животные и их потомство постоянно пополняют и увеличивают количество бездомных собак и кошек, поэтому контроль их воспроизводства -одно из необходимых условий снижения количества бездомных, следовательно, нужно разработать правила содержания домашних животных;

Разработать регламент или инструкцию по отлову, транспортировке, стерилизации, содержанию, учету и регистрации безнадзорных животных;

При отлове собак нужно использовать современные средства сковывания движений биологических объектов и обездвиживания животных с помощью «летающего шприца» с применением неингаляционного наркоза;

Создать приюты для содержания безнадзорных собак и стационары для их стерилизации;

Эвтаназия нежизнеспособных животных в целях прекращения страданий должна осуществляться только ветеринарным врачом, работаю-

УДК 577.323:576.385(591+581)

щим в организациях, располагающих лицензией на лечебно-профилактическую деятельность.

Создать специальный крематорий для утилизации погибших безнадзорных животных и домашних питомцев, так как любые захоронения животных запрещены по санитарным нормам, такие кладбища рискуют стать рассадниками распространения инфекционных заболеваний.

Литература

1. Коли Г. Анализ популяций позвоночных. - М.: Мир, 1979. - 362 с.

2. Верещагин А.О., Поярков А.Д., Горячев К.С. Методы оценки численности бездомных собак в городе // Тез. докладов VI съезда Териологического общества. - М., 1999. - 47 с.

3. Челинцев Н.Г. Математические основы учета животных. - М., 2000. - 431 с.

Поступила в редакцию 22.03.2014

Использование метода «ДНК-комет» для детекции и оценки степени повреждений ДНК клеток организмов растений, животных и человека, вызванных факторами окружающей среды (обзор)

Э.В. Филиппов

Воздействие неблагоприятных факторов окружающей среды на любую биологическую систему (одноклеточные, растения, животные, человек) сопровождается накоплением повреждений ДНК и изменением активности систем репарации, что может привести к возникновению мутаций и патологических изменений клетки и целостного организма. В обзоре проведена оценка эффективности метода «ДНК-комет» для детекции повреждений ДНК, вызванных различными факторами окружающей среды: радиационными, неионизирующими излучениями, химическими, психическими (для человека). Описаны методологические и методические основы метода. Метод обладает чувствительностью, необходимой для регистрации повреждений ДНК на уровне отдельной клетки, и может быть применен для оценки интегральной целостности генома. Области применения метода «ДНК-комет»: оценка «качества жизни» любой биологической системы в тех или иных экологических условиях среды обитания; биомониторинг, медицина, в частности онкология, токсикология, фармакология, эпидемиология и многие другие.

Ключевые слова: повреждения ДНК, мутации, репарация, апоптоз, генотоксичность, инфекционные заболевания, онкология.

Influence of adverse factors of environment on any biological system (unicellular, plants, animals, human) is accompanied by accumulation of damages in cells DNA and change of reparation systems activity that may lead to emergence of mutations and pathological changes in cell and an integrated organism. The assessment of the efficiency of the «DNA comets» method for detection of DNA damages caused by various environmental factors - radioactive, not ionizing radiation, chemical, mental (for person) is presented in the review. Methodological and methodical bases of the method are described. The method has the sensitivity necessary for registration of DNA damages at the level of a cell, and can be applied for assessment of integrated integ-

ФИЛИППОВ Эдуард Васильевич - к.б.н.,с.н.с. ИБПК СО РАН, [email protected].

rity of a genome. Scopes of a method of «DNA comets»: assessment of «life quality» for any biological system in any ecological conditions of habitat; biomonitoring, medicine, in particular oncology, toxicology, pharmacology, epidemiology, etc.

Key words: DNA damages, mutation, reparation, apoptosis, genetic toxicity, infectious diseases, oncology.

В настоящее время хорошо известно, что при воздействии различных по природе (химических, физических и др.) факторов среды в диапазонах интенсивности воздействий, отличающихся от биологического оптимума жизнедеятельности, геном организмов подвергается негативному воздействию. Это может происходить как за счет прямого действия, например, в случае повреждения молекул ДНК ионизирующим излучением по принципу «мишени» , так и опосредованно, за счет образующихся в клетке свободных радикалов и активных форм кислорода . Большая часть образовавшихся в молекулах ДНК повреждений восстанавливается системами репарации, но если негативное давление велико, то повреждения накапливаются и это может приводить к закрепляемым мутациям, онкогенезу или гибели клеток. Образование повреждений ДНК является важным инициирующим событием в развитии патологических процессов в организме. В связи с этим особую актуальность приобретает детекция повреждений в структуре ДНК на ранних этапах, когда патологические процессы в организме еще не запущены и, соответственно, не могут быть диагностированы на физиологическом уровне. Несмотря на большое разнообразие используемых в науке методов исследования структуры ДНК, не все они обладают чувствительностью и специфичностью, достаточными для мониторинга повреждений ДНК, позволяющими оценить патогенетическое действие факторов in vivo.

Сравнительно недавно был разработан метод анализа поврежденности ДНК, применимый как in vitro, так и in vivo. Он получил название метода «ДНК-комет» (DNA-comet assay; метод гель-электрофореза ДНК отдельных клеток) , впервые был описан Ostling и Johansson в 1984 г. . Усовершенствования и модификации метода «ДНК-комет» позволили значительно повысить его чувствительность и расширить сферу применения .

Достаточно широкий обзор применений метода в различных областях медицинской науки проведен в работе . В настоящее время метод широко используется в исследованиях геноток-сичности химических веществ, активности систем репарации ДНК и апоптоза, в клинических исследованиях по пренатальной диагностике, предрасположенности к онкологическим заболеваниям, контролю эффективности терапии

при раке, катаракте и т.д. Метод «ДНК-комет» становится неотъемлемой частью программ по биомониторингу - оценке влияния на организм пищевого рациона, факторов внешней среды, включая ионизирующую радиацию и «электромагнитный смог», изменений метаболизма и физиологического состояния, старения организма, накопления и репарации повреждений ДНК; исследований по экологии. Использование метода «ДНК-комет» позволяет изучать накопление повреждений ДНК и активность систем её репарации практически в любых эукариотических клетках, например, клетках цианобактерий, растений, животных, человека.

В основе метода лежит проведение гель-электрофореза единичных лизированных клеток. При этом молекулы ДНК распределяются в порах геля под воздействием электрического поля, а треки ДНК визуализируют посредством окрашивания флуоресцентным красителем, после чего образцы изучают микроскопически. При наличии разрывов ДНК нарушается структурная организация хроматина и утрачивается сверх-спирализация ДНК, что приводит к ее релаксации, формируются фрагменты ДНК. В электрическом поле релаксированные петли и фрагменты ДНК вытягиваются по направлению к аноду, что и придает наблюдаемым объектам вид «комет» (отсюда и происхождение названия «comet assay«, ставшее общеупотребительным). «Кометы» анализируют либо путем визуального наблюдения и их дифференциации по степени по-врежденности ДНК, либо с использованием компьютерных программных средств обработки изображений.

В настоящее время большинство лабораторий, внедривших данный методический подход в исследования, разработали многочисленные вариации протокола, в частности, по продолжительности и условиям лизиса клеток, денатурации, электрофореза и окрашивания ДНК. Методические аспекты особенностей использования вариаций метода достаточно полно изложены в работах . Общая схема метода включает подготовку суспензии исследуемых клеток, получение гель-слайдов с подложкой из агарозы, помещение клеток в агарозный гель, нанесение на гель-слайды, лизис, щелочную денатурацию в щелочной версии метода, электрофорез, фиксацию/нейтрализацию, окрашивание и микроскопический анализ (рис. 1).

Рис. 1. Схема применения метода «ДНК-комет»

Подготовка клеточных суспензий - один из ключевых этапов метода «ДНК-комет». При этом используется ряд методик получения изолированных клеток: ферментативная обработка протеазами (трипсин, коллагеназа), механическая дезагрегация тканей, сепарация на мембранах или гомогенизация .

