Принцип попадания и мишени и вероятностная модель адаптации 1 Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Московская обл. 2 Институт цитологии и. - презентация

1 Принцип попадания и мишени и вероятностная модель адаптации 1 Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Московская обл. 2 Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск В.Л. Корогодина 1, Б.В. Флорко 1, Л.П. Осипова 2

2 Определение классической и стохастической модели Принцип попадания и мишени: Э. Ли (1946); Н.В. Тимофеев-Ресовский и К. Циммер (1947) Стохастическая концепция радиобиологических реакций : О. Хуг, А. Келлерер (1969) Корогодин В.И. Стохастическая концепция лучевого поражения и принцип попадания. В: О.Хуг, А. Келлерер, «Стохастическая радиобиология», М: Атомиздат, 1969, Корогодин: «... следует различать два класса событий: события попадания в соответствующие мишени, которые являются …. первичным физическим пусковым механизмом. события попадания в соответствующие мишени, которые являются …. первичным физическим пусковым механизмом. события, регистрируемые в эксперименте, которые могут быть связаны с происшедшими попаданиями очень сложно и опосредованно» события, регистрируемые в эксперименте, которые могут быть связаны с происшедшими попаданиями очень сложно и опосредованно» В стохастической модели мишенями могут быть массовые структуры клетки, и конечная радиобиологическая реакция может осуществляться опосредованно.

3 Статистическая модель восстановления клеток от радиационных повреждений (конец 60-х начало 70-х) Основные соавторы: В.И. Корогодин, Ю.Г. Капульцевич, В.Г. Петин, К.М. Близник Их исследования показали: в клетках возникают повреждения разного качества; в клетках возникают повреждения разного качества; критическое число повреждений, летальное для клетки, зависит от условий культивирования и репарационного генотипа [3] критическое число повреждений, летальное для клетки, зависит от условий культивирования и репарационного генотипа [3] На основе статистического моделирования была построена модель, учитывающая восстановление клеток [2-5]. На основе статистического моделирования была построена модель, учитывающая восстановление клеток [2-5]. Потомки облученных клеток несут разное число повреждений, т.е. реакции дочерних клеток неоднозначно связаны с числом повреждений материнских клеток. Для описания нестабильности требовались новые стохастические допущения [4] Потомки облученных клеток несут разное число повреждений, т.е. реакции дочерних клеток неоднозначно связаны с числом повреждений материнских клеток. Для описания нестабильности требовались новые стохастические допущения [4] 2Капульцевич Ю.Г., Корогодин В.И., Петин В.Г. Анализ радиобиологических реакций дрожжевых клеток. I. Кривые выживания и эффект дорастания. Радиобиология, 1972, Т.12, 2, Капульцевич Ю.Г., Петин В.Г., Корогодин В.И., Близник К.М. Анализ радиобиологических реакций дрожжевых клеток. II.Формы инактивации и пострадиационная модификация лучевого поражения. Радиобиология, 1972, Т.12, 3, Капульцевич Ю.Г., Близник К.М., Корогодин В.И., Петин В.Г., Кабакова Н.М. Анализ радиобиологических реакций дрожжевых клеток. 3. Характеристика колоний, вырастающих из облученных дрожжевых клеток. Радиобиология, 1972, Т.12, 4, Капульцевич Ю. Г. Количественные закономерности лучевого поражения клеток. М.: Атомиздат, Капульцевич Ю.Г., Близник К.М., Корогодин В.И., Петин В.Г., Кабакова Н.М. Анализ радиобиологических реакций дрожжевых клеток. 3. Характеристика колоний, вырастающих из облученных дрожжевых клеток. Радиобиология, 1972, Т.12, 4, Капульцевич Ю.Г., Петин В.Г., Корогодин В.И., Близник К.М. Анализ радиобиологических реакций дрожжевых клеток. II.Формы инактивации и пострадиационная модификация лучевого поражения. Радиобиология, 1972, Т.12, 3,

