Radiology and Physical Medicine

Radiation-induced lesions in DNA Tipos de lesiones radioinducidas en el ADN

July 30, 2014 | Translate

DNA radiation-induced lesions are regarded as the most relevant ones due to the crucial role of DNA in cell’s physical integrity and progress. Three main types of lesion have been described: lethal lesions that inexorably lead to cell death as they cannot be repaired; sublethal lesions that can be repaired unless new ones are induced before the repair is carried out; and potentially lethal damage when their repair depends on the metabolic needs of cell after radiation.

Dna

DNA radiation-induced lesions can be originated either by direct action or indirect action. The former refers to the direct ionization of DNA molecules as a result of the interaction between any radiation source and the mentioned molecules. The latter implies that free radicals mainly released from water molecules that suffer radiolisis interact with DNA leading to its eventual damage.

Four different types of DNA radiation-induced lesions have been described. General classifications according to lethality rate include: Base damage (BD), single strand break (SSB), double strand break (DSB) and locally multiply damaged site. We discuss their main characteristics next.

Base damage: It’s the most common lesion and its incidence is estimated to surpass 1000 BD/Gy. Spur depositions on bases result in transference of enough energy to excite the molecules. Consequently, bases become broken or either modified, leading to their link and to the eventual creation of pyrimidine dimers. The radiosensitivity of bases varies widely: thymine is more sensitive than cytosine, while cytosine is more sensitive than adenine and so is adenine in relation to guanine. Furthermore, cells usually repair these lesions efficiently although in case of incorrect repair mutations will occur.

Single strand break:  It’s a frequent radiation-induced damage as well with an incidence of approximately 500 to 1000 SSB/Gy. Spur depositions excite the DNA molecule as is the case with BD, leading to break-ups in phosphodiester linkage established between bases and pentoses. The DNA strand affected will be separated at this point, boosting its interaction with water molecules from the environment. As a consequence of this process, DNA will eventually lose its stability due to the break-up in hydrogene bonds.

Double strand break: Despite its variability, DSB rate is lower than the previous radiation-induced lesions with an estimated incidence of 40 DSB/Gyiv. The mechanism of damage is analogous to SSB but the transference of energy is carried out by Blob depositions (higher energy). Both DNA strands are broken, whether due to a single interaction with radiation particles or due to two consecutive interactions involving two SSB at the same point or at different points separated by ten pairs of bases as much. As a result of this, broken strands show overhangs of variable length with free 3’ backbones. If the break-up takes place at a single point the DSB is called homologous and in case of two different break-ups at different points in adjacent or close bases DSB is called heterologous. DSB is one of the most deleterious lesions because it will lead inexorably to cell death if not repaired.

Locally multiplied damaged site: It is produced by Blob depositions nearby the DNA molecule. This lesion is characterized by the combination of all the previous lesions described in this text. As is to be expected, these lesions are more difficult to be repaired by cells.

References:

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Jean-Luc Ravanat, Thierry Douki, Jean Cadet. Direct and indirect effects of UV radiation on DNA and its components. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology[revista en Internet] 2001 agosto [acceso 26 de mayo de 2014]; 63, 88–102. Disponible en: http://www.bath.ac.uk/bio-sci/hejmadi/preprac%20final/Pre-prac_tutorial/bb20023-0110_preprac_website/files/ravanat_douki_cadet_2001.pdf

Land, C. E., Jeggo, P. A., Kellerer, A. M., Little, J. B., Pierce, D. A., Ullrich, R. L., … & Tao, Z. Committee 1 Task Group Report Low-dose Extrapolation of Radiation-Related Cancer Risk. [acceso 26 de mayo de 2014]. Disponible en: http://www.icrp.org/docs/low-dose_tg_rept_for_web.pdf

Lomax ME, Folkes LK, O’Neill P.Biological Consequences of Radiation-induced DNA Damage: Relevance to Radiotherapy. Clinical Oncology [revista en Internet] 2013 octubre [acceso 26 de mayo de 2014]; Vol 25(10): 578-85. Disponible en: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0936655513002471