При оценке генотоксичности факторов среды на животные организмы методом «ДНК-комет» in vitro используют традиционно применяемые в генотоксикологических исследованиях клетки первичных и перевиваемых клеточных культур человека (лимфоциты периферической крови и фибробласты человека, карцинома шейки матки HeLa, карцинома легкого А-549, карцинома гортани Hep2 и др.) . Tomás Gichner с соавт. при исследовании действия тяжелых металлов на растения инкубировали проростки в среде с солями кадмия, затем клетки кончиков корешков и листьев проростков отделяли и перемещали в буферный раствор, иммобилизовывали в слайды, лизировали и исследовали в щелочной и нейтральной версии метода «ДНК-комет» . Различные вариации на данном этапе исследования не ограничены и зависят только от постановки задач и цели исследований.

Приготовление микропрепаратов и лизис.

Гель-слайды представляют собой стёкла с нанесённой подложкой из агарозы с нормальной точкой плавления. Традиционно используются применяемые в микроскопии предметные стёкла с матовой полосой для нанесения надписей на 1/4 поверхности. Исследуемые клетки иммобилизуются в низкоплавкой агарозе и наносятся на стекла. В процессе лизиса под действием высокой концентрации №С1 и детергента происходит диссоциация клеточных структур; де-протеинизированная ДНК заполняет образованную клеткой полость в агарозе.

Щелочная денатурация и электрофорез. В нейтральной версии метода после лизиса микропрепараты подвергают электрофорезу в нейтральном буфере, в процессе которого ДНК в виде нитей и петель двунитевой ДНК мигрирует в порах агарозы к аноду, формируя электрофо-ретический хвост. В щелочной версии метода дополнительный этап щелочной денатурации и сам электрофорез проводят в щелочной среде (рН>13). Во время щелочной денатурации ДНК переходит в однонитевую форму, щёлочно-лабильные сайты реализуются в однонитевые разрывы. В процессе электрофореза в том же буфере образовавшаяся однонитевая ДНК и фрагменты ДНК мигрируют к аноду, образуя хвост комет, в котором после нейтрализации/фиксации случайным образом ренатурируют в дву-нитевую ДНК.

Таким образом, использование щелочного варианта метода «ДНК-комет» позволяет оценивать, главным образом выход однонитевых разрывов и щелочелабильных сайтов, так как при использовании данного протокола двунитевые разрывы составляют менее 5% общего выхода повреждений ДНК . Методом «ДНК-комет», проводимым в нейтральных условиях среды, детектируют преимущественно двунитевые разрывы ДНК .

Микроскопирование и анализ. Микропрепараты после проведения нейтрализации/фиксации и окрашивания слайдов анализируются на эпифлуоресцентном микроскопе с соответствующими красителю фильтрами при 200-400-кратном увеличении в зависимости от типа клеток. Анализ ДНК-комет может проводиться визуально или с помощью программно-аппаратного комплекса. При визуальном способе ДНК-кометы ранжируют на пять условных типов (рис. 2,А) с соответствующим для каждого числовым значением от 0 до 4.

Степень повреждённости ДНК при этом выражается как индекс ДНК-комет (ИДК), определяемый по формуле:

CC4SP - -~-TJДи1У1

№ Ш» V*- АН-™ цуАь- 1»

б fe££ Ф ___1

Рис. 2. ДНК-кометы клеток с различной степенью повреждённости ДНК (А) и анализ их цифровых изображений в программной среде CASP (Б). Указаны числовые значения для каждого типа ДНК-комет, используемые при визуальном анализе микропрепаратов

ИДК = (0xn0 + 1xnj + 2xn2 + 3xn3 + 4xn4) / I,

где n0-n4 - число ДНК-комет каждого типа, I -сумма проанализированных ДНК-комет.

Программно-аппаратный комплекс состоит из совмещённой с микроскопом высокочувствительной CCD-камеры и специализированного программного обеспечения, что позволяет проводить цифровую регистрацию и обработку параметров ДНК-комет, характеризующих целостность структуры ДНК: длину ДНК-комет, длину хвоста, диаметр головы, процентное содержание ДНК в голове или хвосте (% ДНК) и т.д. (рис. 2,Б). В качестве показателя повреждённости ДНК чаще всего используют длину хвоста, процентное содержание ДНК в хвосте или их произведение - так называемый «момент хвоста» (tail moment). Отмечается высокая степень корреляции результатов визуального и программно-аппаратного методов анализа ДНК-комет .

Оценка клеточной гибели. В микропрепаратах ДНК-комет часто выявляют атипичные ДНК-кометы с отсутствующей или практически отсутствующей головой и широким диффузным хвостом, получившие название ghost cells или hedgehogs . Их выделяют в отдельную категорию и исключают из общего анализа, по-

скольку ДНК в хвосте таких комет представлена в виде коротких дискретных фрагментов (рис. 3,А).

Предполагали, что такие ДНК-кометы могут формировать апоптотические клетки, находящиеся на стадии фрагментации хроматина, что и подтвердилось экспериментально .

ДНК-кометы сходной морфологии обнаруживают при анализе клеток, подвергшихся действию цитотоксических агентов, например перекиси водорода (рис. 3,Б). Механизм их возникновения неясен, предполагается, что фрагментация ДНК возникает вследствие «окислительного стресса» и атаки молекулы ДНК активными формами кислорода . Бимодальное распределение таких атипичных ДНК-комет и ДНК-комет с низким уровнем поврежденности ДНК свидетельствует о цитотоксическом эффекте. ДНК-кометы некротических клеток имеют иную морфологию. Это широкие, часто неправильной формы ДНК-кометы с трудно дифференцируемыми головой и хвостом (рис. 3,В).

Таким образом, метод «ДНК-комет» позволяет определить одновременно с ДНК-повреждениями апоптогенную и цитотоксическую активность исследуемых агентов. Возможности метода не ограничиваются определением разрывов

Рис. 3. ДНК-кометы апоптотических (А, обозначены символом*), цитотоксических (Б, обозначены символом *) и некротических (В, указаны стрелкой) клеток. Окраска SYBR Green I, увеличение х200

ДНК как интегрального показателя их повреж-дённости. При соответствующей модификации с помощью данного метода можно специфично оценивать различные типы повреждений ДНК, значительно расширяя его применимость.

Оценка модифицированных оснований ДНК. Модификация метода «ДНК-комет» для оценки повреждённых оснований в ДНК носит название Comet FLARE (Fragment Length Analysis using Repair Enzymes). Его суть заключается в обработке ДНК лизированных клеток на микропрепаратах специфическими ферментами репарации, которые вносят разрывы в ДНК в местах локализации повреждённых оснований .

С помощью фермента формамидопиримидин-ДНК-гликозилазы (Fpg) оценивают уровень окисленного гуанина (8-oxoGua, FapyGua), фор-мамидопиримидинов - пиримидиновых оснований с разомкнутым кольцом, а также ряда алки-лированных оснований . Применение глико-

зилазы hOGG1 позволяет специфично определять 8-oxoG . Также разработаны протоколы для оценки в ДНК пиримидиновых димеров с помощью пиримидин-димер-гликозилаз (Т4-PDG или cv-PDG) , 6,4-фотопродуктов с применением S. РотЬе UVDE и ошибочно спаренного урацила с использованием урацил-ДНК-гликозилазы (UDG) .

Оценка сшивок ДНК-ДНК и ДНК-белок. Для определения наличия сшивок ДНК-белок, ДНК-лизированные клетки обрабатывают про-теиназой К. Это приводит к увеличению элек-трофоретической подвижности ДНК в геле вследствие разрушения сшивок между ДНК и не деградированными в процессе лизиса гистоно-выми белками. По соотношению показателей с обработкой ферментом и без неё определяют процентное содержание сшивок в ДНК .

Для оценки сшивок ДНК-ДНК микропрепараты после лизиса подвергают действию радиации или высоких концентраций перекиси водорода , что увеличивает исходную повреждённость ДНК. При этом ДНК, содержащая сшивки ДНК-ДНК, в процессе электрофореза мигрирует в меньшей степени. По соотношению изменения подвижности контрольной и исследуемой ДНК после обработки вычисляется процент сшивок ДНК-ДНК .

