Genetické důsledky Černobylu

O Černobylu se vypráví mnoho legend. Ještě nedávno se žhavě diskutovalo o tom, že se v uzavřené zóně vyskytují všelijaké zrůdy. Mluvilo se o obludných mutacích nebo o zrychlení evoluce. To všechno byly povídačky. Jaké genetické změny můžeme s Černobylem spojovat reálně? Abychom to mohli vysvětlit, je nutné říci, odkud se vůbec mutace berou.

Spontánní poškození DNA a vznik mutací

Genetická poškození vznikají v organizmu stále, ale pouze malá část z nich přetrvá déle než dvě až tři dělení buňky. Dokonce i v těch případech, kdy se opravdu setkáváme s mutantními organizmy častěji, než je to obvyklé, je předčasné hovořit o zvýšení četnosti mutací jako důsledku nějakého faktoru (například radiace). Při přímém sčítání mutací v strukturních genech se ukazuje, že na úrovni nukleotidových sekvencí je četnost spontánních mutací (změn v pořadí nukleotidů) velmi vysoká. Například v současné době se četnost spontánních mutací v lidských buňkách odhaduje na 5×10^–11 na jeden nukleotid a jedno buněčné dělení. ¹⁾ Výskyt mutací nemusí být nutně vyvolán podnětem zvenčí. S velkou pravděpodobností jsou mutace výsledkem chyby v systémech kontroly primárního poškození genetického materiálu, která končí mutací. V literatuře je doloženo, že strukturní poškození DNA se mění v mutace strukturních genů přibližně 10⁷krát (desetimilionkrát) méně často, než vznikají.

Když vezmeme v úvahu, že v genomu každé diploidní lidské buňky (tj. kterékoli buňky kromě buněk pohlavních) je odhadem 6 × 10⁹ nukleotidů a z nich pouze 10 % (0,6 × 10⁹) je součástí strukturních genů, znamená to, že vzniká přibližně jedna nukleotidová změna na 1000 buněk, tj. 0,1 % z dělících se buněk získá ve strukturních genech neopravený nukleotidový defekt. U člověka se každou sekundu dělí přibližně 10⁷ buněk, tudíž u něj může každou sekundu vznikat přibližně 10⁴ (10 tisíc) mutantních buněk.

Je tedy zřejmé, že u tak gigantického počtu potenciálních genetických defektů a buněk, ve kterých se tyto defekty mění na neopravené mutace strukturních genů, závisí projev mutací na různých omezujících faktorech.

Názornou ukázkou složitosti opravných procesů u živých organizmů může být také srovnání semiletálních absorbovaných dávek ionizujícího záření. ²⁾ Například průměrná typická semiletální dávka pro savce se udává mezi 4–6 Gy, pro lidského symbionta bakterii Escherichia coli 30 Gy, pro bakterii Deinococcus radiodurans 3000 Gy (šířeji viz např. Jiří Kunert, Vesmír 82, 176, 2003/3). Je rovněž známé, že četnost spontánních mutací strukturních genů u prokaryontních mikroorganizmů na genom a replikaci je poněkud nižší než u vyšších eukaryont.

Evidované zvýšení četnosti mutací po havárii

Jako první evidovala zvýšení četnosti mutací po černobylské havárii Y. E. Dubrovová ³⁾ u dětí likvidátorů, a to v jejich minisatelitních lokusech (tandemových repeticích ⁴⁾ s délkou základního motivu větší než 6–8 nukleotidů). Mutace v těchto lokusech se podstatně odlišují od mutací strukturních genů jak mechanizmem vzniku (počtem opakování kopií na rozdíl od nukleotidových substitucí u strukturních genů), tak četností spontánního vzniku. Má se za to, že frekvence je přibližně rovna 10^–6 mutací na strukturní gen a generaci, ale u minisatelitů je četnost spontánních mutací u různých lokusů od 0,9 do 7 × 10^–3, tj. přibližně tisíckrát častější.

Nejednoznačnost interpretace takových údajů je podmíněna tím, že minisatelitní a mikrosatelitní tandemové repetice jsou dosud nedostatečně prozkoumanou částí genomu vyšších organizmů jak z hlediska vnitřní heterogenity, rychlosti jejich evoluce a faktorů, které ovlivňují jejich proměnlivost, tak z hlediska fenotypových důsledků jejich mutací. Přitom se dosud nepodařilo v souvislosti s atomovými katastrofami (jako byly výbuchy atomových bomb v Japonsku a kyštymská i černobylská havárie) zjistit zvýšení mutací strukturních genů, které kódují proteiny.

