Biologiska effekter av strålning på epigenomet

Joniserande strålning kan orsaka biologiska effekter som överförs till avkomman genom epigenomet . Effekterna av strålning på celler har visat sig vara beroende av stråldosen , cellens placering i förhållande till vävnad och om cellen är en somatisk cell eller könscell . Generellt verkar joniserande strålning minska metylering av DNA i celler.

Joniserande strålning har varit känt för att orsaka skada på cellulära komponenter som proteiner , lipider och nukleinsyror . Det har också varit känt att orsaka DNA dubbelsträngsbrott . Ackumulering av DNA-dubbelsträngsbrott kan leda till cellcykelstopp i somatiska celler och orsaka celldöd . På grund av dess förmåga att inducera cellcykelstopp används joniserande strålning på onormala utväxter i människokroppen, såsom cancerceller, vid strålbehandling . De flesta cancerceller behandlas fullständigt med någon typ av strålbehandling , men vissa celler, såsom stamcellscancerceller, återkommer när de behandlas med denna typ av terapi.

Strålningsexponering i vardagen

Icke-joniserande strålning, elektromagnetiska fält (EMF) som radiofrekvens (RF) eller effektfrekvensstrålning har blivit mycket vanliga i vardagen. Alla dessa existerar som lågfrekvent strålning som kan komma från trådlösa cellulära enheter eller genom elektriska apparater som inducerar extremt lågfrekvent strålning (ELF). Exponering för dessa radioaktiva frekvenser har visat negativa effekter på mäns fertilitet genom att påverka spermiernas DNA och försämra testiklarna samt en ökad risk för tumörbildning i spottkörtlar. International Agency for Research on Cancer anser att RF-elektromagnetiska fält kan vara cancerframkallande för människor, men bevisen är begränsade.

Strålning och medicinsk bildbehandling

Se även: Strålskydd

Framsteg inom medicinsk bildbehandling har resulterat i ökad exponering av människor för låga doser av joniserande strålning. Strålningsexponering inom pediatrik har visat sig ha större inverkan då barnceller fortfarande utvecklas. Den strålning som erhålls från medicinska avbildningstekniker är bara skadlig om den konsekvent riktas flera gånger på kort tid. Säkerhetsåtgärder har införts för att begränsa exponeringen av skadlig joniserande strålning, såsom användning av skyddsmaterial under användningen av dessa bildverktyg. En lägre dos används också för att helt eliminera risken för en skadlig effekt från de medicinska bildbehandlingsverktygen. Nationella rådet för strålskydd och mätningar har tillsammans med många andra vetenskapliga kommittéer bestämt sig för fortsatt användning av medicinsk bildbehandling eftersom belöningen vida överväger den minimala risken från dessa bildtekniker. Om säkerhetsprotokollen inte följs finns det en potentiell ökning av risken att utveckla cancer. Detta beror främst på den minskade metyleringen av cellcykelgener, såsom de som är relaterade till apoptos och DNA-reparation . Den joniserande strålningen från dessa tekniker kan orsaka många andra skadliga effekter i celler, inklusive förändringar i genuttryck och att stoppa cellcykeln. Dessa resultat är dock extremt osannolika om de rätta protokollen följs.

Målteori

Målteorin berör modellerna av hur strålning dödar biologiska celler och bygger på två huvudpostulat:

1. "Strålning anses vara en sekvens av slumpmässiga projektiler;
2. cellens komponenter anses vara de mål som bombarderas av dessa projektiler"

Flera modeller har utgått från ovanstående två punkter. Från de olika föreslagna modellerna fann man tre huvudslutsatser:

1. Fysiska träffar följer en Poisson-fördelning
2. Radioaktiva partiklars misslyckande att attackera känsliga områden av celler möjliggör cellens överlevnad
3. Celldöd är en exponentiell funktion av den mottagna stråldosen eftersom antalet mottagna träffar är direkt proportionell mot stråldosen; alla träffar anses vara dödliga

Strålningsexponering genom joniserande strålning (IR) påverkar en mängd olika processer inuti en exponerad cell. IR kan orsaka förändringar i genuttryck, störningar av cellcykelstopp och apoptotisk celldöd. Omfattningen av hur strålning påverkar celler beror på typen av cell och stråldosen. Vissa bestrålade cancerceller har visat sig uppvisa DNA-metyleringsmönster på grund av epigenetiska mekanismer i cellen. Inom medicin utsätter medicinska diagnostiska metoder som CT-skanningar och strålbehandling individen för joniserande strålning. Bestrålade celler kan också inducera genomisk instabilitet i närliggande obestrålade celler via åskådareffekten. Strålningsexponering kan också ske via många andra kanaler än bara joniserande strålning.

De grundläggande ballistiska modellerna

Enkelmålsmodellen med en träff

I denna modell räcker en enda träff på ett mål för att döda en cell. Ekvationen som används för denna modell är följande:

$p(k)={\frac {m^{k}}{k!}}e^{-m}$

Där k representerar en träff på cellen och m representerar cellens massa.

n-target singelträffsmodellen

I denna modell har cellen ett antal mål n. En enda träff på ett mål är inte tillräckligt för att döda cellen men inaktiverar målet. En ansamling av framgångsrika träffar på olika mål leder till celldöd. Ekvationen som används för denna modell är följande:

$p(n)=(1-e^{-{\frac {D}{D_{0}}}})^{n}$

Där n representerar antalet mål i cellen.

Den linjära kvadratiska modellen

Ekvationen som används för denna modell är följande:

$S(D)=e^{-\alpha D-\beta D^{2}}$

där aD representerar en träff gjord av ett spår med en partikel och βD representerar en träff gjord av ett spår med två partiklar och S(D) representerar sannolikheten för cellens överlevnad.

Modellen med tre lambda

Denna modell visade noggrannheten i överlevnadsbeskrivningen för högre eller upprepade doser.

Ekvationen som används för denna modell är följande:

$S(D)=e^{-\lambda _{3}(1-e^{\lambda _{1}D}(1-(1-e^{-(\lambda _{2}-\lambda _{1})D})^{2} ))}$

Den linjär-kvadratisk-kubiska modellen

Ekvationen som används för denna modell är följande:

$S(D)=e^{-\alpha D-\beta D^{2}+\gamma D^{3}}$

Sublesions hypotesmodeller

Reparations-felreparationsmodellen

Denna modell visar medelantalet lesioner före eventuella reparationsaktiveringar i en cell.

Ekvationen som används för denna modell är följande:

$S_{\psi }=e^{-U_{0}}(1+{\frac {U_{0 }(1-e^{-\lambda T})}{\epsilon }})^{\psi \epsilon }$

där U o representerar utbytet av initialt inducerade lesioner, där λ är den linjära självreparationskoefficienten och T motsvarar tiden

Den dödliga-potentiellt dödliga modellen

Denna ekvation utforskar hypotesen om att en lesion blir dödlig inom en given tid om den inte repareras av reparationsenzymer.

Ekvationen som används för denna modell är följande:

$S=e^{- n_{tot}(T+t_{r})}=e^{-N_{tot}}[{\frac {1+N_{PL}}{\epsilon (1-e^{-\epsilon _{PL }t_{r}})}}]^{\epsilon }$

T är strålningens varaktighet och t r är den tillgängliga reparationstiden.

Den mättbara reparationsmodellen

Denna modell illustrerar reparationssystemets effektivitet som minskar när stråldosen ökar. Detta beror på att reparationskinetiken blir allt mer mättad med den ökade stråldoseringen.

Ekvationen som används för denna modell är följande:

$S(D)=e^{-{\frac {n_{0}-c_{0}}{1 -{\frac {c_{0}}{n_{0}}}e^{kT(c_{0}-n_{0})}}}}$

n(t) är antalet oreparerade lesioner, c(t) är antalet reparationsmolekyler eller enzymer, k är proportionalitetskoefficienten och T är den tid som är tillgänglig för reparation.

Cellmiljö och strålningshormesis

Strålningshormesis

Hormesis är hypotesen att låga nivåer av störande stimulans kan orsaka fördelaktiga anpassningar i en organism. Den joniserande strålningen stimulerar reparationsproteiner som vanligtvis inte är aktiva. Celler använder dessa nya stimuli för att anpassa sig till de stressfaktorer de utsätts för.

Strålningsinducerad åskådareffekt (RIBE)

Inom biologin beskrivs åskådareffekten som förändringar av närliggande icke-målceller som svar på förändringar i en initialt målcell av något störande medel. När det gäller strålningsinducerad åskådareffekt orsakas stressen på cellen av joniserande strålning.

