Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σεμινάριο Φυσικής Ενότητα 15

Transcript

1 Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σεμινάριο Φυσικής Ενότητα 15 Γεωργακίλας Αλέξανδρος Ζουμπούλης Ηλίας Μακροπούλου Μυρσίνη Πίσσης Πολύκαρπος

2 Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε Άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναγράφεται ρητώς.

3 ΣΧΟΛΗ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ Σεμινάριο Φυσικής Ομαδοποιημένες βλάβες DNA από έκθεση σε ιονίζουσες ακτινοβολίες. Πότση Γιάννα Υπεύθυνος Καθηγητής: A. Γεωργακίλας

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περιγραφή του DNA Βλάβες DNA Aλληλεπίδραση ακτινοβολίας με το DNA Ανίχνευση βλαβών DNA Μελλοντικές κατευθύνσεις Βιβλιογραφία

5 Τι είναι το DNA... DNA: DeoxyriboNucleic Acid Μακρομόριο με 2 πολυμερικές αλυσίδες => διπλή έλικα Δομική μονάδα:νουκλεοτίδιο 1 αζωτούχα βάση(α, G, C, T), 1 μονοσάκχαρο( 2-δεοξυριβοζη) 1 φωσφορική ομάδα Εικόνα 1: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

6 Αποτελείται από 2 συμπληρωματικές & αντιπαράλληλες αλυσίδες, περιστρέφονται =>δεξιόστροφη διπλή έλικα Περιέχει τη γενετική πληροφορία για την ανάπτυξη και λειτουργία των μορφών ζωής Εικόνα 2: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

7 ΒΛΑΒΕΣ DNA Εικόνες 3-4: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. συνιστούν αλλαγή στη δομή του DNA. Βλάβες οφειλόμενες σε ακτινοβολία: Single Strand Break -SSB Double Strand Break -DSB Aλλοίωση βάσης

8 ΒΛΑΒΕΣ DNA Απώλεια βάσης AP site π.χ. Εικόνα 5: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. Σπάσιμο δεσμού Η μεταξύ των αλυσίδων Διαδεσμοί- crosslinks

9 Τι είναι οι ομαδοποιημένες βλάβες όμως και ποιά η σημασία τους; Ομαδοποιημένες βλάβες ή clusters : συσσωματώματα βλαβών στο DNA της τάξης του nm, οι οποίες λόγω μεγέθους είναι δύσκολο να αντιμετωπιστούν. Μπορούν να προκαλέσουν μεταλλαξογένεση, γονιδιακή ανωμαλία, κυτταρικό θάνατο. Μεμονωμένες βλάβες ( από φυσιολογικές ενδογενείς διαδικασίες)

10 Τι είναι οι ομαδοποιημένες βλάβες όμως και ποιά η σημασία τους; Ομαδοποιημένες βλάβες ή clusters : συσσωματώματα βλαβών στο DNA της τάξης του nm, οι οποίες λόγω μεγέθους είναι δύσκολο να αντιμετωπιστούν. Μπορούν να προκαλέσουν μεταλλαξογένεση, γονιδιακή ανωμαλία, κυτταρικό θάνατο. Μεμονωμένες βλάβες ( από φυσιολογικές ενδογενείς διαδικασίες)

11 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας με το DNA Ιονίζουσα ακτινοβολία: Μεταφέρουν ικανή ενέργεια ώστε με την αλληλεπίδραση τους με την ύλη ιονίζουν τα άτομα της. Η/Μ ακτινοβολίες γ και Χ Σωματιδιακές -α και β(πρωτόνια,ποζιτρόνια) Νετρόνια Κοσμική ακτινοβολία

12 Η2Ο + ακτινοβολία Η2Ο + + e- Η 2 Ο + + Η2Ο OH - + Η 3 Ο + e- + Η2Ο H + + OH -, εμβέλεια OH - ~10nm e- + Η2Ο eενυδρ δεν αντιδρά με το νερό αλλά σταθεροπ οιείται σε ένυδρη μορφή και στη συνέχεια αντιδρά με τα βιομόρια.

13 OH - + OH - Η2Ο2 υπ εροξείδιο του υδρογόνου ( κοινώς και οξυζενέ), το οπ οίο είναι τοξικό. RH + OH - -> R 0 + H 2 0 R 0 : ασταθείς και με υψηλό ενεργειακό περιεχόμενο => γρήγορος μετασχηματισμός=> βλαβή στη δομή του RH.

14 Oxidative Clustered DNA Lesions (OCDL) Βλάβες OCDL: 2 ή παραπάνω βλάβες DNA σε ένα μικρό τμήμα DNA 1-10 bp στις αντιπαραλληλες & συμπληρωματικές αλυσίδες του DNA. π.χ.

15 Oμαδοποιημένες βλάβες (Clusters) Παρατηρήθηκε από τον J.F. Ward το Κυρίως DSBs Non-DSBs, OCDL. Εικόνα 6: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

16 Ομαδοποιημένες βλάβες DNA Η ακτινοβολία δημιουργεί βλάβες, είτε άμεσα, είτε έμμεσα. 'Αμεσα με εναπόθεση ενέργειας στο DNA 'Eμμεσα με το σχηματισμό ελευθέρων ριζών ΟΗ - ΟΗ - : έχει μικρό εύρος και δημιουργεί κοντινής απόστασης βλάβες. Tα clusters δημιουργούνται όταν συμβούν τουλάχιστον 2-5 ιονισμοί σε τμήμα DNA 1-4nm.

17 Αρχές μεθόδου ανίχνευσης δίκλωνων ομαδοποιημένων βλαβών με τη χρήση ενζυματικών ανιχνευτών (enzymatic probes) AP σημείο AP σημείο Radiation: Nfo protein : ΑP ενδονουκλεάση Ε.Coli Nfo protein Ηλεκτροφόρεση υπό ουδέτερες συνθήκες Διπλή θραύση DSB Εικόνα 7: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας. ML Μέτρηση AP δίκλωνων βλαβών. ML

18 Ανίχνευση βλαβών DNA Tμήματα DNA τοποθετούνται σε ουδέτερο gel αγαρόζης. Eπιδιορθωτικά ένζυμα επεμβαίνουν στα τμήματα DNA, αφού γίνει η πέψη για κατάλληλη ώρα στους 37C. Οι επιπλέον DSBs με κατάλληλη επεξεργασία υπολογίζονται από συνεχές ή παλμικό πεδίο με τη μέθοδο της ηλεκτροφόρεσης. Το κομμένο από τα ένζυμα DNA κινείται προς την κάθοδο.

19 Ανίχνευση βλαβών DNA Προσδιορισμός βλαβών: μέσω της Νumber Αverage Length Analysis(NALA) και κατάλληλων βιοδεικτών. Οι βλάβες που ανιχνεύονται από το ένζυμο είναι ανάλογες του μήκους του εξαγόμενου DNA. Yπολογίζονται από τη σχέση DSBs = 1/LnR (+) - 1/LnR (-) και OCDL = 1/LnE (+) - 1/LnE (-) Στο ίδιο gel μπορούν να μετρηθούν και οι DSB και οι OCDL.

20 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟY BER (Base Excision Repair) Κυρίως για αλλοιώσεις μιας μόνο βάσης νουκλεοτιδίου κ μονόκλωνες θραύσεις(ssbs) Χαμηλές δόσεις <1Gy Εικόνα 8: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

21 Linear Energy Transfer(LET) Γραμμική Μεταβίβαση Ενέργειας LET= de/dx Για μικρή τιμή της LET => -γ ή Χ. Μικρός αριθμός ιονισμών/μm διαδρομής & δημιουργία κυρίως μεμονωμένων βλαβών και clusters μέχρι 10bp. Για υψηλή τιμή LET => -α, p, βαρέα ιόντα. Πυκνοί ιοντισμοί/μm διαδρομής & δημιουργία πολυπλοκότερων clusters μέχρι 25-30bp. Εικόνα 9: Υλικό με μη προσδιορισμένη προέλευση. Σε περίπτωση που είστε ο κάτοχος του κύριου δικαιώματος επικοινωνήστε μαζί μας.

22 Linear Energy Transfer (LET) Έχει αποδειχθεί πειραματικά οτι η αύξηση της LET, αυξάνει και τις DSB βλάβες του DNA και μειώνει τις OCDL βλάβες. Αυτό συμβαίνει διότι ακτινοβολία υψηλού LET αλληλεπιδρά απευθείας με το DNA

23 Μελλοντικές Κατευθύνσεις Η επιλεκτική ή ιεραρχική επιδιόρθωση βλαβών σε μια αλυσίδα του DNA και η ανασταλτική επίδραση των απέναντι βλαβών => μείωση σχηματισμού DSB: => Προσπάθεια για σταθερότητα του γονιδιώματος. Αναγνώριση των μηχανισμών των βλαβών που οδηγούν σε καρκινικούς όγκους ενίσχυση της ακτινοθεραπείας Η μέθοδος επιδιόρθωσης αντιγραφής σημαντική πηγή για την μείωση των DSB clusters & μεταλλάξεων των ανθρώπινων κυττάρων.

24 Μελλοντικές Κατευθύνσεις Μελέτη ανθρώπινων κυττάρων και ιστώς για την ανίχνευση clusters και για την καλύτερη κατανόηση του μηχανισμού κ των συνεπειών των non-dsb clusters στις ανθρώπινες ασθένειες και στη γήρανση.

25 Και κάποια ερωτήματα... Tο οξειδωτικό stress διαταράσσει, τους μηχανισμούς που είναι υπεύθυνοι για την ομοιόσταση =>ενισχύει ή καταστέλει τις τελικές βιολογικές επιδράσεις των ομαδοποιημένων βλαβών DNA; Πως επιδιορθώνουν τις συγκεκριμένες βλάβες κύτταρα με ελαττωματικούς μηχανισμούς επιδιόρθωσης ;

26 Bιβλιογραφία Α.G.Georgakilas, P. O'Neil, R.D.Stewart(2013), Induction and Repair Of Clustered DNA Lesions: What Do We Know So Far? ( ) M. Hada and A.G.Georgakilas(2008), Formation Of Clustered DNA Damage after High-LET Irradiation: A Review( ) Σημειώσεις μαθήματος Εφαρμογές των Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών στην Ιατρική και τη Βιολογία, Α. Γεωργακίλας

27 Χρηματοδότηση - Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. - Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. - Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικού πόρους.