Zjistit příčinu onkologického onemocnění je vždy velmi složité. Známý vtip onkologů, že „všichni můžeme zemřít na nádor, ale ne každý se toho dožije“, je vtipný jen částečně. Vždyť zhoubné bujení může být vyprovokováno a urychleno mnoha příčinami, zejména změnami imunitního a neuroendokrinního systému. Proto je obtížné říci, zda určitý nádor vznikl v důsledku přímého genetického poškození, nebo zda již existoval a vnější okolnosti pouze uspíšily jeho rozvoj. S genetickými zrůdami to také není jednoduché, protože zrůdy – mrzáčci – mohou vzniknout i bez genetických poškození. Mohou se objevit v důsledku různých onemocnění matky, jako výsledek úrazu nebo kontaktu s chemickými látkami v kritických obdobích vývoje plodu.

Kam se poděli mutanti?

Sledovali jsme různé linie laboratorních myší, různé druhy hrabošů odlovených v uzavřené zóně černobylské atomové elektrárny a domácí skot. V září 1987 ředitel Černobylského mezinárodního vědeckého střediska Nikolaj Archipov a vedoucí laboratoře radioekologie živočichů Nikolaj Burov nalezli ve vzdálenosti čtyř kilometrů od reaktoru tři krávy a býka, kteří přežili předešlou zimu v třicetikilometrové uzavřené zóně. V panice během evakuace se na zvířata zapomnělo, a ta se zaběhla do lesa. Krávy i býk byli převezeni na farmu Novošepelyči, která leží 10 kilometrů od „sarkofágu“. Býk byl pojmenován Uran, krávy Alfa, Beta a Gamma (podle druhů ionizujícího záření), smysl pro humor neopouští lidi ani během nejhorších zkoušek. Tato zvířata byla základem experimentálního stáda, které se dodnes rozmnožuje v podmínkách radionuklidového znečistění kolem 7,4 × 10⁶ Bq/m².

Během experimentálního sledování jmenovaných druhů na území znečistěném radionuklidy (což je třicetikilometrová uzavřená zóna kolem černobylské atomové elektrárny) se nám nepodařilo najít žádné mutanty, přestože je známo, že u některých živočišných druhů vznikají mutanti spontánně, bez působení genotoxických faktorů. U druhů, v jejichž genomu jsou jednoramenné chromozomy (a k nim patří laboratorní myši i skot), se občas objevují spontánní mutanti se spojenými dvouramennými chromozomy. Tato spojení se nazývají robertsonovské translokace. Přirozeně jsme očekávali, že alespoň mutanty s robertsonovskými translokacemi v uzavřené zóně najdeme, tím spíše, že v oblastech se zvýšenou seizmickou aktivitou a vyšším pozadím ionizujícího záření (a také při ozařování myší v laboratoři) se tito mutanti objevují častěji než v obvyklých podmínkách. Přesto ani tito mutanti nebyli u černobylské atomové elektrárny nalezeni.

Něco však přece nalezeno bylo. Naši kolegové z Ústavu molekulární biologie a genetiky – člen korespondent Ukrajinské národní akademie věd C. C. Maljuta a Dr. A. I. Slomko – sledovali embryonální úmrtnost laboratorních myší, které byly vystaveny ionizujícímu záření v uzavřené zóně černobylské atomové elektrárny. Byla zvýšená, a to ve stadiu, které předchází zahnízdění embrya v děloze. Vznikla hypotéza, že pokud se zahnízdění podaří, narodí se normální myš. Dokonce při umělé kultivaci raných embryí vypláchnutých z ozářených myší bylo zřejmé, že u části z nich se dělení opožďuje. To znamená, že takové zárodky nejsou pro zahnízdění připraveny a odumírají v důsledku porušené synchronizace mezi rýhováním oplozené vaječné buňky a změnami, které probíhají v mateřském organizmu pod vlivem hormonů.

To, že se buněčné dělení může opožďovat v důsledku poškození genetického materiálu, je známé a zcela vysvětlitelné. Čím více genetických defektů je nutné napravit, tím déle trvá každé stadium buněčného cyklu. To znamená, že na otázku, kam se poděli mutanti, je podle všeho možné odpovědět takto: Mutanti se nerodí buď proto, že se z buněk poškozených ještě před dělením netvoří gamety, nebo proto, že embrya, která z nich vzniknou, zahynou v raných stadiích, popřípadě nejsou schopna zahnízdit.