4 Две стратегии выживания: кривые выживания (70-е гг) Основные соавторы: В.И. Корогодин, Ю.Г. Капульцевич, В.Г. Петин, К.М. Близник, Ю.В. Корогодина Выживаемость (1) и относительное количество новых рас (2) среди выживающих клеток в зависимости от дозы облучения [7] В области плеча кривой выживаемости формируются «дорастающие» клоны [2]; В области плеча кривой выживаемости формируются «дорастающие» клоны [2]; 2 Капульцевич Ю.Г., Корогодин В.И., Петин В.Г. Анализ радиобиологических реакций дрожжевых клеток. I. Кривые выживания и эффект дорастания. Радиобиология, 1972, Т.12, 2, Чем больше экстраполяционное число, тем больше число повреждений в клетках, в том числе летальных [6]; Чем больше экстраполяционное число, тем больше число повреждений в клетках, в том числе летальных [6]; 6 Корогодин В.И., Близник К.М., Капульцевич Ю.Г., Петин В.Г., Кабакова Н.М. Закономерности формирования радиорас у дрожжевых организмов. 3. Количественные закономерности лучевого расообразования у диплоидных дрожжей. Радиобиология, 1972, Т.12, 6, Область плеча кривой выживаемости соответствует возникновению наибольшего числа (60-65%) радиорас [7]; Область плеча кривой выживаемости соответствует возникновению наибольшего числа (60-65%) радиорас [7]; 7 Близник К.М., Капульцевич Ю.Г., Корогодин В.И., Петин В.Г. Закономерности формирования радиорас у дрожжевых организмов. 4. Зависимость выхода сальтантов от условий пострадиационного культивирования. Радиобиология, 1974, Т.14, 2, Вероятность возникновения клеток с изменениями выше в гибнущей субпопуляции клеток; Вероятность возникновения клеток с изменениями выше в гибнущей субпопуляции клеток; Расообразование может возникать в контроле при неоптимальных условиях культивирования [8]. Расообразование может возникать в контроле при неоптимальных условиях культивирования [8]. 8 Корогодин В.И., Близник К.М., Капульцевич Ю.Г., Петин В.Г. Закономерности формирования радиорас у дрожжевых организмов. 10. О неслучайности распределения некоторых наследственных изменений по клонам, вырастающим из облученных клеток. Радиобиология, 1977, Т.17, 1,

5 Две стратегии выживания: выживание на селективных средах (середина 80-х) Соавторы: В.И. Корогодин, В.Л. Корогодина, Ч. Файси Высокая частота мутационных изменений, дорастание клонов характеризуют процессы на селективной среде культивирования. Чем сильнее селекция, тем выше частота мутирования [9]. Высокая частота мутационных изменений, дорастание клонов характеризуют процессы на селективной среде культивирования. Чем сильнее селекция, тем выше частота мутирования [9]. Появление большого числа мутантных клеток в колонии приводит к возникновению адаптивной клетки, формирующей «бородавку» на селективной среде [9]. Появление большого числа мутантных клеток в колонии приводит к возникновению адаптивной клетки, формирующей «бородавку» на селективной среде [9]. Зависимость частоты ревертирования дрожжей от концентрации аденина в среде культивирования. Штамм 8ПГ-59 возраст 7 и 17 дней; р192, возраст 16 и 27 дней [9]. 9 Ilyina V.L., Korogodin V.I., Ch. Fajzi Dependence of spontaneous reversion frequencies in haploid yeasts of different genotype on the concentration of adenine in the medium and on the age of the culture. Mutat. Res., 1986, V.174,

6 Две стратегии выживания Две стратегии выживания: стратегия адаптации популяции: возникновение большого числа повреждений и адаптивной клетки (плечо кривой выживаемости и селективная среда). стратегия адаптации популяции: возникновение большого числа повреждений и адаптивной клетки (плечо кривой выживаемости и селективная среда). стратегия восстановления клеток и организмов (область дозовой зависимости). стратегия восстановления клеток и организмов (область дозовой зависимости).

7 Гипотеза адаптации растений, связанная с межклеточными процессами в меристеме корешков проростков (конец 90-х) Соавторы: В.И. Корогодин, В.Л. Корогодина, Б.В. Флорко 12 V. L. Korogodina, C.P., Bamblevsky, B.V.Florko, V.I. Korogodin, - Variability and viability of seed plant populations around the nuclear power plant. In: Impact of radiation risk estimates in normal and emergency situations. 2006, Springer: Процессы в меристеме корешков, ведущие к адаптации проростков или их гибели: 1. первичное повреждение клеток меристемы, 2. вторичные процессы повреждения соседних клеток, 3. естественный отбор растений с появляющимися аберрантными клетками (АК). Межклеточные процессы вторичного повреждения клеток (bystander effect): Mothersill, Wright, Price..