Оценка метилирования ДНК. Для оценки методом «ДНК-комет» уровней метилирования ДНК используют чувствительную к метилированию внутреннего цитозина в последовательности CCGG рестриктазу Нра11 и не чувствительную к этому типу метилирования рестриктазу МspI. Процент метилирования CpG-островков ДНК определяется по формуле:

100 - [(Нра11^р1) 100],

где HpaИ/МspI - процентное содержание ДНК в хвосте после обработки ДНК лизированных клеток соответствующей рестриктазой.

Опыты показывают высокое сходство результатов с данными, полученными традиционным методом оценки метилирования по включению меченого цитозина . В цитируемой работе была использована щелочная версия метода. В экспериментах показано , что применение нейтрального электрофореза для данной модификации метода «ДНК-комет» более приемлемо, поскольку рестриктазы вносят в ДНК исключительно двойные разрывы.

Применение метода «ДНК-комет» в изучении генотоксического действия химических веществ. Возможности метода «ДНК-комет», его преимущества и недостатки наглядно продемонстрированы в работе по исследованию ге-нотоксичности 208 химических соединений, вы-

бранных из различных групп канцерогенных веществ по классификации Международного агентства по исследованию рака и Национальной токсикологической программы США . Тестирование проводилось на мышах (8 органах) и продемонстрировало преимущества этого метода, связанные с возможностью определять повреждения ДНК в любом органе, независимо от степени митотической активности в нем. Результаты тестирования показали, что метод обладает наибольшей эффективностью при определении фрагментации молекул ДНК, образующихся как в результате однонитевых разрывов, индуцированных химическими веществами, так и из щелочелабильных сайтов, возникающих при алкилировании оснований и образовании аддуктов ДНК. Сравнение метода «ДНК-комет» с тестом Эймса, который является общепризнанным методом для скрининга генотоксичных веществ, выявило высокую степень корреляции результатов, полученных при тестировании канцерогенных и неканцерогенных соединений. Исследования канцерогенности веществ (показавших по тесту Эймса отрицательный результат) методом «ДНК-комет» показали, что половина из них генотоксичны. Последнее указывает на ограничения обоих методов, ещё раз свидетельствуя о том, что методы, которые позволяют выявлять повреждения ДНК, мало подходят для идентификации негенотоксичных канцерогенов. Очевидно, что не существует одного метода, способного выявлять все генотоксические воздействия. Поэтому общепринятым является использование набора тестов in vivo и in vitro.

Заключение

Метод «ДНК-комет» имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими методами оценки повреждённости ДНК. Это - высокая чувствительность, возможность регистрации повреждений ДНК в клетках любых тканей in vivo, минимальное количество требуемого экспериментального материала, относительно низкая стоимость, высокая «пластичность», позволяющая при незначительных модификациях использовать метод для селективной регистрации различных категорий повреждений ДНК и связанных событий. Привлекает быстрота проведения экспериментов и относительная простота лабораторного протокола. Сегодня имеется единое мнение о необходимости включения метода «ДНК-комет» в качестве индикаторного теста в систему экспертной оценки генотоксичности in vitro и in vivo. В России данный метод вошёл в состав ряда методических рекомендаций и указаний .

Дополнительно следует указать на перспективу применения метода «ДНК-комет» в качестве индикаторного теста в эпидемиологических, различного рода экспериментальных и клинических исследованиях при изучении этиопатоге-нетической роли первичных повреждений ДНК, а также для оценки «качества жизни» биологической системы в тех или иных экологических условиях среды обитания.

Стандартизация процедур выполнения метода «ДНК-комет» принципиальна для обеспечения сходимости результатов, получаемых различными исследователями, и предупреждения ситуаций, порождающих в опытах неопределённые и/или ложные данные.

Литература

1. Кузин А.М. Структурно-метаболическая теория в радиобиологии. - М.: Наука, 1986. - 283 с.

2. Меерсон Ф.З. Адаптация, стресс и профилактика. - М.: Наука, 1981. - 278 с.

3. The comet assay in toxicology / Dhawan A. and Anderson D. (Eds.); RSC Publisher, UK, London, 2009.

4. Collins A.R. The comet assay for DNA damage and repair: principles, applications and limitations // Mol Biotech. - 2004. - V. 26. - P. 229-261.

5. Ostling O., Johanson K.J. Microelectrophoretic study of radiation-induced DNA damage in individual mammalian cells. Biochem Biophys Res Commun. -1984. - 123. - С. 291-298.

6. Olive P.L., Banath J.P. The comet assay: a method to measure DNA damage in individual cells // Nat Protoc. - 2006. - 1 (1). - С. 23-29.

7. Сорочинская У.Б., Михайленко В.М. Применение метода «ДНК-комет» для оценки повреждений ДНК, вызванных различными агентами окружающей среды // Онкология. - 2008. - Т.10, №3. - С. 303-309.

8. Дурнев А.Д., Жанатаев А.К., Анисина Е.А. и др. Применение метода щелочного гель-электрофореза изолированных клеток для оценки генотоксических свойств природных и синтетических соединений: методические рекомендации. - М., 2006. - 28 с.

9. Жанатаев А.К., Никитина В.А., Воронина Е.С., Дурнев А.Д. Методические аспекты оценки ДНК-повреждений методом «ДНК-комет» // Прикладная токсикология. - 2011. - Т.2, №2 (4). - С. 28-37.

10. Hartmann A. et al. Recommendations for conducting the in vivo alkaline comet assay // Mutagenesis. -2003. - V. 18. - Р. 45-51.

11. Kumaravel T.S., Vilhar B., Stephen P. et al. Comet Assay measurements: a perspective // Cell Biol. Toxicol. - 2009. - 25 (1). - P. 53-64.

12. Оценка генотоксических свойств методом «ДНК-комет» in vitro: методические рекомендации. - М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспо-требнадзора, 2010.

13. Tomás Gichner, Zde^nka Patková, Ji"rina Száko-vá, Kate"rina Demnerová. Cadmium induces DNA damage in tobacco roots, but no DNA damage, somatic mutations or

homologous recombination in tobacco leaves // Mutation Research. - 2004. - 559. - C. 49-57.

14. Olive PL. DNA damage and repair in individual cells: applications of the comet assay in radiobiology // Int J Radiat Biol. - 1999. - 75. - C. 395-405.

15. Xie H., Wise S.S., Holmes A.L. et al. Carcinogenic lead chromate induces DNA double-strand breaks in human lung cells // Mutat Res. - 2005. - 586 (2). -C. 160-172.

16. Yasuhara S., Zhu Y., Matsui T. et al. Comparison of comet assay, electron microscopy and flow cytometry for detection of apoptosis // Journal Histochem. Cytochem. - 2003. - 51 (7). - P. 873-885.

17. Olive P.L., Banath J.P. Sizing highly fragmented DNA in individual apoptotic cells using the comet assay and a DNA crosslinking agent // Exp. Cell Res. - 1995. -221 (1). - P. 19-26.

18. Collins A.R., Duthie S.J. and Dobson V.L. Direct enzymic detection of endogenous oxidative base damage in human lymphocyte DNA // Carcinogenesis. - 1993. -14. - P. 1733-1735.

19. Collins A.R., Dusinska M. and Horska A. Detection of alkylation damage in human lymphocyte DNA with the comet assay // Acta Biochim. Polon. - 2001. -48. - P. 611-614.

20. Smith C.C., O"Donovan M.R. and Martin E.A. HOGG1 recognizes oxidative damage using the comet assay with greater specificity than FPG or ENDOIII // Mutagenesis. - 2006. - 21. - P. 185-190.

21. Dusinska M. and Collins A. Detection of lbumin purines and UV-induced photoproducts in DNA of single cells, by inclusion of lesion specific enzymes in the comet assay // Altern. Lab. Anim. - 1996. - 24. - P. 405-411.

22. Duthie S.J. and McMillan P. Uracil misincorpo-ration in human DNA detected using single cell gel electrophoresis // Carcinogenesis. - 1997. - 18. - P. 1709-1714.