Ne všechny geny jsou vhodné do nových podmínek

• Skot. Experimentální stádo na farmě Novošepelyči bylo tvořeno potomky býka Urana a krav Alfa, Beta a Gamma. Kromě toho tam pro vědecké sledování v letech 1990–1992 dovezli 14 krav z poměrně čistých oblastí. Tyto krávy tvořily rodičovskou generaci a od nich bylo získáno pět generací, které se narodily v podmínkách přibližně 100krát zvýšené úrovně ionizujícího záření.

  V generacích zvířat, která se narodila v zóně, jsme jasně pozorovali, že jeden ze základních zákonů genetiky, zákon stejné pravděpodobnosti předání alel rodičů potomkům, zde někdy neplatí. Zjistili jsme průkazné odchylky u čtyř genů: transferinu, ceruloplazminu, receptoru vitaminu D a purinnukleosidfosforylázy. Zdá se, že pro přežití v podmínkách radioaktivního znečistění se některé varianty genů (alely) ukázaly jako nevhodné a jedinci, kteří je nesou, se prostě nenarodili. Na svět se dostali pouze ti, jejichž transportní proteiny a enzymové systémy se dokázaly vyrovnat s nepříznivými faktory prostředí.

  U jiných genů se naproti tomu přednostně rodili heterozygoti, jako by se různé varianty genu snažily setkat v jednom organizmu, aby mohl lépe vzdorovat vnějším podmínkám.

  V našich sledováních byla velmi jasně zjištěna přítomnost selekce proti jedincům, kteří měli genotypy typické pro vysoce specializované holštýnské plemeno. Například v první generaci narozené po býku Uranovi zdědili potomci od krav nejčastěji pouze jednu variantu genu transferinu ze tří možných. Přitom tato varianta většinou není typická pro holštýny, ale pro plemena primitivnější, avšak odolnější vůči nepříznivým podmínkám, jako je například původní šedý ukrajinský skot.

  Procesy, kvůli kterým takové geny mizí, vyplývají z počtu narozených telat za rok na jednu krávu v experimentálním stádě a počtu telat, která uhynula do tří měsíců (viz obrázek 1). Je zřejmé, že genetickou strukturu ve srovnání s rodičovskou generací podstatně mění vysoká sterilita krav, které se narodily v uzavřené zóně černobylské jaderné elektrárny. Zajímavý je v této souvislosti fakt, že v práci H. Scherba a jeho kolegů z r. 1999 byly získány jasné údaje o zvýšené úmrtnosti novorozených dětí v evropských zemích po r. 1986, tj. po černobylské havárii (viz obrázek 2).

  Otázkou je, jaké musí být dávky radionuklidového znečistění, aby na ně populace savců odpověděly zvýšenou úmrtností části novorozenců a rovněž změnami genetické struktury ve sledu generací (a aby část genofondu mizela z populace).

• Lidské populace. Ukazuje se, že to je složitá otázka. Zaprvé proto, že známe mnoho radioaktivních oblastí, ve kterých je úroveň přirozeného radioaktivního záření řádově desetinásobně nebo stonásobně vyšší než celosvětový průměr. Nejznámější je provincie Ramzar v Íránu, kde roční dávka dosahuje až 260 mSv, celosvětový průměr je 3,5 mSv. ⁵⁾ Přitom u obyvatel Ramzaru není pozorováno ani zvýšení úmrtnosti, ani zvýšení výskytu dětí s vrozenými defekty.

  Zároveň byly u obyvatel této provincie zaznamenány zřetelné rozdíly v odolnosti krevních buněk vůči záření oproti obyvatelům oblastí s nízkým přirozeným radioaktivním pozadím. Soudobé údaje z experimentálních sledování lidských populací, které žijí v radioaktivních oblastech, svědčí o tom, že v takových místech probíhá z generace na generaci selekce, jejímž výsledkem je vzrůstající četnost jedinců odolných vůči radiaci v populaci.

  Je nutné podtrhnout, že ze 116 tisíc lidí vysídlených z černobylské zóny jich jen kolem 5 % dostalo dávku ionizujícího záření nad 100 mSv/rok, a právě tato dávka (dvakrát menší než v Ramzaru) je pokládána za hranici, za níž začíná zřetelné zvýšení výskytu onkologických onemocnění.