 

 

Author: Antonio Jesús Laínez Ramos
4º Course, Medicine. Granada University

La lesión radioinducida más relevante entre las que tienen lugar en la célula es la que altera el ADN, debido al rol crucial de esta molécula en la integridad y progresión celular. En función de la gravedad de las repercusiones sobre la célula, se diferencian tres tipos de lesión: letales, que conducen irremediablemente a la muerte celular, subletales, cuando pueden ser reparadas en condiciones normales a menos que se induzcan nuevas lesiones de este tipo; y potencialmente letales, en las que la reparación depende de los requerimientos metabólicos de la célula posteriores a la radiación.

Dna

Distinguimos dos mecanismos generales de lesión del ADN: el de acción directa y el de acción indirecta. El primero hace referencia a la ionización del ADN por interacción directa entre la radiación inducida y la molécula, mientras que el segundo supone la alteración del ADN a partir de la interacción con radicales libres, fundamentalmente desprendidos a partir de la radiólisis de las moléculas de agua del medio.

Se han descrito cuatro grandes tipos de lesión radioinducida, de menor a mayor trascendencia para la supervivencia celular: alteración en las bases nitrogenadas (ABN), rotura simple de cadena (RSC), rotura doble de cadena (RDC) y daño múltiple localizado (DML).

Lesión en las bases nitrogenadas: Es una lesión muy frecuente, del orden de 800 a 1000 LBN/Gy. Debido a la excitación de las bases por la interacción con racimos pequeños de radiación Spur, se produce la rotura o modificación de las mismas, formando dímeros. No todas las bases son igual de radiosensibles, siendo la timina la que presenta mayor radiosensibilidad y, por orden decreciente, le seguirían citosina, adenina y guanina. Este tipo de lesiones se reparan con facilidad por la célula pero un fallo en la reparación da lugar a una mutación puntual.

Rotura simple de cadena: Es una de las lesiones radioinducidas más frecuentes, con una incidencia media de 500 a 1000 RSC/Gy. La excitación en la molécula de ADN, generalmente por racimos pequeños, da lugar a la rotura del enlace fosfodiéster entre la base nitrogenada y la pentosa, lo que origina una separación de la hebra de ADN en ese punto que, a su vez, favorece la interacción con las moléculas de agua del ambiente. Como resultado final encontramos una rotura de los puentes de hidrógeno que estabilizan la hélice de ADN.

Rotura doble de cadena: Presenta un rendimiento menor que las anteriores, de aproximadamente 40 RDC/Gy, aunque existe una gran variabilidad. El mecanismo lesivo es análogo al de la RSC, siendo en este caso frecuentemente producidas por depósitos de radiación superior Blob,  encontrando en este caso que la rotura se establece en ambas hebras, ya sea por una sola interacción con las partículas de la radiación o por dos interacciones consecutivas que producen dos RSC en el mismo punto o en puntos separados entre sí un máximo de diez pares de bases. Como resultado, las hebras rotas presentan salientes de longitud variable con los extremos 3’ libres. Además, esta rotura puede originarse en un único punto, denominándose la RDC homóloga, o bien en bases no adyacentes pero muy próximas entre sí, hablando entonces de RDC heteróloga, siendo este último caso más frecuente. La RDC es una lesión fundamental porque conduce inexorablemente a la muerte celular si no se repara.

Daño múltiple localizado: Se origina por la ionización de racimos Blob en la proximidad de la molécula del ADN. Esta lesión se caracteriza por combinar todas las lesiones hasta ahora descritas, siendo lesiones lógicamente más difíciles de reparar que las anteriores.

Bibliografía

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Lomax ME, Folkes LK, O'Neill P.Biological Consequences of Radiation-induced DNA Damage: Relevance to Radiotherapy. Clinical Oncology [revista en Internet] 2013 octubre [acceso 26 de mayo de 2014]; Vol 25(10): 578-85. Disponible en: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0936655513002471

 

 

Autor: Antonio Jesús Laínez Ramos
4º Curso, Grado de Medicina. Universidad de Granada

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