых клеток. Каждый из этих аспектов имеет свое самостоятельное научное и практическое значение. В первом случае особый интерес представляет сравнительное изучение пострадиационных эффектов у потомства, сформировавшегося из половых клеток, подвергшихся облучению на различных стадиях спермато- и овогенеза, которые, как известно [286], обладают различной генетической радиочувствительностью. Исследование зависимости "выхода" пострадиационных эффектов у потомства от стадий развития половых клеток обоих родителей в момент радиационного воздействия и величины дозы облучения является одним из фундаментальных аспектов проблемы генетических последствий облучения млекопитающих. Экспериментальное выявление сочетаний (комбинаций) половых клеток, принявших участие в оплодотворении после их облучения на определенных стадиях развития, имеющих наименьшие отрицательные последствия для потомства, представляет интерес для выработки подходов по прогнозированию и естественному снижению наследственных последствий облучения

человека. Второй аспект данной проблемы связан со сравнительным изучением пострадиационных эффектов у потомства, сформировавшегося из двух облученных половых клеток и одной облученной, а второй интактной гамет, что позволит выявить возможные особенности в пострадиационных эффектах у потомства, обусловленные участием в оплодотворении двух облученных гамет.

Для изучения закономерностей реализации наследственных пострадиационных эффектов, т.е. выявления причинно-следственных связей между условиями радиационного воздействия на родителей и последствиями для потомства, принципиальное значение имеет выбор критериев оценки его состояния, которые, с одной стороны, должны характеризовать потомство адекватно целям и задачам исследования, а с другой - позволять экстраполировать результаты экспериментального исследования на человека. Например, в широко известных исследованиях W.L. Russell, выполненных на мышах (потомство облученных самцов и интактных самок), изучалась мутабильность семи локусов и делался вывод о радиомутабильности генома мыши в целом, что еще в 60-х годах было предметом критики Н.И. Шапиро [274-279] и других ученых. Так, при изучении рецессивных летальных мутаций у млекопитающих можно обнаружить только те из них, которые возникают в непосредственной близости от генов-маркеров, которые уже известны у мыши. Но так как маркированные хромосомы составляют небольшую часть общего генома мыши, то данные о количестве леталей, полученные таким путем, не могут дать точной характеристики истинной частоты мутаций в целом для вида [227]. С позиций системного характера мутагенеза генетический материал в клетках эукариотов организован в сложную генную регуляторную систему и любой повреждающий фактор наносит удар не по отдельным, не связанным друг с другом генетическим единицам, а по той или иной части этой многоуровневой системы, и судьба этого повреждения

определяется реакцией не только этой системы, но и всей клетки, а возможно, и организма [21]. Поэтому при оценке радиационных эффектов наибольший интерес могут представлять критерии, интегрирующие генетические последствия облучения и связанные с общей жизнеспособностью потомства. В экспериментальном исследовании одним из таких критериев может быть гибель потомства на различных этапах индивидуального развития. Возможность объективной количественной оценки данного показателя, а также установление причинно-следственных связей между условиями радиационного воздействия на гаметогенез одного и обоих родителей и эффектами у потомства в онтогенезе и последующих поколениях позволит выявить закономерности реализации наследственных пострадиационных эффектов, которые являются основой экстраполяции экспериментальных данных с животных на человека [220]. Исследование закономерностей реализации наследственных пострадиационных эффектов у потомства обоих облученных родителей предполагает разработку соответствующей экспериментальной модели, позволяющей оценить возможную специфику в последствиях у потомства, обусловленную участием в оплодотворении двух облученных половых клеток. Анализ данных литературы показывает, что несмотря на многолетнюю историю изучения генетических последствий облучения млекопитающих подобные исследования не проводились.

Особая актуальность радиационно-генетической проблематики в целом отмечается в постановлении Президиума РАМН (1995) [216], а также в высказываниях ведущих ученых России в области радиационной биологии и радиоэкологии [4, 285 и др.]. Однако следует отметить, что значимость подобных исследований не ограничивается только научно-практическими рамками радиационной проблематики, но связана с задачами профилактической медицины в целом. Так, по заключениям зарубежных специалистов, в развитых странах дальнейшее снижение детской смерт-

ности уже почти не зависит от улучшения условий жизни, медицинского обеспечения после рождения и т.д., и связано не столько с осложнениями беременности и родов, сколько непосредственно с периодом зачатия. По мнению некоторых специалистов [160] основная задача современной репродуктивной стратегии состоит в том, чтобы устранить неблагоприятные факторы, препятствующие нормальному созреванию гамет, оплодотворению и раннему доимплантационному развитию. По данным [54] лучшими предикторами продолжительности жизни являются не собственные признаки организма, а родительские признаки, которые могут име