  Porovnání těchto údajů svědčí o tom, že reálné nebezpečí nepředstavuje samotná dávka přijatého ionizujícího záření, ale její „novost“ pro danou populaci, druh nebo skupinu druhů. Je zřejmé, že pro obyvatele Ramzaru zvýšení roční dávky o 3,5 mSv sotva povede k nějakým zdravotním následkům, ale pro většinu evropských populací, které se s dávkami nad 3,5 mSv za rok po řadu generací nesetkávaly, může taková změna vést k mizení jedinců vnímavých k radioaktivnímu záření z genofondu, a tudíž také ke změně genetické struktury populací.

  Už před delším časem se v literatuře začal objevovat výraz „slovanský kříž“, označující zvýšenou úmrtnost a sníženou porodnost, jež byly zaznamenány v řadě slovanských zemí. Údaje, které jsme získali my i další autoři, svědčí o tom, že podíl černobylské katastrofy na „strmosti“ tohoto „kříže“ mohou evropské země reálně vyhodnotit až nyní, po dvaceti letech, protože děti narozené krátce po katastrofě teprve vstupují do reprodukčního věku.

  Sledovali jsme také další druhy domácích zvířat v zóně, zabývali jsme se hlodavci, kteří se tam vyskytují, dokonce jsme studovali nutrie, ale mutanty jsme nenalezli ani u nich.

• Laboratorní myši. Na laboratorních myších tří různých linií bylo zjištěno, že každá z nich je charakteristická svým spektrem spontánních mutací v buňkách kostní dřeně a pouze některé charakteristiky tohoto spektra se mění s věkem nebo sezonou. Přitom u studovaných laboratorních myší nevedlo zvýšení ionizujícího záření k vzniku nových charakteristik ve spektru mutací, ale pouze zesílilo projev spontánní nestability jednotlivých liniově specifických charakteristik.

  U myší souvisejí mutační defekty způsobené zvýšenou úrovní ionizujícího záření s věkem. „Staré“ myší linie SS57W/Mv se v kontrolních podmínkách odlišovaly od „mladých“ vyšší četností různých cytogenetických anomálií, zejména jednojaderných leukocytů s mikrojádry. Přitom u „starých“ myší z experimentální černobylské skupiny, které byly v průběhu života vystaveny účinkům zvýšené úrovně ionizujícího záření, byla frekvence takových anomálií menší nejen ve srovnání s kontrolou téhož věku, ale i ve srovnání s „mladými“ černobylskými myšmi (tab. I - obrázek). Je vidět, že tyto rozdíly jsou provázeny statisticky průkazným zvýšením počtu dělících se buněk v kostní dřeni „starých“ černobylských myší ve srovnání se „starou“ kontrolní skupinou. To znamená, že v průběhu života v podmínkách zvýšené úrovně ionizujícího záření nedochází u těchto myší (na rozdíl od kontrolní skupiny) k snížení rychlosti buněčného dělení v kostní dřeni, což je podle všeho provázeno zrychleným zánikem buněk s genetickými defekty.

  Shodné údaje získali i jiní autoři, kteří zjistili, že stimulace buněčného dělení při vysokých dávkách ionizujícího záření vede k rychlejšímu zániku defektních buněk.

• Hraboši odlovení v černobylské uzavřené zóně. Sledována byla mutační spektra tří druhů – hraboše polního (Microtus arvalis), hraboše hospodárného (Microtus oeconomus) a norníka rudého (Clethrionomys glareolus) – které byly odloveny v uzavřené zóně černobylské atomové elektrárny v místech se zvýšenou úrovní radionuklidového znečistění. Zjistili jsme, že u hrabošů (stejně jako u laboratorních myší) nevedlo zvýšené ionizující záření k vzniku kvalitativně nových charakteristik mutačního spektra, ale byl zesílen projev těch druhově specifických charakteristik spektra, jejichž vyšší nestabilita byla pozorována u zvířat odlovených v čistých oblastech.

