ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ КОРОТКИХ ФРАГМЕНТОВ ДНК ПРИ ДЕЙСТВИИ ПЛОТНОИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методами компьютерного моделирования исследовали образование коротких фрагментов ДНК длиной до 3 тысяч пар нуклеотидов при действии на хроматин ионов азота (линейная передача энергии, ЛПЭ 97 кэВ/мкм) и железа (190 кэВ/мкм). Облучение заряженными частицами фибрилл хроматина в виде соленоидов с различными параметрами (количество нуклеосом на виток соленоида, расстояние между витками, диаметр фибриллы) моделировалось методом МонтеКарло, исследовалось влияние структуры фибриллы и линейной передачи энергии на вид распределений длин фрагментов. Показано, что для всех изученных структур хроматина и линейной передачи энергии наибольшие частоты фрагментов наблюдаются в области ~100 п.н., соответствующей образованию разрывов ДНК в двух соседних витках спирали на нуклеосоме. От степени компактности структуры фибриллы зависит наличие и высота пика в области ~1000 п.н., соответствующего образованию разрывов ДНК в двух соседних витках соленоида. Положение этого пика не зависит от линейной передачи энергии. Предположение о популяции фибрилл хроматина с различной структурой в облучаемой клетке позволяет количественно описать экспериментальные распределения длин радиационно-индуцированных фрагментов ДНК.

Об авторах

Ю. А Эйдельман

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН; Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ

Москва, Россия; Москва, Россия

И. В Сальников

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН

Москва, Россия

С. Г Андреев

Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН; Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ

Email: andreev_sg@mail.ru
Москва, Россия; Москва, Россия

Список литературы

  1. Chepel V. Yu., Khvostunov I. K., Mirny L. A., Talyzina T. A., and Andreev S. G. Computer model of condensed chromatin fiber for radiation damage simulation. In Abstr. Book of the Eleventh Symposium on Microdosimetry (Gatlinburg, Tennessee, USA, 1992), p. 22.
  2. Khvostunov I. K., Chepel V. Yu. and Andreev S. G. Calculation of DNA and chromatin breaks for low LET irradiation. In Abstr. Book of the 24-th Annual Meeting of the European Society for Radiation Biology, (Erfurt, Germany, 1992), p. 165.
  3. Chepel V. Yu., Khvostunov I. K., Mirny L. A., Talyzina T. A., and Andreev S. G. 3-D computer modelling of chromatin fibres for radiation damage simulation. Radiat. Prot. Dosim., 52 (1–4), 259–263 (1994). doi: 10.1093/oxfordjournals.rpd.a082197
  4. Khvostunov I. K., Andreev S. G., Pitkevich V. A., and Chepel V. Yu. Novel algorithm for analysis of DNA and chromatin damage induced by ionising radiation with different quality. In Proc. 10th Int. Congr. Radiation Research, Ed. by U. Hagen, D. Harder, H. Jung, and C. S. Streffer. (Wurzburg, 1995), v. 2, pp. 254–257.
  5. Holley W. R. and Chatterjee A. Theoretical modeling of radiation induced damage to chromatin. In Proc. 10th Int. Congr. Radiation Research, Ed. by U. Hagen, D. Harder, H. Jung, and C. S. Streffer. (Wurzburg, 1995), v. 2, pp. 249–253.
  6. Holley W. R. and Chatterjee A. Clusters of DNA damage induced by ionizing radiation: Formation of short DNA fragments. I. Theoretical modeling. Radiat. Res., 45 (2), 188–199 (1996). doi: 10.2307/3579174
  7. Андреев С. Г., Хвостунов И. К., Спитковский Д. М. и Талызина Т. А. Биофизическое моделирование радиационных повреждений ДНК и хроматина, индуцированных излучением разного качества. Радиац. биология. Радиоэкология, 37 (4), 533 (1997).
  8. Rydberg B., Holley W. R., Mian I. S., and Chatterjee A.. Chromatin conformation in living cells: support for a zig-zag model of the 30 nm chromatin fiber. J. Mol. Biol., 284 (1), 71–84 (1998). doi: 10.1006/jmbi.1998.2150
  9. Friedland W., Jacob P., Bernhardt P., Paretzke H. G., and Dingfelder M. Simulation of DNA damage after proton irradiation. Radiat. Res., 159 (3), 401–410 (2003). doi: 10.1667/0033-7587(2003)159[0401:soddap]2.0.co;2
  10. Friedland W., Dingfelder M., Kundrát P., and Jakob P. Track structures, DNA targets and radiation effects in the biophysical Monte Carlo simulation code PARTRAC. Mutat. Res. Mol. Mech. Mutagen., 711 (1– 2), 28–40 (2011). doi: 10.1016/j.mrfmmm.2011.01.003
  11. Tang N., Bueno M., Meylan S., Incerti S., Tran H. N., Vaurijoux A., Gruel G., and Villagrasa C. Influence of chromatin compaction on simulated early radiation-induced DNA damage using Geant4-DNA. Med. Phys., 46 (3), 1501 (2019). doi: 10.1002/mp.13405
  12. Shin W., Sakata D., Lampe N., Belov O., Tran N. H., Petrovic I., Ristic-Fira A., Dordevic M., Bernal M. A., Bordage M. C. , Francis Z., Kyriakou I., Perrot Y., Sasaki T., Villagrasa C., Guatelli S., Breton V., Emfietzoglou D., and Incerti S. A Geant4-DNA evaluation of radiation-induced DNA damage on a human fibroblast. Cancers, 13 (19), 4940 (2021). doi: 10.3390/cancers13194940
  13. Bertolet A., Ramos-Méndez J., McNamara A., Yoo D., Ingram S., Henthorn N., Warmenhoven J.-W., Faddegon B., Merchant M., McMahon S. J., Paganetti H., and Schuemann J. Impact of DNA geometry and scoring on Monte Carlo track-structure simulations of initial radiation-induced damage. Radiat. Res., 198 (3), 207 (2022). doi: 10.1667/RADE-21-00179.1
  14. Zhu K., Wu C., Peng X., Ji X., Luo S., Liu Y., Wang X. Nanoscale calculation of proton-induced DNA damage using a chromatin geometry model with Geant4-DNA. Int. J. Mol. Sci., 23 (11), 6343 (2022). doi: 10.3390/ijms23116343
  15. Khvostunov I. K. and Andreev S. G. Microdosimetric distributions for target volumes of complex topology. In Microdosimetry: an interdisciplinaty approach, Ed. by D.T. Goodhead, P.O’Neill, and H.G. Menzel (The Royal Society of Chemistry, Cambridge, 1997), pp. 47–50.