23. Merk O., Speit G. Detection of crosslinks with the comet assay in relationship to genotoxicity and cytotoxicity // Environ. Mol. Mutagen. - 1999. - 33 (2). -P. 167-172.

24. Spanswick V.J., Hartley J.M., Hartley J.A. Measurement of DNA interstrand crosslinking in individual cells using the single cell gel electrophoresis (comet) assay // Methods Mol. Biol. - 2010. - 613. - P. 267-282.

25. Hartley J.M., Spanswick V.J., Gander M. et al. Measurement of DNA cross-linking in patients on ifosfa-mide therapy using the single cell gel electrophoresis (comet) assay // Clin. Cancer Res. - 1999. - 5. - P. 507512.

26. Wentzel J.F., Gouws C., Huysamen C. et al. Assessing the DNA methylation status of single cells with the comet assay // Anal. Biochem. - 2010. - 400 (2). -P. 190-194.

27. The National Toxicology Program, Report on Carcinogens. - 2007; Eleventh edition.

28. Sasaki YF, Sekihashi K, Izumiyama F. et al. The comet assay with multiple mouse organs: comparison of comet assay results and carcinogenicity with 208 chemicals selected from the IARC monographs and US NTP Carcinogenicity Database // Crit Rev Toxicol. - 2000. -30 (6). - С. 629-799.

29. Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наноматериалов: методические указания. - М.: Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека, 2009.

Поступила в редакцию 25.02.2014

УДК 636.082.12

Изменчивость полиморфизма белков крови лошадей табунных пород Якутии

А.В. Чугунов, Н.П. Филиппова, М.Н. Халдеева, Н.П. Степанов

Проведено изучение аллелофонда якутской, мегежекской и приленской пород табунных лошадей по двум полиморфным системам крови, установлена степень генетических различий по типам транс-феррина и альбумина между популяциями лошадей разных районов Республики Саха (Якутия). У лошадей изученных пород отмечен недостаток гетерозиготных генотипов, на что указывает положительное значение Fis. Исследование показало, что популяции табунных лошадей трех пород находятся в устойчивом генном равновесии по двум локусам.

Ключевые слова: аллелофонд, полиморфные системы крови, локус, якутская, мегежекская, прилен-ская породы лошадей.

Allele pool of herd horses of the Yakut, Megezheksky and Prilensky breeds on two polymorphic blood systems is studied. The degree of genetic distinctions on transferrin and albumin types between populations of

ЧУГУНОВ Афанасий Васильевич - д.с.-х.н., проф. ЯГСХА, [email protected]; ФИЛИППОВА Наталья Павловна -к.б.н., доцент ЯГСХА, [email protected]; ХАЛДЕЕВА Матрена Николаевна - к.с.-х.н., ст. преподаватель ЯГСХА, [email protected]; СТЕПАНОВ Николай Прокопьевич - к.с.-х.н., доцент каф. ЯГСХА, [email protected].

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Вы знаете, что изучением комет занимаются не только астрономы, но и молекулярные биологи? Их работа связана с космосом лишь косвенно. На кометы они смотрят в микроскоп. Звездным небом служит гель-слайд - микроскопическое предметное стекло, покрытое агарозой с исследуемыми клетками. Такое стало возможным благодаря открытию в 1984 году способа анализа ДНК, названного методом ДНК-комет.

О популярности в цифрах

Рисунок 2. Примеры повреждений ДНК, возникающих в результате действия факторов разной природы

Как видите, «разбойники» могут совершить огромный спектр «преступлений» и нанести существенный урон целостности ДНК. Однако в клетке на страже безопасности ДНК стоят системы репарации , «лекари», которые исправляют повреждения молекулы с помощью специальных «медикаментов» - ферментов, способных «залатать раны», нанесенные генотоксикантами. Ферментов репарации великое множество. На сегодняшний момент известно, что в эксцизионной репарации повреждений ДНК, т.е. в операциях, когда участок сначала вырезается, а потом собирается вновь, принимает участие 13 ферментов !

Однако не все так гладко, как кажется на первый взгляд. Операции в «отделении репарации» не всегда завершаются благополучно, т.е. восстановлением исходной молекулы ДНК. Итогом работы восстановительных систем могут стать и новые повреждения. Причина тому - весьма плотная упаковка нитей ДНК в ядре .

А что же ученые? Они выступают в роли «полицейских», которым нужно выявить «состав преступления», т.е. найти «преступника» и его «сообщников» (определить генотоксиканты, их дозы и концентрации) и установить тяжесть «преступления» (выявить степени повреждений ДНК). Именно в таких ситуациях помогает метод ДНК-комет.

Родом из Швеции

Попытки, направленные на изучение ядерных структур клетки и количественное определение нитевых повреждений ДНК в одиночных клетках организмов, были предприняты еще в 80-х гг. XX века такими учеными, как Кук и Бразелл , Ридберг и Йохансон . Однако лишь в 1984 г. шведские исследователи Остлинг и Йохансон развили новый метод определения повреждений ДНК . Именно они заметили, что изображения фрагментов ДНК, мигрировавших в электрическом поле, напоминали астрономические кометы. Сходство было налицо. «Кометы», полученные учеными из Швеции, обладали главными характеристиками космических «собратьев»: они имели «голову» и «хвост» . Отсюда и пошло такое романтическое название - метод ДНК-комет.

У метода есть еще ряд наименований - гель-электрофорез одиночных (изолированных) клеток и электрофорез в микрогеле . Первое название некорректно отражает суть анализа. Электрофорез проводится не в одиночных клетках, а в агарозном геле, где от одного полюса к другому движется ДНК, выделенная из этих самых клеток. Второе - верное, т.к. электрофорез осуществляется в агарозном геле, нанесенном на слайды. Но и этот термин не прижился. Указанные названия не пользуются большой популярностью и используются редко, в отличие от «метода ДНК-комет».

Заклинание для получения «комет»

Рисунок 3. Строение «кометы».

Лабораторные «кометы» - объекты интересные. Их облик напрямую зависит от факторов воздействия, их силы и условий проведения анализа. Информация о «кометах» не тайна, покрытая мраком, поэтому про их состав, строение и образование известно практически все.

В публикации 1984 г. шведы Остлинг и Йохансон назвали ДНК, которая мигрировала, - «хвост», а оставшуюся в полости ДНК - «центр» . Сейчас же практически ничего не изменилось: у «кометы» условно выделяют «голову» и «хвост» (рис. 3).

Надо четко представлять, что «комета» образуется не из клетки живого организма, а именно из ее ДНК. Помещенная в агарозный слой суспензия клеток образует полости, которые в процессе лизиса занимает ДНК этих клеток. Все дальнейшие манипуляции в методе ДНК-комет осуществляются именно с ДНК.

«Кометы» образуются в процессе миграции (перемещения) ДНК в электрическом поле (когда есть ток и напряжение). Что же происходит во время лизиса и электрофореза ? Более маленькие биомолекулы, входящие в состав клетки, «убегают» в лизирующий раствор в процессе диффузии, в отличие от ДНК, которая из-за своего чрезвычайно большого размера не может сдвинуться с места . Когда же слайды с ДНК подвергают электрофорезу, неповрежденная ДНК формирует «голову кометы», а поврежденные части молекул начинают «пробежки» по направлению к положительно заряженному источнику тока - аноду (т.к. ДНК заряжена отрицательно), образуя «хвост». Чтобы увидеть получившиеся «кометы», их окрашивают флуоресцентными красителями (бромистый этидий, акридиновый оранжевый и др.), а затем визуализируют с помощью флуоресцентного микроскопа на большом увеличении (рис. 4).

Остлинг и Йохансон пишут следующее: «Когда клетка встраивается в гель, она формирует углубление в нем. После лизиса клетки ее ДНК занимает это углубление. Большинство других биомолекул легко диффундирует по агарозному гелю. Таким образом, практически все они выходят из углубления, оставленного клеткой, в лизирующий раствор. Единственное исключение составляет ДНК, которая за счет своей большой молекулярной массы остается в геле» . - Ред.

Рисунок 4. Последовательность этапов метода ДНК-комет (начиная сверху по часовой стрелке). * - Этап необходим только в щелочной версии метода (рН > 13,0), чтобы нейтрализовать щелочь NaOH.

Чем сильнее повреждения ДНК (а степень повреждения зависит от дозы мутагена), тем более выражен «хвост кометы». Как вы уже поняли, длинный «хвост» - это не очень хорошо.

Универсальный солдат

Метод ДНК-комет - инструмент широкого профиля. С его помощью ученые «раскрывают преступления», связанные с покушением на здоровье человека и безопасность окружающей среды (конечно же, все это через исследование поврежденной ДНК). Метод приобрел такую популярность благодаря привлекательным характеристикам - простоте, скорости, экономичности и достаточно высокой чувствительности, которая позволяет выявлять повреждения ДНК, вызванные даже факторами низкой интенсивности (например, малыми дозами радиации). Среди множества способов оценки повреждений ДНК метод ДНК-комет является одним из самых подходящих в этой области. Помимо указанных выше преимуществ, он выигрывает, например, у широко известных цитогенетических методов (ана-телофазный , метафазный анализы , микроядерный тест ), еще и по другим веским причинам .

Метод ДНК-комет позволяет работать с любыми содержащими ДНК клетками, в отличие от микроядерного теста, в котором чаще всего задействуют клетки крови или костного мозга. Если же ана-телофазный и метафазный методы ограничены в перечне определяемых хромосомных аберраций , то метод ДНК-комет предоставляет широкий спектр своих модификаций, благодаря которым исследователь может выявить самые разные повреждения ДНК: одиночные, двойные повреждения, щелочно-лабильные сайты, апоптоз и другие. Именно такие возможности делают его «универсальным солдатом» и прокладывают методу дороги в разные области научных исследований , :

• экологический мониторинг - оценка состояния окружающей среды по степени повреждения ДНК организмов, обитающих на исследуемой территории (как правило, сравнивают уровни повреждения ДНК особей с загрязненной и контрольной территорий);
• биологический мониторинг - изучение влияния питания и других внешних факторов среды на организм по степени повреждения ДНК, накоплению повреждений и репарации;
• генотоксические исследования фармакологических препаратов, новых и уже имеющихся химических веществ (бытовая химия, пестициды и др.);
• клинические исследования , направленные на дородовую диагностику на стадии внутриутробного развития, выявление предрасположенности к заболеваниям;
• оценка эффективности терапий при онкологических заболеваниях и ее контроль.

Изменения познаются в сравнении

Наблюдение за состоянием окружающей среды, т.н. экологический мониторинг , помогает исследователям выявлять происходящие в среде изменения и вовремя бить тревогу (особенно в аварийных ситуациях, например, на Чернобыльской АЭС в 1986 г. или на АЭС «Фукусима Дайичи» в 2011 г.). При загрязнениях среды метод ДНК-комет в сочетании с организмами-индикаторами приходится как нельзя кстати. Списки организмов, характерных для разных сред обитания и наиболее чувствительных к изменениям состояния среды, достаточно обширны и включают виды, начиная с бактерий Escherichia coli и водорослей рода Chlamydomonas и заканчивая высшими растениями (Lemna minor, Pinus sylvestris ), млекопитающими (Microtus oeconomus ) и, конечно же, человеком (рис. 5). В методе ДНК-комет задействуют, как правило, не организмы целиком, а их «составные части» - клетки, особенно чувствительные к изменениям факторов внешней среды, или ткани, из которых эти клетки можно получить. У животных обычно берут клетки крови: эритроциты и лимфоциты, гемоциты (аналоги эритроцитов у беспозвоночных), целомоциты (клетки, выполняющие иммунную функцию у дождевых червей); у растений - клетки меристемы, интенсивно делящейся ткани.

Примечание: В анализе повреждений ДНК можно использовать и целых особей, если они представлены одной клеткой, как, например, Chlorella vulgaris .

Рисунок 5. Примеры организмов-индикаторов, используемых для оценки состояния окружающей среды с помощью метода ДНК-комет.

сайты scuola-cucina.com, photosflowery.ru, 4pics.ru, kharkov-fish.ru.gg, 10-themes.com, worldartsme.com, sms.si.edu, wulovef.com, qygjxz.com, hdimagegallery.net, nhm.ac.uk, picstopin.com, functionalecology.org, akva-world.ru, moskvapark.naidich.ru, botany.natur.cuni.cz, rusrep.ru, animalsfoto.com, go-that.appspot.com, hdimagelib.com

Как метод ДНК-комет работает в данном случае? Ученые сравнивают степени повреждения ДНК организмов-индикаторов, обитающих на исследуемой (загрязненной) и контрольной (незагрязненной) территориях: подвергаемых воздействию загрязненной почвы, воды и др., и таких же, но живущих в обычных контрольных условиях, т.е. когда отсутствует воздействие изучаемого фактора либо оно незначительно. Оценку степени повреждения ДНК проводят и в лабораториях, в строго контролируемых условиях, когда есть выборка организмов, подвергнутая воздействию исследуемого фактора или группы факторов (радиации, металлов, пестицидов), и обязательно контрольная группа (не испытывающая этого воздействия).

Пример: 11 марта 2011 г. в результате сильнейшего в Японии землетрясения и последовавшего за ним цунами произошла серьезная радиационная авария на АЭС «Фукусима Дайичи». В 2014 г. японские ученые провели исследование. Они выбрали два участка, пострадавших в результате аварии: с высоким уровнем радиации (2,85 мкЗв/ч) и с низким (0,28 мкЗв/ч) в качестве контроля. У дождевых червей семейства Megascolecidae с этих участков проанализировали степень повреждения ДНК. Оказалось, что этот показатель достоверно выше у особей, подвергнутых воздействию высокого уровня радиации, чем у особей на участке с низким уровнем воздействия .

Сценарии могут быть разными. Степень повреждения ДНК в клетках может повышаться, снижаться или же оставаться неизменной. Повышенная степень повреждения ДНК у организмов с загрязненной территории может свидетельствовать о внутренних изменениях в функционировании клеток, которые приводят к многочисленным «поломкам» ДНК.

Примеры: Некоторые металлы, поступая в организм, индуцируют активные формы кислорода (АФК), вызывающие повреждения ДНК ; ионизирующее излучение способствует образованию свободных радикалов, также являющихся «обидчиками» ДНК. Действие ультрафиолетовых лучей может приводить к образованию димеров в ДНК , нарушающих связь двух ее цепочек и таким образом меняющих конформацию молекулы.

Снижение степени повреждения ДНК или отсутствие различий наталкивает на мысль, что организмы справились с «гнетом» генотоксикантов и приспособились к жизни в этих неблагоприятных условиях. Такое приспособление носит название адаптации. Но это совсем другая история.

Наследственность - страшная сила

Слышали о таких заболеваниях, как синдром хромосомных поломок (синдром неймегеновского повреждения), пигментная ксеродерма и трихотиодистрофия ? Они проявляются только тогда, когда оба родителя - носители дефектного гена (рис. 6).

В литературе есть данные о возможности применения метода ДНК-комет в диагностике этих наследственных заболеваний, что особенно важно на пренатальной стадии, т.е. при беременности.

Синдром неймегенского повреждения (Nijmegen breakage syndrome, NBS ) - заболевание, связанное с постоянными нарушениями целостности ДНК. Проблема заключается в том, что в гене NBS1 происходит мутация, которая «выключает» нибрин - белок, контролирующий восстановление парных разрывов ДНК, индуцируемых радиацией. Именно поэтому люди, страдающие этим синдромом, являются чрезвычайно радиочувствительными . Божена Новотна из пражского Института экспериментальной медицины в своем исследовании утверждает, что метод ДНК-комет отлично помогает выявить гетерозиготных носителей гена NBS1 по аномально высокому уровню повреждений нитей ДНК в «кометах» лимфоцитов .

Не менее опасными являются пигментная ксеродерма и трихотиодистрофия . Это серьезные заболевания человека, передающиеся по наследству. В первом случае при непродолжительном нахождении на солнце у детей на открытых участках кожи (кистях рук, шее, лице) сначала появляются красные пятна, которые впоследствии переходят в выраженную пигментацию вплоть до образования опухолей. Второе заболевание выражается в ломкости волос и ногтей, задержке в умственном развитии и аномалиях в строении черепа.

Эти заболевания объединяет нарушение в работе эксцизионной репарации нуклеотидов. По успешности эксцизионной репарации нуклеотидов в клетках плода с помощью метода ДНК-комет можно выявить, будет ли ребенок страдать этими заболеваниями. В литературе описаны случаи такой диагностики .

Перед исследователями стояла задача: до рождения выяснить, будут ли дети болеть пигментной ксеродермой и трихотиодистрофией. Эксперименты проводились в семьях, в которых родители являются носителями генов пигментной ксеродермы (семья Х ) и трихотиодистрофии (семья Y ) и уже имеют детей с этими заболеваниями .

Семья Х : беременность 15 недель, мать - носитель гена пигментной ксеродермы, есть ребенок 3-х лет с этим заболеванием.

Семья Y : беременность 10 недель, отец и мать - носители гена трихотиодистрофии, двое детей с трихотиодистрофией умерли в возрасте 22 месяца и 6 лет, еще один - в результате спонтанного аборта (выкидыша).

Все клетки в течение 45 минут подвергали действию ультрафиолетового излучения.

Исследование семьи Х : Уровень повреждений ДНК в клетках плода, определенный с помощью метода ДНК-комет, был близок к уровню повреждений ДНК в фибробластах матери-носительницы, т.е. соответствовал уровню нитевых повреждений в условиях нормальной работы эксцизионной репарации ДНК. Вывод - плод здоров. Этот вывод подтвердился после рождения нормального ребенка.

Исследование семьи Y: в клетках плода по сравнению с фибробластами отца и матери выявлен дефект в работе эксцизионной репарации, который был подтвержден и другим методом, не основанном на изучении репарации. Выявлено, что плод болен. После разговора с семьей было решено делать аборт.

Промышленность - враг здоровья человека

Здоровье людей, работающих на промышленных объектах или проживающих в экологически неблагоприятных районах, каждый день подвергается риску. Опасность заключается не только в ежедневном тесном контакте организма с генотоксикантами (ионизирующим излучением, тяжелыми металлами и другими химикатами), но и в вероятности аварийных ситуаций (примеры см. выше), последствия которых могут быть катастрофичны для организмов. Изменения состояния организма могут быть самыми разными, начиная с легких недомоганий вроде головной боли и заканчивая раковыми заболеваниями.

Метод ДНК-комет можно применять в качестве перспективного инструмента первичной оценки состояния генома людей, работающих или проживающих в экологически неблагоприятных условиях. Это означает, что ДНК-кометы можно использовать не только в перечисленных сферах исследований, но и применять в будущем в других областях, расширять варианты применения метода в клинических исследованиях, медицине и многом другом.

Примеры: В Польше в результате аварии на заводе по изготовлению батареек работники подверглись сильному воздействию свинца и кадмия, которое привело к незначительному, но достоверному повышению уровня повреждений ДНК по сравнению с группой людей, не испытавших такого стресса . Генотоксическое действие газосварочных аэрозолей, содержащих тяжелые металлы - марганец, хром, никель, кадмий, кобальт, свинец, молибден, железо, - на ДНК лейкоцитов выявлено для людей, чья работа в течение долгого времени связана со сваркой .

Есть и некоторые трудности

Чтобы правильно использовать метод ДНК-комет, нужно «знать в лицо» не только его возможности и достоинства перед другими методами, но и, конечно же, недостатки, ограничения и трудности, с которыми нужно быть начеку. Метод требует оптимизации лизиса, электрофореза и других условий в зависимости от типа клеток, которые использует ученый, и целей исследования.

Пояснение: клетки растений и животных требуют разных условий для высвобождения ДНК, т.е. лизиса. Из-за наличия целлюлозной клеточной стенки на лизис растительных клеток тратится больше времени, чем у животных.

Из первой трудности вытекает второе неудобство: адаптация метода к задачам анализа может быть очень трудоемким процессом (хотя сама методика проста и понятна), особенно если с объектом вашего исследования никто не работал по методу ДНК-комет. Бывает, «настройка» методики в таком случае требует очень много времени.

Иногда возникают сложности в интерпретации результатов, полученных по степени повреждения ДНК, поскольку степень повреждения не всегда удается соотнести с дозой фактора воздействия.

Пояснение: Такая проблема может быть связана с недостаточной оптимизацией метода, когда к одним типам повреждений примешиваются другие и искажают тем самым результаты. Вносить «смуту» в реальную степень повреждения ДНК могут и системы репарации, которые исправляют какую-то часть возникающих нарушений.

Одной из самых главных трудностей можно назвать сопоставление результатов , полученных с помощью метода ДНК-комет разными учеными в разных лабораториях и научно-исследовательских институтах. Для оценки повреждения ДНК используют методики с модификациями и абсолютно разные показатели (например, процент ДНК в «хвосте кометы» или длину «хвоста»).

Пояснение: Длина «хвоста кометы» - расстояние, на которое мигрировала ДНК от «головы» хвоста. Процент ДНК в «хвосте кометы» - это количество ДНК, мигрировавшей в «хвост», выраженное в процентах. С полным списком показателей оценки повреждения ДНК можно ознакомиться на сайте www.cometassayindia.org .

Активно предпринимаются попытки стандартизировать применение метода ДНК-комет, что поможет сравнивать полученные учеными результаты. Например, в генотоксических исследованиях разработаны протоколы и методические рекомендации .

Пояснение: В методических рекомендациях Федерального центра гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора четко определены тест-объекты (клетки человека) и подробно описаны все этапы анализа. Согласно данным рекомендациям, с помощью метода ДНК-комет проверять на генотоксичность можно товары бытовой химии и изделия из полимерных материалов.

Заключение

«Кто вооружен, тот защищен» - таков девиз работы с методом ДНК-комет. Знание достоинств и трудностей применения данного способа оценки повреждения ДНК позволяет мастерски манипулировать ходом работы, избегать «подводных камней» и получать корректные результаты.

Метод ДНК-комет играет роль «палочки-выручалочки» в оценке общего состояния организма, как правило, на ранних этапах воздействия неблагоприятных факторов среды. На начальном этапе именно повреждения ДНК являются самым быстрым и поэтому единственно доступным для измерения ответом организма на неблагоприятное воздействие еще задолго до появления изменений на физиологическом уровне.

Теперь вы знаете, как биологи получают «кометы» в лабораториях и зачем они им так нужны.

Литература

1. Liao W., McNutt M.A., Zhu W.-G. (2009). The comet assay: A sensitive method for detecting DNA damage in individual cells . Methods . 48 , 46–53;
2. Инге-Вечтомов С.Г. Генетика с основами селекции: учебник для студентов высших учебных заведений (3-е издание, перераб. и доп.). СПб.: Н-Л, 2015. - 720 с.;
3. Piperakis S.M. (2009). Comet assay: a brief history . Cell Biol. Toxicol. 25 , 1–3;
4. Ярмоненко С.П. Радиобиология человека и животных. М.: Высш. шк., 2004. - 549 с.;
5. Cook P.R. and Brazell I.A. (1976). Characterization of nuclear structures containing superhelical DNA . J. Cell Sci. 22 , 303–324;
6. Rydberg B. and Johanson K.J. Estimation of single strand breaks in single mammalian cells . In: DNA repair mechanisms / ed. by Hanawalt P.C, Friedberg E.C, Fox C.F. NY: Academic, 1978. P. 465–468;
7. Ostling O. and Johanson K.J. (1984). Microelectrophoretic study of radiation-induced DNA damages in individual mammalian cells . Biochem. Biophys. Res. Commun. 123 , 291–298;
8. Cotelle S. and Ferard J.F. (1999). Comet assay in genetic ecotoxicology: a review . Environ. Mol. Mutagen. 34 , 246–255;
9. Tice R.R., Agurell E., Anderson D., Burlinson B., Hartmann A., Kobayashi H. et al. (2000). Single cell gel/comet assay: guidelines for in vitro and in vivo genetic toxicology testing . Environ. Mol. Mutagen. 35 , 206–221;
10. Филиппов Э.В. (2014). Использование метода «ДНК-комет» для детекции и оценки степени повреждений ДНК клеток организмов растений, животных и человека, вызванных факторами окружающей среды (обзор) . Наука и образование . 2 , 72–78;
11. Collins A.R. (2004). The comet assay for DNA damage and repair: principles, applications, and limitations . Mol. Biotechnol. 26 , 249–261;
12. Fujita Y., Yoshihara Y., Sato I., Sato S. (2014). Environmental radioactivity damages the DNA of earthworms of Fukushima Prefecture, Japan . Eur. J. Wildl. Res. 60 , 145–148;
13. Barillet S., Buet A., Adam C., Devaux A. (2005). Does uranium exposure induce genotoxicity in the teleostean Danio rerio ? First experimental results . Radioprotection . 40 , 175–181;
14. Каган М.Ю., Шулакова Н.С., Тумирова Р.А., Злодеева Е.А., Резник Н.В. (2012). Синдром Ниймеген (клиническое наблюдение) . Педиатрическая фармакология . 3 , 102–105;
15. Alapetite C., Benoit A., Moustacchi E., Sarasin A. (1997). The comet assay as a repair test for prenatal diagnosis of Xeroderma pigmentosum and trichothiodystrophy . J. Invest. Dermatol. 108 , 154–159;
16. Palus J., Rydzynski K., Dziubaltowska E., Wyszynska K., Natarajan A.T., Nilsson R. (2003). Genotoxic effects of occupational exposure to lead and cadmium . Mutat. Res. 540 , 19–28;
17. Томилин Н.В., Петров А.Н., Филько О.А., Храброва А.В., Соловьева Н.Е., Иванова Т.М. и др. (2015). Оценка степени повреждения ядерной ДНК в клетках периферической крови людей, профессионально связанных с действием тяжелых металлов . Организация здравоохранения . 16 , 383–392;
18. Оценка генотоксических свойств методом ДНК-комет in vitro : Методические рекомендации . М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2010.- 16 с.

Генотоксичность, то есть повреждающее воздействие того или иного соединения на геном, и канцерогенность - связанные явления. Метод ДНК-комет позволяет оценить степень повреждения геномной ДНК как в эксперименте, в научных целях, так и при решении практических задач: оценке влияния окружающей среды или условий труда, контроле трансплантационного материала при размораживании, в тканевой инженерии. Повреждение ДНК, выявленное тестом ДНК-комет, может свидетельствовать и о предрасположенности к онкологии, и об изменениях, связанных с ней. Увеличение выявляемых ДНК-комет повреждений ДНК характерно для опухолевых клеток . И, хотя за десятилетия с момента разработки, метод получил распространение только в специализированных областях, он может найти применение в диагностике и мониторинге лечения различных заболеваний . Преимуществами ДНК-комет является чувствительность, невысокие требования к количеству материала, быстрый в исполнении протокол работы, относительная простота и невысокая стоимость .

Метод ДНК-комет применяется для исследования различных типов клеток, как в культуре, так и в образцах биологических жидкостей и тканей . Главным требованием для проведения анализа ДНК-комет является перевод клеток ткани суспензию, поэтому при вскрытии лабораторных животных изъятые фрагменты органов должны пройти соответствующую обработку, а клетки, содержащиеся в крови или сперме можно исследовать напрямую . 80% злокачественных новообразований имеют эпителиальное происхождение. Эпителии, подвергающиеся и внешнему воздействию, и воздействию со стороны внутренней среды организма наиболее подходят для оценки генотоксичности методом ДНК-комет . Неинвазивным способом получения эпителиальных клеток человека является мазок эпителия ротовой полости и отбор эксфолиативного материала эпителия слёзного канала. Клетки эпителия ротовой полости живут 10-14 дней, присутствие в них повреждённой ДНК свидетельствует о недавнем воздействии генотоксического соединения. Исследования целостности ДНК эпителия ротовой полости могут помочь при мониторинге воздействий веществ, связанных с профессиональной деятельностью и пищевых продуктов .

Клетки, помещённые в агарозу на стекле, обрабатываются лизирующим раствором, и, если необходимо, ферментами, специфичными к определённым нарушениям. Разделение проводится в щелочном буфере. ДНК выходит из клетки и движется на анод, образуя шлейф, который можно увидеть, используя флуоресцентный микроскоп. Чем больше разрывов происходит в ДНК, тем более выражено движение её фрагментов. После процедуры стёкла нейтрализуются и окрашиваются интеркалирующими красителями для визуализации ДНК. Оценка электрофоретической подвижности ДНК проводится с помощью флуоресцентного микроскопа . Когда практически вся ДНК клетки фрагментирована, это, как правило, погибшая клетка. Если единичные клетки имеют такую степень повреждения генома, они исключаются из анализа .

Наиболее часто используемый щелочной протокол ДНК-комет (разделение при pH > 13) позволяет выявить одноцепочечные разрывы, сшивки в ДНК и между ДНК и белками . Использование в ходе пробоподготовки обработки щёлочью повышает восприимчивость метода, поскольку большинство генотоксических агентов не вносят двуцепочечного разрыва в цепи ДНК, а формируют одноцепочечные разрывы или участки с повышенной чувствительностью к щелочам . Дополнительно применяются ферменты, вносящие разрывы в области ДНК со специфическими поврежденими. Формамидопиримидин ДНК-гликозилаза разрезает цепи ДНК в области окисленных нуклеотидов, формамидпиримидинов (аденина и гуанина с открытым кольцом) и других производных гуанина; OGG1 выявляет окисленные пурины и формамидопиримидины, эндонуклеаза III выявляет окисленные пиримидины, T4 эндонуклеаза V распознаеё димеры пиримидинов, 3-метиладенин ДНК гликозилаза II (AlkA) специфична к 3-метиладенину; а урацил ДНК гликозилаза выявляет ошибочно встроенный в ДНК урацил . Такие протоколы обработки материала могут понадобится для решения специфических задач, например в замороженных тканях возрастает содержание окисленных пиримидинов и сайтов T4 эндонуклеазы V, а других нарушений не наблюдается. Метод ДНК-комет с обработкой соответствующим ферментом, может применяться для оценки состояния трансплантата перед пересадкой.

Одна из сфер клинической диагностики, в которой применяется технология ДНК-комет - диагностика мужского бесплодия. В силу устройства сперматозоида, риск нарушений структуры ДНК в этих клетках повышен, а системы репарации полностью не компенсируют происходящие нарушения. При мужском бесплодии наблюдают повышенную степень повреждения ДНК сперматозоидов. Количество разрывов ДНК в сперматозоидах в норме достигает ∼10 6 - 10 7 на геном, как у человека, так и у лабораторных мышей, что гораздо выше количества разрывов генома в лимфоцитах или клетках красного костного мозга. Оплодотворение сперматозоидом, содержащим повреждения ДНК, активирует в ооците процессы репарации, восстанавливающие эти повреждения, но риск мутаций и врождённых заболеваний у ребёнка при этом повышается. Частота невынашивания беременности коррелирует со степенью повреждения ДНК сперматозоидов. С этим связана повышенная частота врождённых заболеваний и нарушений развития у детей при ИКСИ .

Метод ДНК-комет применяется не только для оценки состояния ДНК, но и для исследования процессов репарации в клетках. При этом исследуемые клетки разрушаются, а полученным гомогенатом обрабатывается ДНК, в которую предварительно вносятся повреждения определённого типа, в смесь добавляются нуклеотиды и АТФ, необходимые для репарации. По способности гомогената восстанавливать те или иные повреждения судят об активности систем репарации в клетках. Тип повреждения, который вносится в ДНК, зависит от того, какой механизм репарации исследуется. Например, для оценки эксцизионной репарации оснований применяют повреждённую светом ДНК, содержащую 8-оксогуанин, а эксцизионной репарации нуклеотидов - облучённую ультрафиолетовым светом ДНК, содержащую димеры пиримидинов. Одноцепочечные разрывы вносятся обработкой перекисью водорода, облучением рентгеновскими или гамма лучами, алкилирование ДНК проводится путём обработки метил-метансульфонатом. Для исследования эксцизионной репарации нуклеотидов используют оценку накопления разрывов ДНК при блокировании полимераз, участвующих в этом процессе с помощью афидоколина, или цитозин арабинозида в сочетании с гидроксимочевиной .

Анализ экспрессии генов, ассоциированных с репарацией, не всегда может быть объективным показателем состояния ДНК в клетках, поэтому метод ДНК-комет позволяет получить ценную дополнительную информацию. Повышенная активность систем репарации свидетельствует не только о том, что клетки более устойчивы к повреждениям генома, но и о том, что они подвергаются воздействию генотоксичного агента, в результате чего синтез белков, участвующих в репарации, активирован. Внесение в рацион Q10, витамина С в медленно растворяющихся капсулах, повышает активность эксцизионной репарации оснований. Сходный эффект наблюдается, если вместо препаратов использовать богатые антиоксидантами фрукты и овощи. При этом снижается активность системы эксцизионной репарации нуклеотидов, поскольку в ней отпадает необходимость .

Тест микронуклеусов является прямым показателем канцерогенности, руководство ICH рекомендует использовать его в сочетании с ДНК-комет . Метод ДНК-комет можно сочетать с флуоресцентной гибридизацией FISH, чтобы определить, затрагивают ли изменения определённые участки генома . Для анализа большого количества шлейфов ДНК, полученных в результате процедуры ДНК-комет. рекомендуется применять автоматизированные решения. Это позволит снизить субъективность оценки и более точно оценить размер и форму образовавшихся шлейфов, что особенно важно с учётом необходимости сбора данных по большому количеству шлейфов в каждом препарате. ДНК-комет может применяться в качестве метода для клинической диагностики и в исследовательских целях - для оценки генотоксичности того или иного соединения.

1. Kang SH, Kwon JY, Lee JK, Seo YR. Recent advances in in vivo genotoxicity testing: prediction of carcinogenic potential using comet and micronucleus assay in animal models / J Cancer Prev. - 2013. V.18, N.4. - P. 277-88.
2. Rojas E, Lorenzo Y, Haug K, Nicolaissen B, Valverde M. Epithelial cells as alternative human biomatrices for comet assay / Front Genet. - 2014. V5. N. 386.
3. Azqueta A, Slyskova J, Langie SA, O"Neill Gaivão I, Collins A. Comet assay to measure DNA repair: approach and applications / Front Genet. - 2014. - V.5, N.288.
4. Aitken RJ, Bronson R, Smith TB, De Iuliis GN. The source and significance of DNA damage in human spermatozoa; a commentary on diagnostic strategies and straw man fallacies / Mol Hum Reprod. - 2013. - V.19. N.8. - P. 475-85.

Оценка воздействия гамма-лучей на ДНК лимфоцита с помощью метода ДНК-комет. Микрофотографии (А) и обработанные изображения (В).

Wang Y, Xu C, Du LQ, Cao J, Liu JX, Su X, Zhao H, Fan F-Y, Wang B, Katsube T, Fan SJ, Liu Q. Evaluation of the Comet Assay for Assessing the Dose-Response Relationship of DNA Damage Induced by Ionizing Radiation / Int. J. Mol. Sci. - 2013. - V.14. N.11. - P.22449-22461.

Воздействие перекиси водорода на ДНК сперматозоидов моллюска Choromytilus chorus

Lafarga-De la Cruz F., Valenzuela-Bustamante M., Del Río-Portilla M., Gallardo-Escárate C. Genomic Integrity evaluation in sperm of Choromytilus chorus (Molina, 1782) by comet assay / Gayana. - 2008. - V.72. N.1. - P.36-44.

Метод гель-электрофореза отдельных клеток или метод ДНК-комет является высокочувствительным и обеспечивает высокую надежность получаемых результатов, в то же время относительно прост и быстро выполним, а также является стандартизованным на международном уровне (OECD № 489). Данный метод является наиболее перспективным для решения следующих задач:

Биомониторинг человека и окружающей среды, то есть выявление последствий индуцированного мутагенеза при контакте человека с ксенобиотиками (лекарственными средствами, пищевыми добавками, пестицидами, парфюмерно-косметическими средствами, бытовой химии, а также наиболее широко распространенными загрязнителями воды, воздуха и производственные вредности, наноматериалы);

Исследование в области онкологии;

Исследования систем репарации ДНК;

Метод основан на регистрации различной подвижности в постоянном электрическом поле поврежденной ДНК и/или фрагментов ДНК индивидуальных лизированных клеток, заключенных в тонкий агарозный гель на стандартном предметном стекле. При этом ДНК клетки мигрирует, формируя электрофоретический след, визуально напоминающий "хвост кометы", параметры которого зависят от степени поврежденности ДНК. После завершения электрофореза стекла красят и анализируют, используя флуоресцентную микроскопию.

Получение изображения и обработку данных осуществляют с помощью программно-аппаратного комплекса, включающего в себя высокочувствительную камеру, совмещенную с микроскопом, и специализированное программное обеспечение.

Универсальное интеллектуальное программное обеспечение, входящее в данный комплекс, обеспечивает:

Автоматизацию анализа изображений ДНК-комет «одним нажатием клавиши», включает все основные параметры измерения в том числе % ДНК в хвосте кометы;

- высокую воспроизводимость;

Анализ параметров ДНК-комет проводится и в режиме «реального времени» и с сохраненных цифровых изображений;

Программа производит обработку данных и выводит их в виде протокола в соответствии с международными требованиями GLP;

Анализ и сравнение данных;

Программа полностью валидирована и соответствует международными требованиями GLP. Имеет иерархический доступ и систему защиты данных.

В комплект входят:

1. Микроскоп люминесцентный медико-биологиче ский Nikon Eclipse Ni-E.

2. Эпи-флюоресцентная осветительная система мощностью 50W, комплекты фильтр-дихроично е зеркало-фильтр для красителей DAPI, FITC, TRITC.

3. Монохромная CCD IEEE1394 FireWire видеокамера для люминесценции. Basler Scout scA1300-32fm. Размер пиксела - 3.75 µm x 3.75 µm. Разрешение - 1296 px x 966 px. Размер сенсора 1/3 дюйма. Матрица - Sony. Передача данных через высокоскоростной порт - 1394 BUS. Скорость отображения кадров при максимальном разрешении - 32кадра/сек. Обеспечивает работу с объектами в режиме реального времени

4. Comet Assay IV - программный пакет для Windows с генератором электронных таблиц для Microsoft Excel, для работы с монохромной CCD IEEE1394 FireWire видеокамерой в режиме реального времени (змерения и анализ возможно как на видеопотоке так и на фотографиях), инструкция по эксплуатации и компакт диск для инсталляции и валидации программы.

5. Лицензия на срок один год для четырех пользователей.

6. Дистанционное обучение через сеть Internet четырех пользователей.

Дополнительно предлагется:

1. Оператор данных для использования Comet Assay IV в XML версиях баз данных для поиска фильтрации и извлечения данных и аудита через защищенную базу данных Oracle с сохранением в формате MS Excel для работы в электронных таблицах. Включает возможность просмотра авто-сохраненных изображений, подписей, архивных данных и данных авто-аудита. Дополнительно включает в себя возможность экспорта в XML формат неподписанных и подписанных цифровой подписью данных. Включает в себя Крипто-Ключ-Пров одник для просмотра подписанных цифровыми подписями данных в различных форматах.

2. Менеджер доступа к системе GLP. Access Manager это программа для контроля и управления доступом сотрудников к базам данных. Унифицированная для PI генетической токсикологии система. Включает в себя комплексный аудит системы. Внешний аудит. Администрировани е учетных записей пользователей и пользовательской деятельности, связанной программами, доступа, паролей, ревизии и т.д. Использует Oracle, для надежной защиты пользователей и данных аудита. Полное соответствие требованиям FDA 21 CFR Part 11 окончательные правила для электронных записей и электронных подписей.

3. Обучение одного пользователя на базе Perceptive instruments в Великобритании