Прямое повреждающее воздействие на ДНК человека неблагоприятных экологических и климатических факторов

В последнее время вырос научный интерес к изучению механизмов, при помощи которых изменение климата может влиять на организм человека [1]. В условиях прогнозируемого глобального потепления к концу XXI века произойдет повышение средних годовых температур на 1,4-5,8 °С [2]. Вероятнее всего, изменение климата будет связано с увеличением частоты тепловых волн, а также с их удлинением [3]. В жаркую погоду происходит увеличение смертности, особенно у лиц пожилого возраста. Так, во время летней жары 2003 г. в Европе смертность выросла в Италии на 15% [4], в Португалии на 40% [5], во Франции на 60% [6].

По данным Росгидромета, в Москве летом 2010 г. зафиксирована рекордная по продолжительности и температурному фону тепловая волна, которая была отягощена повышенным уровнем содержания в воздухе продуктов горения. В частности, содержание угарного газа (СО) превышало предельно допустимые количества в 2,2 раза. Во время жары 2010 г. в Москве смертность выросла на 11 тыс. случаев по сравнению с июлем-августом 2009 г. (табл. 1) [7, 8].

Согласно приведенным данным смертность в целом по стране за 2010 г. была выше, чем за 2009 г. или 2011 г., причем пик смертности пришелся на период летней жары (рис. 1, 2).

Существует связь между изменениями климата и здоровьем человека [9, 10]. Поэтому изучение адаптационных возможностей организма в условиях климатических катаклизмов особенно важно для понимания формирующихся защитных механизмов. В последнее время увеличилось количество исследований, направленных на изучение влияния климатических изменений на организм человека, однако не показано, что происходит с ДНК на фоне этих изменений. Данная работа посвящена изучению влияния экстремальных климатических условий на длину теломерных повторов хромосом человека.

Теломеры - специализированные ДНК-белковые структуры на концах линейных отделов хромосом. Теломерная ДНК человека и всех млекопитающих, рептилий, амфибий, птиц и рыб представлена многократным повтором TTAGGG. Длина теломерных повторов хромосом определяется множеством факторов, таких как изначальная длина теломера, количество прошедших митозов, активность белков окислительного стресса и др. [11].

Исходя из этого цель данной работы заключалась в изучении влияния искусственно смоделированных условий гипертермии и высокого содержания СО в воздухе, имитирующих экстремальные условия лета 2010 г. в Москве, на теломерные повторы хромосом клеток крови человека.

Исследование проводили на базе медико-технического комплекса (МТК) Института медико-биологических проблем РАН, предназначенного для проведения исследований в условиях искусственно регулируемой среды обитания. МТК состоит из жилого и медицинского модулей. В жилом модуле расположены 6 изолированных помещений для индивидуального проживания (площадь помещения по полу 3,1-3,5 м²), кухни-столовой на 6 человек, кают-компании (площадь около 15,5 м²), главного пульта управления и санузла. Общая площадь около 59 м². Жилой модуль соединен герметичными шлюзами с медицинским модулем, где проводились медицинские обследования и исследования. Медицинский модуль разделен на 3 зоны: лабораторию, процедурную зону и изолятор, и 2 вспомогательные: кухню и санузел.

В период нахождения участников исследования в МТК все перемещения между помещениями строго регламентированы для предотвращения нарушений установленных параметров обитания; нормативный уровень микробной обсемененности газовой среды поддерживался за счет работы установки для обеззараживания воздуха.

В исследовании принимали участие 6 практически здоровых мужчин в возрасте от 22 до 46 лет (средний возраст 33,8±9,2 года). Все испытуемые прошли предварительное медицинское обследование и подписали информированное согласие на участие в исследовании. Протокол исследования утвержден этическими комитетами ФГБУ РКНПК Минздрава России и ГНЦ РФ ИМБП РАН. Предварительное обследование проводилось на базе ФГБУ РКНПК Минздрава России. После завершения основного этапа участники исследования были переведены в РКНПК Минздрава России для дальнейшего наблюдения и контрольного обследования.

В течение 30 дней добровольцы проживали в МТК при искусственно созданных климатических условиях, соответствующих июлю-августу 2010 г. на территории Москвы в соответствии с данными Росгидромета РФ. Температура окружающей среды составила от 30 до 38 °С в дневное время и 23-31 °С в ночное время при влажности до 75% и уровне СО от 5 до 40 мг/м³.