  16. Andreev S. G., Khvostunov I. K., Spitkovsky D. M., and Chepel V. Yu. Clustering of DNA breaks in chromatin fibre: dependence on radiation quality. In Microdosimetry: an interdisciplinaty approach, Ed. by D. T. Goodhead, P. O’Neill, and H. G. Menzel (The Royal society of Chemistry, Cambridge, 1997), pp. 133–136.
  17. Zhu H., McNamara A. L., McMahon S. J., RamosMendez J., Henthorn N. T., Faddegon B., Held K. D., Perl J., Li J., Paganetti H., and Schuemann J.. Cellular response to proton irradiation: A simulation study with TOPAS-nBio. Radiat. Res., 194 (1), 9 (2020). doi: 10.1667/RR15531.1
  18. Newman H. C., Prise K. M., Folkard M., and Michael B. D. DNA double-strand break distributions in X-ray and alpha-particle irradiated V79 cells: evidence for non-random breakage. Int. J. Radiat. Biol., 71 (4), 347 (1997). doi: 10.1080/095530097143978
  19. Stenerlow B., Hoglund E., Carlsson J., and Blomquist E. Rejoining of DNA fragments produced by radiations of different linear energy transfer. Int. J. Radiat. Biol., 76 (4), 549 (2000). doi: 10.1080/095530000138565
  20. Belli M., Cherubini R., Dalla Vecchia M., Dini V., Esposito G., Moschini G., Sapora O., Signoretti C., Simone G., Sorrentino E., and Tabocchini M. A. DNA fragmentation in mammalian cells exposed to various light ions. Adv. Space Res., 27 (2), 393 (2001). doi: 10.1016/s0273-1177(01)00007-2
  21. Pinto M., Prise K. M., and Michael B. D. Quantification of radiation induced DNA double-strand breaks in human fibroblasts by PFGE: testing the applicability of random breakage models. Int. J. Radiat. Biol., 78 (5), 375 (2002). doi: 10.1080/09553000110110941
  22. Ponomarev A. L., Cucinotta F. A., Sachs R. K., and Brenner D. J. Monte Carlo predictions of DNA fragment-size distributions for large sizes after HZE particle irradiation. Phys. Med., 17, 153 (2001).
  23. Khvostunov I. K., Andreev S. G., and Yu. A. Eidelman. Biophysical analysis of radiation induced initial DNA fragmentation. Radiat. Prot. Dosim., 99 (1–4), 151 (2002). doi: 10.1093/oxfordjournals.rpd.a006748
  24. Fakir H., Sachs R. K., Stenerlow B., and Hofmann W. Clusters of DNA double-strand breaks induced by different doses of nitrogen ions for various LETs: experimental measurements and theoretical analyses. Radiat. Res., 166 (6), 917 (2006). doi: 10.1667/RR0639.1
  25. Rydberg B. Clusters of DNA damage induced by ionizing radiation: formation of short DNA fragments. II. Experimental detection. Radiat. Res., 145 (2), 200 (1996). doi: 10.2307/3579175
  26. Incerti S., Kyriakou I., Bernal M. A., Bordage M. C., Francis Z., Guatelli S., Ivanchenko V., Karamitros M., Lampe N., Lee S. B., Meylan S., Min C. H., Shin W. G., Nieminen P., Sakata D., Tang N., Villagrasa C., Tran H. N., and Brown J. M. C. Geant4-DNA example applications for track structure simulations in liquid water: A report from the Geant4-DNA Project. Med. Phys., e722 (2018). doi: 10.1002/mp.13048
  27. Эйдельман Ю. А., Сальников И. В. и Андреев С. Г. Анализ неопределенностей расчетов эффективности радиационных повреждений ДНК. Радиац. биология. Радиоэкология, 63 (1), 34 (2023). doi: 10.31857/S086980312301006X
  28. Charlton D. E., Nikjoo H. and Humm J. L. Calculation of initial yields of singleand double-strand breaks in cell nuclei from electrons, protons and alpha particles. Int. J. Radiat. Biol., 56 (1), 1 (1989). doi: 10.1080/09553008914551141
  29. Becker D. and Sevilla M. D. The chemical consequences of radiation damage to DNA. Adv. Radiat. Biol., 17, 121 (1993). doi: 10.1016/B978-0-12-035417-7.50006-4
  30. Risca V. I., Denny S. K., Straight A. F., and Greenleaf W. J. Variable chromatin structure revealed by in situ spatially correlated DNA cleavage mapping. Nature, 541 (7636), 237 (2017). doi: 10.1038/nature20781
  31. Finn E. H., Pegoraro G., Brandão H. B., Valton A.-L., Oomen M. E., Dekker J., Mirny L., and Misteli T. Extensive heterogeneity and intrinsic variation in spatial genome organization. Cell, 176 (6), 1502.e10 (2019). doi: 10.1016/j.cell.2019.01.020
  32. Eidelman Y., Salnikov I., Slanina S., and Andreev S.. Chromosome folding promotes intrachromosomal aberrations under radiationand nuclease-induced DNA breakage. Int. J. Mol. Sci., 22 (22), 12186 (2021). doi: 10.3390/ijms222212186

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах