再访广岛

【德】麦考·帕默  著

郎伦友  译

第十一章  第四节（上）

11.4 细胞染色体畸变与剂量的估计

   我们可以用来与估计的辐射剂量进行比较的另一个生物学端点是体细胞中的染色体畸变。许多读者可能都熟悉遗传性染色体畸变的概念。唐氏综合症就是一个例子，它是由第21号染色体的额外（第三）复制引起的；另外还有特纳综合征（女性缺少两条X染色体中的一条）或克林菲尔特综合征（男性有一条额外的X染色体）。

11.4.1 生物学背景

   虽然某些特定的染色体畸变会导致遗传疾病，但大多数畸变是不可遗传的，因为它们在早期胚胎发育中就是致命的。然而，如果它们不是进入生殖细胞，而是进入成人或儿童的体细胞的，它们就可能持续存在。在辐射损伤的情况下，染色体畸变始于一条或多条染色体的DNA（脱氧核糖核酸）双链断裂，然后是片段错误地重新连接。尽管这样的断裂大多数会被DNA修复酶正确地重新封闭，但辐射后染色体畸变的丰度非常高。此外，在适当的预防措施下进行实验，可以观察到辐射剂量与染色体畸变频率之间存在着相当有规律的关系；这可以用于近似测定辐射剂量，例如核事故中的辐射剂量。【211，212】

  在图册中，染色体形状像一对交叉的香肠，只有在细胞分裂（有丝分裂）过程中，才可以观察到染色体；更具体地说，只有在中期，也就是每个染色体的两个染色质（单个香肠）被拉开以连接初始子细胞的独立细胞核之前的那个阶段，染色体才是可见的。在子细胞的寿命期间的大部分时间里，每个染色单体都保持单一。在这一阶段的大部分时间里，辐射都会造成特征性损伤。在下一次有丝分裂之前不久，任何未被正确修复的损伤都将被复制到新的第二个染色体中，这就解释了在该阶段两个染色单体中通常可见的畸变。

图11.2 辐射诱发的染色体畸变

Chromatide segregation：染色单体分离；double strand breaks through radiation：辐射引起双链断裂； faulty rejoining：错误的重新连接；chromatide duplication：染色单体重复；translocations：基因易位；acentric fragment ：无着丝粒断片；dicentric chromosome：双着丝粒染色体；single chromatide with two breaks：有两个断裂链的染色单体；inversion：倒置；ring：环。

上和中：如果属于不同染色体的两个染色单体同时发生双链断裂，那么错误的重新连接可能会导致易位、双着丝粒染色体和无着丝粒片段。下：一个染色单体中同时发生两个双链断裂可能会产生一个倒置或一个环和一个无着丝粒断片。倒置和易位在有丝分裂期间易于稳定传播；环以及双着丝粒和无着丝粒形式在有丝分裂过程中，往往从一个或两个子细胞中丢失。

   每个染色体的关键部分是着丝粒，是把两个染色单体连接在一起的地方，也是有丝分裂纺锤体附着的地方；有丝分裂纺锤体是将两个染色单体分开的结构和运动蛋白质的装置。为了使染色单体分离，并在两个子核中可靠地工作，每个染色体必须只有一个着丝粒。所有完整的线粒体都是这样，但是在发生损伤的下游形成的异常线粒体可能不是这样。（图11.2）在细胞分裂过程中，具有0个或两个着丝粒的异常形式有可能从一个或两个核中丢失。因此它们只能在暴露于辐射后第一次进入有丝分裂的细胞中进行可靠的计数。

   在诊断实践中，染色体畸变是在淋巴细胞中观察和计数的。淋巴细胞是一种特殊类型的白细胞，对产生抗体、杀死病毒感染的细胞以及特定免疫系统的其他功能至关重要。淋巴细胞的正常寿命为四到五年。除非受到它们特定同源抗原的刺激——例如淋巴细胞A可能识别麻疹病毒并被其激活，而淋巴细胞B可能对破伤风疫苗产生反应——否则它们往往处于休眠状态，即不进行任何细胞分裂。当它们被从血液中分离出来时，可以用某些非特异性的有丝分裂原人工诱导它们分裂。在这些人工诱导的同步有丝分裂中，只要照射和检查都发生在正常淋巴细胞寿命的时间范围内，我们就可以期望在高频率下发现稳定和不稳定的染色体畸变。然而，经过几年的照射，休眠淋巴细胞池被新形成的细胞所取代，不稳定的染色体畸变趋向于减少；【213】此外，我们必须预计淋巴细胞的消耗率，以及由此导致的不稳定畸变的丢失率，在个体之间会有所不同。

   染色体畸变的定量技术是在1960年前后发展起来的，也就是在广岛和长崎轰炸之后过了很长一段时间。对幸存者第一次进行此类研究出现在1960年代。【214--216】不过早期研究主要依赖于不稳定畸变，这种畸变比较明显，（见图11.2）因此更容易通过实验进行观察和计算。由于这些数据中肯定包含假设的可变性，我们将不详细讨论它们；取而代之，我们将聚焦于后来量化稳定畸变的研究上，尤其是染色体易位。【217--219】

   在经过足够的时间后，就像原子弹爆炸幸存者一样，外周血淋巴细胞的基因组成应该类似于骨髓干细胞，所有的淋巴细胞最终都是从骨髓干细胞中分化出来的，并且在一生中都会自我更新。一旦达到了这种状态，我就可以期待观察到的畸变大多数是稳定的，而且给定个体的畸变频率应该随着时间保持不变。对几名受到意外照射的研究对象的长期监测表明，频率确实是稳定的。【212，213，220】然而一些稳定的染色体易位可能会影响它们的细胞增殖率，从而增加或减少这些特定细胞克隆的丰度。在特殊情况下，增殖可能增加到诱发白血病的程度；特别是，慢性细胞白血病通常由所谓的费城染色体引起，该染色体是通过9号和22号染色体之间的易位产生的，这个易位在两个有缺陷的融合位点之一产生促进生长的异常基因。

   在我们深入研究数据之前，还有一点需要注意：上述任何和所有的辐射效应都可以通过DNA烷基化剂观察到，包括氮芥子气【221】和硫芥子气，后者在日本一家毒气工厂的前工人身上得到了证实【222】。（脚注5）

【脚注】

5：这家工厂位于大久野岛，一个离广岛只有50公里的小岛。