Åskådareffekten kan delas upp i två kategorier, långväga åskådareffekt och korthållseffekt. I långväga åskådareffekt ses effekterna av stress längre bort från den initialt riktade cellen. På kort räckvidd åskådare ses effekterna av stress i celler som gränsar till målcellen.

Både låg linjär energiöverföring och hög linjär energiöverföringsfotoner har visat sig producera RIBE. Låg linjär energiöverföringsfotoner rapporterades orsaka ökningar av mutagenes och en minskning av cellers överlevnad i klonogena analyser . Röntgenstrålar och gammastrålar rapporterades orsaka ökningar av DNA-dubbelsträngbrott, metylering och apoptos. Ytterligare studier behövs för att nå en avgörande förklaring av eventuell epigenetisk påverkan av åskådareffekten.

Strålning och oxidativ stress

Bildandet av ROS

Joniserande strålning producerar snabbrörliga partiklar som har förmågan att skada DNA och producera mycket reaktiva fria radikaler som kallas reaktiva syrearter (ROS). Produktionen av ROS i celler som utstrålas av LDIR (Low-Dose Ionizing Radiation) sker på två sätt, genom radiolys av vattenmolekyler eller främjande av kväveoxidsyntes (NOS) aktivitet. Den resulterande kväveoxidbildningen reagerar med superoxidradikaler . Detta genererar peroxinitrit som är giftigt för biomolekyler. Cellulär ROS produceras också med hjälp av en mekanism som involverar nikotinamidadenosin-dinukleotidfosfat ( NADPH ) oxidas. NADPH-oxidas hjälper till med bildandet av ROS genom att generera en superoxidanjon genom att överföra elektroner från cytosolisk NADPH över cellmembranet till det extracellulära molekylära syret. Denna process ökar risken för läckage av elektroner och fria radikaler från mitokondrierna. Exponeringen för LDIR inducerar elektronfrisättning från mitokondrierna, vilket resulterar i att fler elektroner bidrar till superoxidbildningen i cellerna.

Produktionen av ROS i stora mängder i celler resulterar i nedbrytning av biomolekyler som proteiner, DNA och RNA. I ett sådant fall är ROS kända för att skapa dubbelsträngade och enkelsträngade brott i DNA:t. Detta gör att DNA-reparationsmekanismerna försöker anpassa sig till ökningen av DNA-strängbrott. Ärftliga förändringar av DNA-sekvensen har setts även om DNA-nukleotidsekvensen verkar vara densamma efter exponeringen med LDIR.

Aktivering av NOS

Bildandet av ROS är kopplat till bildandet av kväveoxidsyntasaktivitet (NOS). NO reagerar med O ₂ ⁻ och genererar peroxinitrit. Ökningen av NOS-aktiviteten orsakar produktion av peroxinitrit (ONOO -). Peroxinitrit är en stark oxidantradikal och den reagerar med ett brett spektrum av biomolekyler såsom DNA-baser, proteiner och lipider. Peroxinitrit påverkar biomolekylernas funktion och struktur och destabiliserar därför effektivt cellen.

Mekanism för oxidativ stress och epigenetisk genreglering

Joniserande strålning får cellen att generera ökad ROS och ökningen av denna art skadar biologiska makromolekyler. För att kompensera för denna ökade radikala art, anpassar celler sig till IR-inducerade oxidativa effekter genom att modifiera mekanismerna för epigenetisk genreglering. Det finns 4 epigenetiska modifieringar som kan ske:

1. bildning av proteinaddukter som hämmar epigenetisk reglering
2. förändring av genomiskt DNA- metyleringsstatus
3. modifiering av posttranslationella histoninteraktioner som påverkar kromatinkomprimering
4. modulering av signalvägar som styr transkriptionsfaktoruttryck

ROS-medierad proteinadduktbildning

ROS som genereras av joniserande strålning modifierar kemiskt histoner som kan orsaka en förändring i transkription. Oxidation av cellulära lipidkomponenter resulterar i en elektrofil molekylbildning. Den elektrofila molekylen binder till lysinresterna av histoner och orsakar en ketoamidadduktbildning. Ketoamidadduktbildningen blockerar lysinresterna av histoner från att binda till acetyleringsproteiner , vilket minskar gentranskriptionen.

ROS-medierade DNA-metyleringsförändringar

DNA-hypermetylering ses i genomet med DNA-avbrott på genspecifik basis, såsom promotorer för regulatoriska gener, men den globala metyleringen av genomet visar ett hypometyleringsmönster under perioden av reaktiva syrearter stress.