8 Вероятностная модель адаптации Соавторы: Б.В. Флорко, В.Л. Корогодина [11], при участии В.Б. Приезжева Распределение семян по числу АК в меристеме описывается суммой геометрического и пуассоновского распределений (G+P). Появление новых АК увеличивает материал для естественного отбора. В результате отбора вероятность адаптации меристемы к моменту времени t выражается формулой В некоторой субпопуляции клеток меристемы могут идти вторичные межклеточные процессы, ведущие к появлению новых АК Статистика первично поврежденных клеток описывается статистикой Пуассона как статистикой редких и независимых событий 11 Флорко Б.В., Корогодина В.Л. Анализ структуры распределений на примере одной цитогенетической задачи. Письма в ЭЧАЯ Т С

9 Статистическое моделирование появления аберрантных клеток в меристеме корешков проростков семян подорожника, произрастающего вблизи источника радиации В.Л. Корогодина, Б.В. Флорко, Л.А. Мельникова, В.П. Бамблевский, В.И. Корогодин Риск хромосомной нестабильности. Риск повышения числа АК определяется параметрами Р- распределения. Риск повышения числа АК определяется параметрами Р- распределения. Риск нестабильности, приводящей к селекции и гибели семян, определяется параметрами G-распределения. Риск нестабильности, приводящей к селекции и гибели семян, определяется параметрами G-распределения. Выживаемость семян снизилась с 80% до 20%. Радиационный фон – мкЗ/ч (98, 99 гг). Содержание химических поллютантов не коррелировало с биологическими показателями. Т: С (лето 98); Тмах: С 99 г (лето 99). Зависимость параметров модельных распределений проростков по числу АК от относительной дозы и антиоксидантного статуса [12]. P параметры _____ (1999); G параметры _____ (1999); Контроль P _ _ _ _ (1998); Контроль G _ _ _ _ (1998) 12 V. L. Korogodina, C.P., Bamblevsky, B.V.Florko, V.I. Korogodin, - Variability and viability of seed plant populations around the nuclear power plant. In: Impact of radiation risk estimates in normal and emergency situations. 2006, Springer:

10 Прибайкалье. Пос. Малое Голоустное Выборки жителей: пос. Самбург, ЯНАО – 163; пос. Малое Голоустное – 66; г. Новосибирск – 40 Условия окружающей среды: Пос. Самбург (ядерные испытания на Новой Земле). Cодержание 137 Cs: лишайник 118 Бк/кг, оленина 1200 Бк/кг Пос. Самбург (ядерные испытания на Новой Земле). Cодержание 137 Cs: лишайник 118 Бк/кг, оленина 1200 Бк/кг Пос. Малое Голоустное (ядерные испытания в г. Семипалатинске). Cодержание 137 Cs: почва 250 мКи/км 2 Пос. Малое Голоустное (ядерные испытания в г. Семипалатинске). Cодержание 137 Cs: почва 250 мКи/км 2 Пос. Самбург Ямало-Ненецкого АО Цитогенетический анализ лимфоцитов анализ метафаз в стадии первых митозов Частота АК – отношение числа АК к числу ПК лимфоцитов. контроль- Новосибирск, N МФ =100 Статистическое моделирование распределений лиц разных поколений по частоте встречаемости АК (В.Л. Корогодина, Л.П. Осипова, Б.В. Флорко, Е.С. Антонова)

11 Возраст mG=0,2 mP=4,2 Возраст mG= 2,9 mP=4,3 Возраст mG=2,5; mP=3,7 Возраст

12 Выводы Значения параметров модели адаптации являются оценкой риска развития хромосомной нестабильности и селекции в популяции. Значения параметров модели адаптации являются оценкой риска развития хромосомной нестабильности и селекции в популяции. Вероятностная модель адаптации описывает процессы появления клеток с нарушениями и естественного отбора в популяции. Область применения модели адаптации - неоптимальные условия, создающие селекцию в экологической нише. Вероятностная модель адаптации описывает процессы появления клеток с нарушениями и естественного отбора в популяции. Область применения модели адаптации - неоптимальные условия, создающие селекцию в экологической нише. Мишенями в вероятностной модели адаптации могут являться массовые структуры клетки, влияющие на повреждаемость ДНК, а регистрируемой реакцией - клетки с хромосомными аберрациями. Мишенями в вероятностной модели адаптации могут являться массовые структуры клетки, влияющие на повреждаемость ДНК, а регистрируемой реакцией - клетки с хромосомными аберрациями.

13 Авторы благодарят В.Б. Приезжева и Г.А. Ососкова за плодотворные обсуждения

14 Спасибо за внимание