Образцы венозной крови брали в вакутейнеры, содержащие ЭДТА в качестве антикоагулянта, за 4 мес до начала исследования и на 1, 10, 20 и 31-й дни исследования. ДНК выделяли с использованием набора для выделения ДНК «ДНК-Экстран-1» (ЗАО «Синтол», Россия). Относительную длину теломерных повторов (ОДТП) хромосом лейкоцитов из периферической крови человека определяли методом количественной полимеразной цепной реакции в реальном времени [12, 13] с использованием ДНК-амплификатора в реальном времени АНК-32 (ИАнП РАН, Россия). В качестве калибратора использовали ДНК, выделенную из клеточной линии HeLa.

Статистическую обработку данных проводили с использованием программы SPSS 21.0 («SPSS Inc.», США). Результаты представлены как М±SD, где М - среднее арифметическое, SD - стандартное отклонение. О динамике длины теломерных повторов судили по показателю Δ%, который рассчитывали по формуле Δ% = (ОДТП1 – ОДТПn)/ОДТП1·100%, где ОДТП1 - относительная длина теломерных повторов за 4 мес до начала исследования, n - значение ОДТП на 1, 10, 20 или 30-й день климатического исследования. Динамику длины теломерных повторов в период пребывания в МТК оценивали при помощи критерия Вилкоксона для зависимых выборок. Для выявления взаимодействия между длиной теломерных повторов и возрастом использовали корреляционный анализ Спирмена. Статистически значимыми считали различия р<0,05.

Значения ОДТП лейкоцитов в периферической крови 6 участников климатического исследования за 4 мес до начала и на момент начала испытания оказались практически равными и составили в среднем 81,7 и 81% соответственно. ОДТП добровольцев отрицательно коррелирует с возрастом (r=–0,67; р<0,001), что соответствует ожидаемому уменьшению длины теломерных повторов хромосом с увеличением возраста (рис. 3).

Как следует из представленного графика (рис. 4), за 4 мес до начала исследования значения ОДТП хромосом практически не различались.

Показана положительная корреляция увеличения скорости укорочения теломерных повторов от возраста участников исследования (r=0,88; р<0,001). У 2 добровольцев в возрасте 22 и 24 лет длина теломерных повторов за все время исследования уменьшилась на 11,4 и 11,8% соответственно, тогда как у испытуемых в возрасте 42 и 44 лет укорочение теломерных повторов достигало 18,2 и 18,1% соответственно (рис. 5).

Известно, что СО - высокотоксичное соединение (табл. 2).

Высокое содержание СО приводит к гипоксии, которая, как и гипертермия, вызывает образование свободных радикалов [16, 17]. Действительно, как следует из опубликованных ранее результатов биохимических исследований, в течение 1 мес пребывания в МТК у испытуемых существенно вырос уровень одного из основных продуктов свободнорадикального окисления полиеновых липидов (малонового диальдегида) в плазме крови; одновременно в эритроцитах достоверно снизились активности антиоксидантных ферментов каталазы и GSH-Рх, ответственных за утилизацию пероксида водорода и липогидропероксидов [18]. Эти данные свидетельствуют о том, что через 30 дней пребывания в МТК у испытуемых выявлены характерные изменения, свидетельствующие о наличии у них окислительного стресса, а именно, увеличение содержания продуктов свободнорадикального окисления на фоне снижения эффективности утилизации АФК.

АФК, особенно гидроксильный радикал, вызывает разрывы ДНК, преимущественно в области теломерных концов хромосом [19]. Окислительное повреждение теломерной ДНК происходит за счет образования аддукта гуанина (8-oxodG), который способствует нарушениям в поддержании длины теломер. В отличие от остальной части генома теломеры не могут восстанавливать однонитевые разрывы ДНК [20]. Из-за этого теломеры особо чувствительны к накоплению аддукта гуанина [21], при накоплении которого происходит более быстрое укорочение теломерных концов хромосом. Скорость укорочения теломерных повторов напрямую влияет на скорость старения всего организма [22].

В теломерах снижена активность системы репарации [23, 24]. Таким образом, возможно, что образовавшиеся АФК вызывали повреждения теломерных концов ДНК, которые не подвергаются репарации, что привело к существенному сокращению длины теломерных концов хромосом лейкоцитов в периферической крови.

Вероятно, СО вызывает более мощную, чем гипертермия, генерацию АФК, что подтверждается снижением длины теломерных повторов хромосом в периоды его высокого содержания во вдыхаемом воздухе.

Таким образом, изменения экологических факторов и аномальные повышения температурного фона могут приводить к развитию окислительного стресса, сопровождающегося укорочением теломер, что в свою очередь может являться фактором преждевременного старения.