DNA-skada inducerad av reaktiva syrearter resulterar i ökad genmetylering och i slutändan gentystnad. Reaktiva syrearter modifierar mekanismen för epigenetisk metylering genom att inducera DNA-avbrott som senare repareras och sedan metyleras av DNMT . DNA-skada-responsgener, såsom GADD45A , rekryterar nukleära proteiner Np95 för att rikta histonmetyltransferaser mot det skadade DNA-stället. Avbrotten i DNA som orsakas av den joniserande strålningen rekryterar sedan DNMT:erna för att reparera och ytterligare metylera reparationsplatsen.

Genomomfattande hypometylering uppstår på grund av att reaktiva syreämnen hydroxylerar metylcytosiner till 5-hydroximetylcytosin (5hmC) . Produktionen av 5hmC fungerar som en epigenetisk markör för DNA-skador som känns igen av DNA-reparationsenzymer. DNA-reparationsenzymerna som attraheras av markören omvandlar 5hmC till en ometylerad cytosinbas vilket resulterar i hypometylering av genomet.

En annan mekanism som inducerar hypometylering är utarmningen av S-adenosylmetioninsyntetas (SAM). Prevalensen av superoxidarter orsakar oxidation av reducerat glutation (GSH) till GSSG . På grund av detta stoppas syntesen av samsubstratet SAM. SAM är ett viktigt samsubstrat för den normala funktionen av DNMT och histonmetyltransferasproteiner.

ROS-medierad modifiering efter översättning

Dubbelsträngade DNA-avbrott orsakade av exponering för joniserande strålning är kända för att förändra kromatinstrukturen. Dubbelsträngade avbrott repareras primärt av poly ADP (PAR) polymeraser som ackumuleras vid platsen för brottet, vilket leder till aktivering av det kromatinremodellerande proteinet ALC1 . ALC1 får nukleosomen att slappna av vilket resulterar i den epigenetiska uppregleringen av gener. En liknande mekanism involverar ataxi telangiectasia mutated (ATM) serin/treoninkinas som är ett enzym involverat i reparationen av dubbelsträngade brott orsakade av joniserande strålning. ATM fosforylerar KAP1 vilket får heterokromatinet att slappna av, vilket gör att ökad transkription kan inträffa.

för DNA-felparningsreparationsgenen ( MSH2 ) har visat ett hypermetyleringsmönster när den utsätts för joniserande strålning. Reaktiva syreämnen inducerar oxidation av deoxyguanosin till 8-hydroxydeoxyguanosin (8-OHdG) vilket orsakar en förändring i kromatinstrukturen. Genpromotorer som innehåller 8-OHdG deaktiverar kromatinet genom att inducera trimetyl-H3K27 i genomet. Andra enzymer såsom transglutaminaser (TGs) kontrollerar kromatinremodellering genom proteiner som sirtuin1 (SIRT1). TGs orsakar transkriptionell repression under reaktiv syrearter stress genom att binda till kromatinet och hämma sirtuin 1 histon deacetylas från att utföra sin funktion.

ROS-medierad förlust av epigenetisk prägling

Epigenetisk prägling går förlorad under stress av reaktiva syrearter. Denna typ av oxidativ stress orsakar en förlust av NF-KB- signalering. Enhancer blocking element CCCTC-bindande faktor ( CTCF ) binder till avtryckskontrollregionen av insulinliknande tillväxtfaktor 2 (IGF2) och hindrar förstärkarna från att tillåta transkription av genen. NF-KB-proteinerna interagerar med IκB- hämmande proteiner, men under oxidativ stress bryts IκB-proteiner ned i cellen. Förlusten av IKB- proteiner för NF-KB-proteiner att binda till resulterar i att NF-KB-proteiner kommer in i kärnan för att binda till specifika responselement för att motverka den oxidativa stressen. Bindningen av NF-KB och corepressor HDAC1 till svarselement såsom den CCCTC-bindande faktorn orsakar en minskning av uttrycket av det förstärkarblockerande elementet. Denna minskning av uttrycket hindrar bindningen till IGF2-avtryckskontrollregionen och orsakar därför förlust av imprinting och biallelisk IGF2 -expression.

Mekanismer för epigenetiska modifieringar

Efter den första exponeringen för joniserande strålning är cellförändringar utbredda i den oexponerade avkomman till bestrålade celler för många celldelningar. Ett sätt att förklara detta icke-mendelska arvssätt är genom epigenetiska mekanismer.