  A co víc, zjistili jsme – nehledě na přetrvávající vysokou úroveň radioaktivního znečistění v místech, kde byli hlodavci odloveni – že s časem se u různých druhů postupně snižovalo množství živočichů s vysokou frekvencí mutantních buněk v kostní dřeni. Zdá se, že v nových podmínkách se rozmnožovali převážně jedinci, kteří byli nejvíce odolní k škodlivému působení ionizujícího záření, tedy že probíhala intenzivní selekce (viz obrázek 3 a obrázek 4). Jak je vidět, u hraboše polního a norníka rudého je v roce 1996 frekvence zvířat s vysokou úrovní cytogenetických anomálií v buňkách kostní dřeně podstatně vyšší než v kontrolní skupině a než u zvířat odlovených v těch samých místech, ale v dalších letech (1999 a 2000). Je důležité zdůraznit, že toto nahromadění radiorezistentních jedinců u norníka rudého se zcela jasně vyskytuje pouze u zvířat odlovených v „Rezavém lese“, kde je velmi vysoká úroveň radionuklidového znečistění (nad 3,7 × 10⁷ Bq/m²), na rozdíl od míst s podstatně nižší úrovní znečistění (např. v Janově, kolem 7,4 × 10⁶ Bq/m²). To znamená, že rychlost selekce na radiorezistenci je tím vyšší, čím vyšší je úroveň radio nuklidového znečistění. Pozornost zasluhuje i skutečnost, že dokonce i v částech uzavřené zóny s tak vysokou úrovní radionuklidového znečistění, jaké je v „Rezavém lese“, byl větší výskyt radiorezistentních jedinců zjištěn až v roce 1999, tj. 13 let po černobylské havárii, kdy se vystřídalo 26 generací hrabošů (rozmnožují se dvakrát za rok). Z toho vyplývá, že pro vznik lidí s vyšší odolností k ionizujícímu záření, například u populace v oblasti Ramzar v Íránu, je s ohledem na reprodukční zvláštnosti člověka potřeba 600 let.

To znamená, že se v nových ekologických podmínkách zvyšuje intenzita přírodní selekce. Mutantní jedinci při ní nevznikají nebo nepřežívají, protože jakákoli mutace se špatně snáší s komplexem navzájem adaptovaných genů, který vznikl v důsledku dlouhé předcházející selekce. Kromě toho nové podmínky někdy pomáhají reprodukci jedinců, kteří jsou heterozygotní (mají v genovém páru dvě různé alely) v řadě genů.

Z obecného pohledu neprobíhá populačně genetická adaptace rozmnožováním nových variant genů, ale přemístěním starých genů tak, aby vznikla kombinace příznivá pro život v nových podmínkách. Výzkumy genetických procesů u různých druhů v uzavřené černobylské zóně umožňují vyčlenit tu část genofondu, která je odpovědná za přežití v podmínkách zvýšeného tlaku přirozené selekce.

Oprávněně můžeme předpokládat, že pokud se kravám nerodí všechna telata, která se mohla narodit před černobylskou katastrofou, platí něco podobného i pro lidi. Selekce probíhající proti nositelům vyšších intelektuálních schopností je samozřejmě jen hypotéza, nicméně ne zcela neodůvodněná. Například bylo zjištěno, že hraboši, kteří přežívají v oblastech znečistěných radionuklidy, si stavějí primitivnější nory. Komplexní výzkumy dánských vědců ukázaly, že u dětí, které se narodily po prvních výbuších atomových bomb v atmosféře, se ve školním věku projevila určitá narušení intelektuálních schopností – snížení schopnosti abstraktního myšlení. Tytéž poruchy byly typické pro malé Dány, kteří se narodili bezprostředně po černobylské katastrofě. Pomohly jim speciálně připravené výukové programy formou her.

Kdo se zvýšené radiaci přizpůsobuje nejlépe?

Na základě provedených výzkumů můžeme učinit několik neutěšených závěrů: Hlavní problém populací různých druhů včetně člověka, které po havárii černobylské atomové elektrárny žijí v oblastech znečistěných radionuklidy, nespočívá v absolutní velikosti přijatých dávek ionizujícího záření, ale v novosti těchto dávek.

Hlavní genetické následky pro populace různých druhů nespočívají ve zvýšení počtu mutantních organizmů, ale v tom, že část genů mizí jako důsledek selekce směřující proti „radiačně citlivým“ organizmům. To znamená, že nevznikají nové geny, ale mizí staré, které byly spojeny s vyšší citlivostí organizmů k novým podmínkám. Existují nepřímé důkazy o tom, že uvnitř druhu se novým podmínkám nejlépe přizpůsobují nejméně specializovaní jedinci.

Skutečné genetické následky černobylské katastrofy pro lidskou populaci v evropských zemích nebudou ještě nějakou dobu známy, protože děti, které se narodily po roce 1986, teprve nyní vstupují do reprodukčního věku.

Z ruského originálu přeložil doc. Ing. Jindřich Čítek, CSc.; redakčně upraveno.