Joniserande strålning och DNA-metylering

Genomisk instabilitet via hypometylering av LINE1

Exponering för joniserande strålning påverkar mönster av DNA-metylering. Bröstcancerceller behandlade med fraktionerade doser av joniserande strålning visade DNA-hypometylering vid de olika genloci; Dosfraktionering avser att bryta ned en dos strålning i separata, mindre doser. Hypometylering av dessa gener korrelerade med minskat uttryck av olika DNMT:er och metyl CpG- bindande proteiner. LINE1 transposerbara element har identifierats som mål för joniserande strålning. Hypometyleringen av LINE1-elementen resulterar i aktivering av elementen och därmed en ökning av LINE1-proteinnivåerna. Ökad transkription av LINE1 transposerbara element resulterar i större mobilisering av LINE1 loci och ökar därför genomisk instabilitet.

Joniserande strålning och histonmodifiering

Bestrålade celler kan kopplas till en mängd olika histonmodifieringar. Joniserande strålning i bröstcancerceller hämmar H4 lysin tri-metylering. Musmodeller som exponerats för höga nivåer av röntgenstrålning uppvisade en minskning av både trimetyleringen av H4-Lys20 och kompakteringen av kromatinet. Med förlusten av trimetylering av H4-Lys20 ökade DNA-hypometyleringen vilket resulterade i DNA-skada och ökad genomisk instabilitet.

Förlust av metylering via reparationsmekanismer

Avbrott i DNA på grund av joniserande strålning kan repareras. Ny DNA-syntes av DNA-polymeraser är ett av sätten som strålningsinducerad DNA-skada kan repareras . DNA-polymeraser infogar dock inte metylerade baser vilket leder till en minskning av metylering av den nysyntetiserade strängen. Reaktiva syreämnen hämmar också DNMT-aktivitet som normalt skulle lägga till de saknade metylgrupperna. Detta ökar chansen att det demetylerade tillståndet av DNA så småningom blir permanent.

Kliniska konsekvenser och tillämpningar

Epigenetisk inverkan på en utvecklande hjärna

Kronisk exponering för dessa typer av strålning kan ha en effekt på barn redan när de är foster. Det har rapporterats flera fall av hinder i utvecklingen av hjärnan, beteendeförändringar som ångest och störningar av korrekt inlärning och språkbehandling. En ökning av fallen av ADHD -beteende och autismbeteende har visat sig vara direkt korrelerad med exponeringen av EMF-vågor. Världshälsoorganisationen har klassificerat RFR som ett möjligt cancerframkallande ämne för dess epigenetiska effekter på DNA-uttryck . Exponeringen för EMF-vågor på en konsekvent 24-timmarsbasis har visat sig sänka aktiviteten av miRNA i hjärnan, vilket påverkar utvecklings- och neuronaktivitet. Denna epigenetiska förändring orsakar tystnad av nödvändiga gener tillsammans med förändringen i uttrycket av andra gener som är integrerade för den normala utvecklingen av hjärnan.

MGMT- och LINE1-specifik DNA-metylering

DNA-metylering påverkar vävnadens svar på joniserande strålning. Modulering av metylering i genen MGMT eller i transposerbara element som LINE1 kan användas för att ändra vävnadssvar på joniserande strålning och potentiellt öppna nya områden för cancerbehandling.

MGMT fungerar som en prognostisk markör vid glioblastom . Hypermetylering av MGMT är associerad med regression av tumörer. Hypermetylering av MGMT tystar dess transkriptionshämmande alkyleringsmedel i tumördödande celler. Studier har visat att patienter som fick strålbehandling , men ingen kemoterapi efter tumörextraktion, hade ett förbättrat svar på strålbehandling på grund av metyleringen av MGMT-promotorn.

Nästan alla cancerformer hos människor inkluderar hypometylering av LINE1-element. Olika studier visar att hypometyleringen av LINE1 korrelerar med en minskning av överlevnaden efter både kemoterapi och strålbehandling.

Behandling med DNMT-hämmare

DMNT-hämmare undersöks vid behandling av maligna tumörer. Nyligen genomförda in vitro- studier visar att DNMT-hämmare kan öka effekten av andra läkemedel mot cancer. Kunskap om in vivo- effekt av DNMT-hämmare undersöks fortfarande. De långsiktiga effekterna av användningen av DNMT-hämmare är fortfarande okända.